Войти
A Полупроводниковый детектор в физике обнаружения ионизирующего излучения - это устройство, в котором используется полупроводник (обычно кремний или германий ) для измерения эффекта падающих заряженных частиц или фотонов.
Полупроводниковые детекторы находят широкое применение для радиационной защиты, гамма и рентгеновской спектрометрии, а также в качестве детекторов частиц.
В полупроводниковых детекторах ионизирующее излучение измеряется количеством носителей заряда, свободных в материал детектора, который расположен между двумя электродами , излучением. Ионизирующее излучение производит свободные электроны и дырки. Число электронно-дырочных пар пропорционально энергии излучения полупроводника. В результате некоторое количество электронов переносится из валентной зоны в зону проводимости, и в валентной зоне создается равное количество дырок. Под действием электрического поля электроны и дырки перемещаются к электродам, где они вызывают импульс, который может быть измерен во внешней цепи, как описано в Теорема Шокли-Рамо. Отверстия движутся в противоположном направлении, и их также можно измерить. Поскольку количество энергии, необходимое для создания пары электрон-дырка, известно и не зависит от энергии падающего излучения, измерение количества пар электрон-дырка позволяет определить интенсивность падающего излучения.
Энергия, необходимая для образования электронно-дырочных пар, очень мала по сравнению с энергией, необходимой для образования парных ионов в газовом детекторе. Следовательно, в полупроводниковых детекторах статистическая вариация высоты импульса меньше, а разрешение по энергии выше. Поскольку электроны перемещаются быстро, временное разрешение также очень хорошее и зависит от времени нарастания. По сравнению с газовыми ионизационными детекторами, плотность полупроводникового детектора очень высока, и заряженные частицы высокой энергии могут выделять свою энергию в полупроводнике относительно небольших размеров.
Датчик прямого кремниевого вершинного детектора (FVTX) детектора PHENIX на микроскопе, показывающий расстояние между силиконовыми полосками 75 микрон. Большинство кремниевых детекторов частиц в принципе работают за счет легирования узких (обычно около 100 микрометров) кремниевых полос, чтобы превратить их в диоды, которые затем смещены в обратном направлении. Когда заряженные частицы проходят через эти полоски, они вызывают небольшие токи ионизации, которые можно обнаружить и измерить. Расположение тысяч таких детекторов вокруг точки столкновения в ускорителе частиц может дать точную картину того, по какому пути движутся частицы. Кремниевые детекторы имеют гораздо более высокое разрешение при отслеживании заряженных частиц, чем старые технологии, такие как камеры Вильсона или проволочные камеры. Недостатком является то, что кремниевые детекторы намного дороже этих старых технологий и требуют сложного охлаждения для уменьшения токов утечки (источника шума). Они также со временем деградируют из-за излучения, однако его можно значительно уменьшить благодаря эффекту Лазаруса.
Алмазные детекторы имеют много общего с кремниевыми детекторами, но ожидается, что они будут иметь значительные преимущества, в частности, высокую радиационную стойкость и очень низкие токи дрейфа. В настоящее время они намного дороже и сложнее в производстве.
Детектор из высокочистого германия (отсоединенный от Дьюара с жидким азотом) Детекторы из германия в основном используются для гамма-спектроскопии в ядерной физике, а также рентгеновская спектроскопия. Хотя кремниевые детекторы не могут быть толще нескольких миллиметров, германий может иметь обедненную чувствительную толщину сантиметров и, следовательно, может использоваться в качестве детектора полного поглощения для гамма-лучей до нескольких МэВ. Эти детекторы также называются детекторами из высокочистого германия (HPGe) или детекторами из сверхчистого германия. До совершенствования современных методов очистки кристаллы германия не могли быть получены с чистотой, достаточной для их использования в качестве детекторов спектроскопии. Примеси в кристаллах захватывают электроны и дырки, нарушая работу детекторов. Следовательно, кристаллы германия были легированы ионами лития (Ge (Li)), чтобы создать собственную область , в которой электроны и дырки могли бы достигать контактов и производить сигнал.
