Development of scintillators on the basis of AIIBVI compounds for radiation instruments used in medical and technical applications

Physico-technological problems of preparation and main properties of scintillation materials based on zinc selenide and other AIIBVI compounds are considered. Effects have been determined of dopant properties on formation processes of complex lattice defects playing the role of luminescence centers. It is shown that such property features as high light output and very low afterglow level, as well as a unique combination of scintillation and semiconductor properties allow application of these materials in different fields of radiation instrument technologies

Electrophysical properties of metal-semiconductor-metal structures based on isovalently doped zinc selenide crystals

Electric capacitance C and dielectric losses tgδ have been determined for metal-semiconductor-metal structures based on isovalently doped ZnSe crystals. It has been shown that annealing of the grown crystals in zinc atmosphere causes the increase of C by 2-3 orders of magnitude. This parameter, as well as tgδ becomes dependent upon the bias voltage U, with regions of negative and of positive slope observed on the C(U) plots. It has been shown that dependences C(U) and tgδ(U) are determined by changes with voltage in the two oppositely switched Schottky barriers.Исследованы электроемкость C и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ структур металл-полупроводник-металл на основе изовалентно легированных кристаллов ZnSe. Установлено, что отжиг кристаллов в атмосфере цинка обусловливает увеличение C на 2-3 порядка. Параметры C и tgδ становятся зависящими от смещающего напряжения U, причем в зависимости C(U) наблюдаются участки как с отрицательным, так и с положительным наклоном. Показано, что зависимости C(U) и tgδ(U) определяются изменением с напряжением двух, включенных навстречу друг другу, барьеров Шоттки.Досліджєно єлєктроємність C и тангенс кута дієлєктричних втрат tgδ структур метал-напівпровідник-метал на основі ізовалентно легованих кристалів ZnSe. Встановлено, що відпал кристалів у середовищі цинку обумовлює збільшення C на 2-3 порядки. Параметри C i tgδ стають залежними від зміщуючої напруги U, причому в залежності C(U) спостерігаються області як з негативним, так і з позитивним нахилом. Показано, що C(U) i tgδ(U) визначаються залежністю від напруги двох бар’єрів Шоттки, що ввімкнено назустріч один одному

ДЕТЕКТОРИ ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ “ФОТОЧУТЛИВА ГЕТЕРОСТРУКТУРА - ХАЛЬКОГЕНІДНИЙ СЦИНТИЛЯТОР” НА ОСНОВІ СПОЛУК AIIBVI

Methods for preparation of photosensitive structures nZnSe(Te)-pZnTe and ZnSe(Te)/pZnTe-nCdSe are considered. The methods use solid-phase substitution reactions and subsequent epitaxial growth on ZnSe(Te) crystals. It has been shown that maximum e.m.f. value for integrated detectors is 1.2-1.4 V, and their X-ray sen­sitivity reaches values up to 150-200 nAmin/Rcm2. Dynamic linearity range of output characteristics of the detectors was not less than 105, afterglow level after 20 ms - less than 0.05 %, allowing to use them in X-ray tomographs.Розглянуто методи отримання фоточутливих структур типу nZnSe(Te)-pZnTe і ZnSe(Te)/pZnTe-nCdSe шляхом використання твердофазних реакцій заміщення і подальшого епітаксіального росту на кристалах ZnSe(Te). Показано, що амплітуда вихідного сигналу інтегральних детекторів дорівнює 1,2-1,4 В, а рентгенівська чутливість досягає величин 150-200 нА-хв/см2-Р. Динамічний діапазон вихідних параметрів досягає 105, а рівень післясвітіння через 20 мс не перевищує 0,05 %, що дозволяє використовувати їх у детектуючих системах рентгенівських інтроскопів

Studies of photoactive states of isovalently doped ZnSe crystals by the method of scanning photodielectric spectroscopy

Using methods of photodielectric spectroscopy, studies have been carried out of the energy level structure of the defect complexes in isovalently doped zinc selenide crystals. On variation of light wavelength (λ), small changes in effective values of the real λ' and imaginary є'' parts of complex dielectric permittivity were measured in the low frequency (1-50 kHz) region using a high sensitivity AC bridge. Different configurations were used of electric and light fields in the crystals. The local energy level spectrum was determined from ε′(λ)-ε′′(λ) diagrams presented in the complex plane. Analysis has been carried out of relationship between characteristic features of these diagrams and parameters of photoactive states of different nature. Effects are discussed of the surface potential and band bending upon energetics of the local states.Методами фотодиэлектрической спектроскопии проведены исследования структуры энергетических уровней дефектных комплексов в изовалентно легированных кристаллах селенида цинка. При варьировании длины волны света (λ) с помощью высокочувствительных мостов переменного тока измерены малые изменения эффективных значений действительной λ' и мнимой λ'' частей комплексной диэлектрической проницаемости образцов в низкочастотной (1-50 кГц) области. Использовались различные конфигурации электрических и световых полей в кристаллах. Спектр локальных энергетических уровней определялся из диаграмм ε′(λ)-ε′′(λ), представленных в комплексной плоскости. Выполнен анализ связи характерных особенностей диаграмм с параметрами фотоактивных состояний различной природы. Обсуждается влияние поверхностного потенциала и изгиба зон на энергетику локальных состояний.Методами Фотодієлєктричної спектроскопи проведено досліджєння структури енергетичних рівнів дефектних комплексів в ізовалентно легованих кристалах селеніду цинку. При варіюванні довжини хвилі світла (λ) за допомогою високочутливих мостів змінного струму виміряно малі зміни ефективних значень дійсної λ' та уявної λ" частин комплексної діелектричної проникності зразків у низькочастотному (1-50 кГц) діапазоні. Використовувалися різні конфігурації електричних та світлових полів у кристалах. Спектр локальних енергетичних рівнів визначався із діаграм ε′(λ)-ε′′(λ), наведених у комплексній площині. Зроблено аналіз зв’язку характерних особливостей діаграм з параметрами фотоактивних станів різної природи. Обговорюється вплив поверхневого потенціалу та вигину зон на енергетику локальних станів

