LT4670B

RENTGENO SPINDULIUOTĖS KEITIKLIS Į OPTINĮ SIGNALĄ

THE CONVERTER OF X-RAY RADIATION TO OPTICAL SIGNAL

Referatas

[LT] Išradimas priklauso puslaidininkių technikos sričiai, būtent puslaidininkiniams rentgeno spindulių keitikliams į optinį signalą ir gali būti panaudotas rentgeno diagnostikos aparatuose. Rentgeno spindulioutės keitiklis į optinį signalą turi GaAs pagrindu pagamintą puslaidininkinę aktyviąją keitiklio dalį, optiškai susietą su optinio vaizdo detektoriumi. Aktyvioji keitiklio dalis yra varizoninis (turintis kintamą pagal darinio storį draudžiamos energijos juostą) AlxGa1-xAs darinys su tolygiai kintamu Al kiekiu pagal darinio sluoksnio storį, be to, minėtas darinys yra legiruotas Zn, kurio priemaišos darinio plokštumoje yra pasiskirsčiusios tolygiai.

[EN] The invention relates to semiconductors, specifically to semiconductor converters of ray radiation to an optical signal and can be used in apparatus for ray radiation examination. A converter of ray radiation to an optical signal comprises a semiconductor active part with the GaAs base, which is optically connected to the detector of the optical view. The active part of the converter is a varizonal ALxGa1-xAs formation( having a changeable band of the prohibited energy in relation to the thickness of the formation) with ane evenly changeable Al quantity in relation to the thickness of the formation layer, and the mentioned formation is made from alloyed Zn the admixtures of which are disposed evenly in the formation plane.

Aprašymas

[0001] Išradimas priklauso puslaidininkių technikos sričiai, būtent puslaidininkiniams Rentgeno spinduliuotės keitikliams į optinį signalą ir gali būti panaudotas Rentgeno diagnostikos aparatuose.

[0002] Yra žinomas Rentgeno spinduliuotės keitiklis, kuriame aktyvusis keitiklio elementas, keičiantis Rentgeno spinduliuot_? į optinį signalą, yra Rentgeno liuminoforai ir scintiliatoriai. Rentgeno aparato ekranuose minėtais liuminoforais naudoja puslaidininkius tokius, kaip ZnS-CdS(Ag), CaW0₄, BaS0₄(Pb) ir kt., o kaip scintiliatorių kristalus naudoja Nal(Tl), CsI(Tl) ir kt. (A.M. ryp_BHH, Peirrreno/ iHDMHHoįiopbi h peurrei- ioBCKHe 3_KpaHbi, MocKBa, 3_HeproaTOMH3aar, 1983, Tcxiihmcckhc cpcacrBa pcinrcHoaHaniocTH, Efozi pc/ i. ricpec/ icrnna, MocKua, McflHunHa, 1981).

[0003] Dėl minėtų liuminoforų mažos vidinės energetinės kvantinės išeigos p, kuri šio tipo keitikliams yra ribose /? = 0,01 + 0,18, Rentgeno spinduliuotės keitimo į optinį signalą

[0004] (šviesą) efektyvumas yra žemas, todėl Rentgeno ekranai, kuriuose naudojami žinomi keitikliai, turi žemo lygio erdvinę skiriamąją galią, t.y. žemą vaizdo ryškumą bei kontrastingumą.

[0005] Naudojant šio tipo Rentgeno spinduliuotės keitiklius medicininiuose Rentgeno diagnostikos aparatuose dažnai yra būtini aukšti Rentgeno spinduliavimo ekspozicijos lygiai, o tai sukelia pavojų paciento sveikatai, todėl šiais aparatais nėra galimybių nustatyti vėžinius ir kraujagyslių susirgimus ankstyvose jų stadijose.

[0006] Yra žinomas Rentgeno spinduliuotės keitiklis į optinį signalą, kurio aktyvusis elementas yra GaAs monokristalas (J. Požėla, V. Jucienė ir K. Požėla, "Light emmited GaAs particle detectors," Nucl. Instr. and Meth. A.V. 410, p. 11, 1998.

[0007] Rentgeno spinduliuotės keitiklis su GaAs aktyviuoju elementu, gali pasiekti vidinio energetinio kvantino išėjimo efektyvumo reikšmę /? = 0,4, t.y. žymiai didesnę, negu gaunama įprastais liuminoforais ir scintiliatoriais.

[0008] Tačiau dėl stiprios generuojamos šviesos absorbcijos GaAs, šio tipo keitiklių

[0009] efektyvumo ir erdvinės skiriamosios galios nepakanka, kad, naudojant jį medicininiuose Rentgeno diagnostikos aparatų ekranuose, galima būtų gauti gerą vaizdo ryškumą bei nustatyti vėžinių ir kraujagyslių susirgimų ankstyvąsias stadijas, nesudarant rizikos faktoriaus žmogaus sveikatai dėl aukšto Rentgeno spinduliavimo ekspozicijos lygio.

[0010] Šiuo išradimu siekiama pagerinti Rentgeno spinduliuotės keitiklio j optinį signalą efektyvumą, pagerinti optinio vaizdo ryškumą bei kontrastingumą, praplėsti jo naudojimo galimybes.