Когда германиевые детекторы были впервые разработаны, были доступны только очень маленькие кристаллы. Результатом стала низкая эффективность, и эффективность германиевого детектора до сих пор часто указывается относительно «стандартного» сцинтилляционного детектора NaI (Tl) 3 ″ x 3 ″. С тех пор методы выращивания кристаллов были усовершенствованы, что позволяет изготавливать детекторы размером с обычно доступные кристаллы NaI или больше, хотя такие детекторы стоят более 100 000 евро (113 000 долларов США).
С 2012 года в детекторах HPGe обычно используется диффузия лития для создания n омического контакта и имплантация бора для создания контакта p. Коаксиальные детекторы с центральным контактом n называются детекторами n-типа, а детекторы p-типа имеют центральный контакт p. Толщина этих контактов представляет собой мертвый слой вокруг поверхности кристалла, внутри которого выделение энергии не приводит к сигналам детектора. Центральный контакт в этих детекторах противоположен поверхностному контакту, поэтому мертвый слой в детекторах n-типа меньше, чем мертвый слой в детекторах p-типа. Типичная толщина мертвого слоя составляет несколько сотен микрометров для диффузионного слоя Li и несколько десятых микрометра для имплантируемого слоя B.
Главный недостаток германиевых детекторов состоит в том, что их необходимо охлаждать до температур жидкого азота для получения спектроскопических данных. При более высоких температурах электроны могут легко пересечь запрещенную зону в кристалле и достичь зоны проводимости, где они могут свободно реагировать на электрическое поле, создавая слишком много электрических шумов, чтобы их можно было использовать в качестве спектрометра. Охлаждение до температуры жидкого азота (77 К) снижает тепловые возбуждения валентных электронов, так что только взаимодействие гамма-лучей может дать электрону энергию, необходимую для пересечения запрещенной зоны и достижения зоны проводимости. Охлаждение жидким азотом неудобно, поскольку детектору требуется несколько часов для охлаждения до рабочей температуры, прежде чем его можно будет использовать, и нельзя позволять нагреваться во время использования. Кристаллы Ge (Li) никогда не могли нагреваться, так как литий вылетал из кристалла, разрушая детектор. Когда детекторы HPGe не используются, можно дать им нагреться до комнатной температуры.
Появились коммерческие системы, в которых используются передовые методы охлаждения (например, холодильник с пульсационной трубкой ), чтобы исключить необходимость охлаждения жидким азотом.
Детекторы теллурида кадмия (CdTe) и теллурида кадмия-цинка (CZT) были разработаны для использования в рентгеновских лучах. спектроскопия и гамма-спектроскопия. Высокая плотность этих материалов означает, что они могут эффективно ослаблять рентгеновское и гамма-излучение с энергией более 20 кэВ, которую традиционные сенсоры на основе кремния не могут обнаружить. Широкая запрещенная зона этих материалов также означает, что они обладают высоким удельным сопротивлением и могут работать при комнатной температуре (~ 295K) или близкой к ней, в отличие от германия. датчики на основе. Эти детекторные материалы могут быть использованы для изготовления сенсоров с различными структурами электродов для визуализации и спектроскопии с высоким разрешением. Однако детекторы CZT обычно не могут соответствовать разрешающей способности германиевых детекторов, причем отчасти это различие связано с плохим переносом положительных носителей заряда к электроду. Усилия по смягчению этого эффекта включали разработку новых электродов, которые исключают необходимость сбора носителей обеих полярностей.
HPGe, автоматизированные с недорогим открытым датчиком. автоматический пробоотборник источника. Автоматическое обнаружение для гамма-спектроскопии в природных образцах традиционно было дорогостоящим, поскольку анализаторы должны быть защищены от фонового излучения. Однако недавно для такого рода анализов появился недорогой автосэмплер. Его можно интегрировать с различными инструментами от разных производителей, используя язык сценариев AutoIt для операционной системы Microsoft Windows.