On luminescence kinetics of scintillators used in X-ray introscopy systems

Data are presented on the influence of various factors upon luminescence kinetics of scintillator crystals based on activated ZnSe, Csl, CWO and GSO. It is shown that the isovalent dopant type substantially affects the decay times т and afterglow level of ZnSe-based scintillators, and the value of т, depending upon the dopant concentration, can vary from 1 to 150 ps. It has been determined that scintillation kinetics of ZnSe(Te) crystals has peculiar features, being characterized by a non-monotonous decrease with a region of rising luminescence intensity at the initial stage after stopping the irradiat ion of samples. Mechanism of energy transfer has been considered for this case. Decay times of oxide scintillators (CWO, GSO) is essentially dependent both on non-stoichiometry of their composition and on the presence of admixtures. It has been shown that the afterglow level of Csl- and CWO-based scintillators depends both on the dose of preliminary X-ray irradiation and on the density of defects introduced into the crystal mechanically. The ro le of X-ray irradiation and finishing thermal treatment has been considered for optimizati on of luminescence kinetics properties of scintillation elements.Приводятся данные о влиянии различных факторов на кинетику люминесценции кристаллов-сцинтилляторов на основе активированных кристаллов ZnSe, Csl, CWO и GSO. Показано, что тип изовалентной примеси оказывает существенное влияние на времена высвечивания т сцинтилляторов на основе ZnSe, и эта величина в зависимости от концентрации примеси может составлять 1-150 мкс. Определено, что кинетика высвечивания кристаллов ZnSe(Te) имеет особенности и характеризуется немонотонным спадом с наличием участка возрастания интенсивности люминесценции на начальном этапе после прекращения облучения образцов. Рассмотрен механизм энергопереноса данного явления. Инерционность оксидных сцинтилляторов (CWO, GSO) существенно зависит как от нестехиометричности состава, так и наличия неконтролируемых примесей. Показано, что уровень послесвечения сцинтилляторов на основе Csl и CWO зависит как от дозы предварительного рентгеновского облучения, так и от концентрации дефектов, введенных в кристалл механическим способом. Изучена роль финишной термообработки в оптимизации инерционных свойств сцинтилляционных элементов.Наводяться дані про вплив різних факторів на кінєтику люмінесценції кристалів-сцинтиляторів на основі активованих кристалів ZnSe, Csl, CWO та GSO. Показано, що тип ізовалентної домішки впливає на час висвітлення і сцинтиляторів на основі ZnSe, і ця величина у залежності від концентрації домішки може складати 1-150 мкс. Визначено, що кінетика висвітлення кристалів ZnSe(Te) має особливості і характеризується немонотонним спадом з наявністю ділянки зростання інтенсивності люмінесценції на початковому етапі після припинення опромінювання зразків. Розглянуто механізм енергопереносу цього явища. Інерційність оксидних сцинтиляторів (CWO, GSO) суттєво залежить як від нестехіометричності сполуки, так і від неконтрольованих домішок. Показано, що рівень післясвітіння сцинтиляторів на основі Csl i CWO залежить як від дози попереднього рентгенівського опромінення, так і від концентрації дефектів, що введені у кристал механічним способом. Вивчено роль фінішної термообробки в оптимізації інерційних властивостей сцинтиляційних елементів

