Thallium bromide optical and radiation detectors for X-ray and gamma-ray spectroscopy

Abstract

A compound semiconductor, thallium bromide (TlBr), has been investigated as an optical and radiation detector material for use in X-and -ray spectroscopy. Single crystals of TlBr have been grown by the traveling molten zone method using zone-purified materials. X-and -ray detectors have been fabricated from the TlBr crystals. The TlBr detectors have exhibited good spectrometric performances at room temperature. Polarization in TlBr detectors has been observed to deteriorate detector performance. Optical detectors for scintillation spectroscopy have been fabricated from the crystals by depositing optically transparent electrodes of indium-tin-oxide (ITO) on the front surfaces of the crystals. The quantum efficiency of the TlBr optical detectors is high in the wavelength region below 460 nm, where the scintillation emissions of LSO and GSO occur.Index Terms-Optical detector, semiconductor detector, thallium bromide (TIBr).

Электрически Активные Состояния Захвата И Переноса Заряда, Обусловливающие Медленную Рекомбинацию В Кристаллах Бромида Таллия При Низких Температурах

“…Этот полупроводни-ковый материал имеет большую ширину запрещенной зоны, 2.68 эВ, высокую плотность, 7.56 г/см 3 , и большие атомные номера: Tl -81, Br -35 [1][2][3]. Большая ширина запрещенной зоны обеспечивает низкую ско-рость тепловой генерации носителей заряда, поэтому материал обладает высоким удельным сопротивлением, превышающим 10 10 Ом · см при комнатной температуре, а приборы на его основе -низкими темновыми тока-ми и малыми шумами.…”

“…Высокая плотность и большие атомные номера обеспечивают высокую эффективность остановки квантов. Пиксельные детекторы γ-излучения на основе TlBr имеют энергетическое разрешение для γ-квантов с энергиями на полуширине 122 и 662 кэВ соответственно 6.7 кэВ (5.5%) и 22.3 кэВ (3.4%) [2,3]. Важный параметр для чувствительности прибора -произведение подвижности электронов и их времени жизни -достигает µτ = 4.1 · 10 −3 см 2 /В при комнатной температуре [4].…”

“…Это приводит, например, к ухудшению спектроскопических характеристик из-за поляризационных эффектов, если устройства работают при комнатной температуре [2]. Электромиграция примесей в TlBr была, например, исследована в [8].…”

A Modified Stillinger-Weber Potential for TlBr, and Its Polymorphic Extension

“…Thallium bromide (TlBr) has emerged to be one of the most promising semiconductors for γ-and x-radiation detection in recent years, achieving resolution as high as 1% at 662 keV (Shorohov et al, 2009;Hitomi, Matsumoto, Muroi, Shoji, & Hiratate, 2002). To collect the charges created during the radiation events, the material must be subject to an external electric field.…”

Ionic current and polarization effect in TlBr

“…1,2 The high performance stems from the material's favorable properties, namely, a moderate band gap (2.7 eV), very long carrier drift length (lifetime up to 10 −4 s) , high room-temperature resistivity (around 10 11 Ω.cm −1 ) 3 and high average atomic number. 4 However, its widespread adoption for radiation detection applications-such as medical and space imaging or port monitoring for national securityhas been prevented due to invariable performance degradation after operation times that vary from hours to several weeks.…”