[0011] Šio uždavinio sprendimo esmė yra ta, kad optiškai susieta su optinio vaizdo detektoriumi aktyvioji rentgeno spinduliuotės keitiklio į optinį signalą dalis, yra varizoninis (turintis kintamą pagal darinio storį draudžiamos energijos juostą)

[0012] Al_x kiekio pasiskirstymas A^Ga^As darinyje pagal jo storį kinta nuo x=0,₄ iki x=0, geriausiai x=0,2. Al_xGa_i._xAs darinio sluoksnio storis yra ribose nuo 1,0 ųm iki 100 ^m," geriausiai 20(im, nes geriausiai užtikrina Rentgeno spinduliuotės su energija E_x=5+50keV aukštą detekcijos efektyvumą.

[0013] Kintama (didėjanti) Al koncentracija pagal darinio storį padidina uždraustos zonos energiją. Kadangi liuminescencinio kvanto energija pagal dydį yra artima uždraustos zonos pločiui, dėl to kristale susidaro plačiazoninis langas šviesos kvantams išeiti iš puslaidininkinio darinio (Fig.2). To pasekoje žymiai pagerėja Rentgeno spinduliuotės keitimo j optinį signalą (šviesą) efektyvumas.

[0014] Rentgeno spinduliuotės, sugeriamos Al_xGa_i,_vAs sluoksnyje, pavertimo šviesa efektyvumas A^=(3ri,kur

[0015] P - rekombinuojančių elektronų - skylių porų sukūrimo efektyvumas (energetinė kvantinė išeiga),

[0016] Parametrą P charakterizuoja elektroninių skylių porų spindulinis rekombinavimas paveikus Al_xGa_i._xAs sluoksnį rentgeno spinduliais.

[0017]

[0018] GaAs kristaluose E, = 4eV. Liuminoforuose ir scintiliatoriuose ši slenkstinė energija žymiai didesnė Et = 10 + 10" eV. Būtent šis faktorius mažina Rentgeno spinduliuotės konversijos į šviesą efektyvumą palyginus su GaAs dariniais.

[0019] Rentgeno spinduliuotės sukurtos elektroninės skylių poros rekombinuoja kaip spinduliuojančios arba nespinduliuojančios. Dalis sukurtų elektronų - skylių porų rekombinuoja su šviesos emisija. Ši dalis yra lygi

[0020] Al_xGa_i,_xAs darinys yra legiruotas Zn. Zn koncentracija AJ_xGa_i,_xAs darinyje yra ribose nuo 0,5-10¹⁸ cm"³ iki 7-10¹⁸ cm'³, geriausiai 5-10¹⁸ cm'³. Zn priemaišos darinio plokštumoje yra pasiskirsčiusios tolygiai.

[0021] Varizoninio Al_xGa_[._xAs darinio legiravimas Zn su tolygiu Zn priemaišų pasiskirstymu darinio plokštumoje leidžia žymiai sumažinti t_nr, tuo pačiu pakelti ir pagerinti optinio vaizdo ryškumą bei kontrastingumą, o naudojant pasiūlytą keitiklį Rentgeno diagnostikos aparatuose galima nustatyti vėžinius ir kraujagyslių susirgimus ankstyvuose jų stadijose prie sveikatai nepavojingų Rentgeno spinduliavimo ekspozicijos lygių.

[0022] Optinio vaizdo detektoriumi esantys graduotas Si detektorius arba detektorių pikselių matrica (CCD kamera), optiškai susieti su AJ_xGa_i__xAs kristalo išėjimo plokštuma leidžia optiniam ryšiui panaudoti šviesolaidžius arba optinius elementus, tokius kaip prizmės, kurie jgalina minėtus detektorius išdėstyti už Rentgeno spinduliuotės zonos, kas pagerina keitiklio patikimumą bei jo ilgaamžiškumą.

[0023] Fig.l - Rentgeno spinduliuotės keitiklio bendras scheminis vaizdas; Fig.2 - Al_xGa_i._xAs darinio uždraustos zonos energijos Eg priklausomybė nuo Al koncentracijos pagal darinio sluoksnio storį; Fig.3 - Rentgeno spinduliuotės keitiklio su šviesolaidžiu ir Si detektoriumi scheminis vaizdas; Fig.4 - Rentgeno spinduliuotės keitiklio su CCD kamera ir kompiuteriu scheminis vaizdas; Fig.5 - Si detektoriaus srovės Id priklausomybės nuo Rentgeno vamzdžio anodo srovės IA grafikas; Fig.6 - Rentgeno spindulių energijos priklausomybės nuo ekspozicijos laiko grafikas.