Energy characteristics of scintillators for X-ray introscop

In a broad energy range of X-ray radiation (U = 2 175 kV), we have studied output characteristics (light output, quantum yield of luminescence, etc.) of scintillators based on ZnSe crystals, as well as scintillators Csl(TI), CWO, GSO and AI2O3(Ti). It has been shown that maximum quantum yield, as well as light output in the energy range Ex < 80 keV, is observed for scintillators based on zinc selenide. Their advantages are considered for applications in low-energy detection subsystems of multi-energy X-ray introscopes. Effects of geometrical factors scintillation elements upon output characteristics of such scinti lla-tors are discussed.В широком диапазоне энергий рентгеновского излучения (U = 2 175 кВ) изучены выходные характеристики (световыход, квантовый выход люминесценции и др.) сцинтилляторов на основе ZnSe, а также сцинтилляторов Csl(TI), CWO, GSO и A^OgUi). Показано, что максимальный квантовый выход, а также световыход в области энергий Ех < 80 кэВ имеют сцинтилляторы на основе селенида цинка. Определены перспективы их применения в низкоэнергетических подсистемах детектирования рентгеновского излучения в мульти-энергетических интроскопах. Изучены геометрические факторы сцинтил-ляционных элементов, влияющие на выходные характеристики сцинтилляторов.У широкому діапазоні енергій рентгенівського випромінювання (8 = 2 + 175 кВ) вивчено вихідні характеристики (світловий вихід, квантовий вихід люмінєсцєнції та ін.) сцинтиляторів на основі ZnSe, а також сцинтиляторів Cs(TI), CWO, GSO і А^з^і). Показано, що максимальний квантовий вихід, а також світловий вихід в області енергій Ex < 80 кеВ мають сцинтилятори на основі селеніду цинку. Визначено перспективи їхнього застосування у низькоенергетичних підсистемах детектування рентгенівського випромінювання у мультиенергетичних інтроскопах. Вивчено геометричні фактори сцинтиляційних елементів, що впливають на вихідні характеристики сцинтиляторів

Effective scintillation materials based on solid solutions ZnS1–xTex and perspectives of their application

The optimal technological regime of formation ZnS1–xTex solid solution at spacing 0,0≤х≤0,1 has been determined, and has been shown that fritting in hydrogen atmosphere results in more rapid reaction in comparison to argon due to chemical-thermal etching the ZnO layer out. Further annealing in the inert Ar atmosphere leads to the increase of the light output, to the intensive emission band formation and causes afterglow level reduction and the crystalline lattice rearrangement

Radiation-induced changes in dielectric and photoelectric properties of AᴵᴵBⱽᴵ crystals

To determine the kinetics of pre-threshold defect formation, studies have been carried out of dielectric permittivity of isovalently doped zinc selenide and Cd₁₋ₓZnₓTe crystals (x = 0.16). X-ray irradiation of the samples was carried out (W-anode, 100-150 kV), with its dose D varied within the limits of up to 900 R. Dielectric parameters є' and є'' were measured by the capacitance technique in the frequency range 1...50 kHz. The photoactive states were studied by the method of scanning photodielectric spectroscopy. Non-trivial changes were noted in parameters є' and є'' upon increasing radiation dose. The values and sign of these changes depend upon the dose, as well as on frequency of the AC electric field. It has been shown that, starting from small values of D, transformation occurs of the system of intrinsic structure defects: concentration of initial defects is changed, new defects are formed, as well as their associates. Substantial difference has been noted in behavior of the said parameters for ZnSe and Cd₁₋ₓZnₓTe crystals.Для определения кинетики допорогового дефектообразования исследовалась диэлектрическая проницаемость изовалентно легированного селенида цинка и кристаллов Cd₁₋ₓZnₓTe (x = 0,16). Облучение образцов производили рентгеновским излучением (W-анод, 100-150 кВ), доза D которого варьировалась в пределах до 900 Р. Диэлектрические параметры є' и є'' измерялись емкостной методикой в диапазоне частот 1...50 кГц. Фотоактивные состояния исследовали методом сканирующей фотодиэлектрической спектроскопии. Обнаружены нетривиальные изменения параметров є' и є'' по мере возрастания дозы облучения. Величина и знак этих изменений зависят от дозы, а также частоты переменного электрического поля. Показано, что, начиная уже с малых значений D, происходит преобразование системы собственных дефектов структуры: изменяется концентрация исходных дефектов, образуются новые дефекты и их ассо-циаты. Наблюдаются существенные отличия в поведении указанных параметров для кристаллов ZnSe и Cd₁₋ₓZnₓTe.Для визначення кінєтики допорогового дефектоутворення досліджувалася діелектрична проникність ізовалентно легованого селеніду цинку та кристалів Cd₁₋ₓZnₓTe (x = 0,16). Опромінення зразків проводили рентгенівським випроміненням (W-анод, 100150 кВ), доза D якого змінювалась у межах до 900 Р. Діелектричні параметри є' та є'' вимірювалися ємосною методикою у діапазоні частот 1...50 кГц. Фотоактивні стани досдіджували методом скануючої фотодіелектричної спектроскопії. Знайдені нетривіальні змінення параметрів є' та є'' при зростанні дози опромінення. Величина і знак цих змінень залежать від дози, а також частоти змінного електричного поля. Показано, що, починаючи з малих значень D, відбувається перебудова системи власних дефектів структури: змінюється концентрація вихідних дефектів, утворюються нові дефекти та їхні асоціати. Спостерігаються суттєві відзнаки у поведінці вказаних параметрів для кристалів ZnSe та Cd₁₋ₓZnₓTe