[0024] Rentgeno spinduliuotės keitiklis, keičiantis Rentgeno spindulius X į optinį signalą h v (šviesą) (Fig.l), turi aktyviąją keitiklio dalį 1, kuri šviesos signalo perdavimo sistema 3 optiškai susieta su optinio vaizdo detektoriumi 2. Aktyvioji keitiklio dalis 1 pasiūlytame išradime yra varizoninis (turintis kintamą pagal darinio storį draudžiamos energijos juostą) Al_xGa_i._xAs darinys su tolygiai kintamu Al_* kiekiu pagal kristalo sluoksnio storį. Rentgeno spinduliuotės keitiklio j optinį signalą aktyvioji dalis, t.y. puslaidininkinis Al_xGa_i._xAs darinys gaunamas skystos epitaksijos metodu. Al_xGa_i._xAs darinio sluoksnio storis yra apie 20^-. Viename iš keitiklio realizavimo pavyzdžiių, parodytų Fig.3, optinio vaizdo detektorius yra Si fotodiodas 2, kurio įėjimas šviesolaidžiu 3 optiškai sujungtas su aktyviosios keitiklio dalies 1 išėjimu. Si detektoriaus prijungimas šviesolaidžiu prie Al_xGa_i._xAs kristalo išėjimo plokštumos leidžia Si detektorių išdėstyti ne Rentgeno' spinduliuotės zonoje.

[0025] Kitame keitiklio realizavimo pavyzdyje, parodytame Fig.4, optinio vaizdo detektorius yra CCD kamera 2, kurios įėjimo langas per optine sistemą 3 optiškai susietas su aktyviosios keitiklio dalies 1 išėjimu, o minėtos kameros išėjimas sujungtas su kompiuteriu 4.

[0026] Šviesos išėjimo iš Al_xGa_i._xAs sluoksnio efektyvumas priklauso nuo optinės sistemos 3. Rezultatai, gauti atliekant bandymus su Si detektoriumi (Fig.3), pavaizduoti Fig. 5. Si detektoriaus srovės Id atsakas tiesiškai priklauso nuo Rentgeno spinduliuotės intesyvumo, kuris yra proporcingas Rentgeno vamzdžio anodo srovei Id ■ Šviesos signalą registruojant CCD kamera (santykiniais vienetais) gauta tokia pati Rentgeno spinduliuotės energijos tiesinė priklausomybė nuo ekspozicijos laiko (Fig. 6). Abiem atvejais Al_xGai.xAs sluoksnis buvo patalpintas 20 cm atstumu nuo Rentgeno vamzdžio (brėžinyje neparodytas) varinio anodo. Rentgeno vamzdžio anodo srovė ir įtampa registruojant signalą CCD kamera buvo 7^ = 20 mAir V/ i = 30 kV.

[0027] Pažymėtina, kad naudojant Al_xGa_i._xAs detektorių Rentgeno spinduliuotės dozės dalis, kurią gauna pacientas, yra mažesnė palyginus su dozėmis įprastiniuose Rentgeno diagnostikos aparatuose norint gauti tokios pat kokybės Rentgenoliuminiscencinį vaizdą. Todėl siūlomame keitiklyje padidinus Rentgeno spinduliuotės dozę iki leistinos dozės (dar nepavojingos paciento sveikatai) žymiai pagerėja vaizdo ryškumas, bei kontrastingumas.

Apibrėžtis

1. Rentgeno spinduliuotės keitiklis į optinį signalą, turintis GaAs pagrindu pagamintą puslaidininkinę aktyviąją keitiklio dalį, susietą su optinio vaizdo detektoriumi, besiskiriantis tuo, kad aktyvioji keitiklio dalis optiškai susieta su optinio vaizdo detektoriumi yra varizoninis (kintamos draudžiamos energijos) Al_xGa_i._xAs darinys su tolygiai kintamu Al_x kiekiu pagal darinio sluoksnio storį.

2. Keitiklis pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad Al_x kiekio pasiskirstymas Al_xGa_i._x As darinyje pagal jo storį kinta nuo x=0,4 iki x=0, geriausiai x=₀,₂.

3. Keitiklis pagal 1 - 2 punktus, besiskiriantis tuo, kad Al_xGa_i._xAs darinys yra legiruotas Zn.

4. Keitiklis pagal 3 punktą, besiskiriantis tuo, kad Zn koncentracija Al_xGa_i,_xAs darinyje yra ribose nuo 0,5_'10¹⁸ cm"³ iki 7-10¹⁸ _cm'3, geriausiai 5-10¹⁸ cm'³.

5. Keitiklis pagal 3 - 4 punktus, besiskiriantis tuo, kad Zn priemaišos darinio plokštumoje yra pasiskirsčiusios tolygiai.

6. Keitiklis pagal 1 - 5 punktus, besiskiriantis tuo, kad Al_xGa_"i._xAs darinio sluoksnio storis yra ribose nuo 10 (um iki 100 p.m geriausiai 20 jj.m.

7. Keitiklis pagal 1 - 6 punktus, besiskiriantis tuo, kad optinio vaizdo detektorius yra graduotas Si detektorius, optiškai sujungtas su Al_xGa_i._xAs darinio išėjimo plokštuma.

8. Keitiklis pagal 1 - 6 punktus, besiskiriantis tuo, kad optinio vaizdo detektorius yra detektorių pikselių matrica (CCD kamera), optiškai susieta su Al_xGa_i._xAs darinio išėjimo plokštuma.

Brėžiniai