Полупроводниковый детектор в физике обнаружения ионизирующего излучения — это устройство, которое использует полупроводник (обычно кремний или германий ) для измерения эффекта падающих заряженных частиц или фотонов.
Полупроводниковые детекторы находят широкое применение в радиационной защите , гамма- и рентгеновской спектрометрии , а также в качестве детекторов частиц .
В полупроводниковых детекторах ионизирующее излучение измеряется числом носителей заряда , освобожденных в материале детектора, который расположен между двумя электродами , излучением. Ионизирующее излучение производит свободные электроны и электронные дырки . Число пар электрон-дырка пропорционально энергии излучения в полупроводнике. В результате некоторое количество электронов переносится из валентной зоны в зону проводимости , а равное количество дырок создается в валентной зоне. Под воздействием электрического поля электроны и дырки перемещаются к электродам, где они приводят к импульсу, который можно измерить во внешней цепи , как описано теоремой Шокли-Рамо . Дырки перемещаются в противоположном направлении и также могут быть измерены. Поскольку количество энергии, необходимое для создания пары электрон-дырка, известно и не зависит от энергии падающего излучения, измерение числа пар электрон-дырка позволяет определить энергию падающего излучения. [1]
Энергия, необходимая для создания пар электрон-дырка, очень мала по сравнению с энергией, необходимой для создания парных ионов в газовом детекторе. Следовательно, в полупроводниковых детекторах статистическое изменение высоты импульса меньше, а энергетическое разрешение выше. Поскольку электроны движутся быстро, временное разрешение также очень хорошее и зависит от времени нарастания . [2] По сравнению с газообразными ионизационными детекторами , плотность полупроводникового детектора очень высока, и заряженные частицы высокой энергии могут отдавать свою энергию в полупроводнике относительно малых размеров. [ требуется ссылка ]
_sensor_on_a_microscope.jpg/1280px-A_Forward_Silicon_Vertex_Detector_(FVTX)_sensor_on_a_microscope.jpg)
Большинство детекторов кремниевых частиц работают, в принципе, путем легирования узких (обычно около 100 микрометров шириной) кремниевых полосок , чтобы превратить их в диоды , которые затем смещаются в обратном направлении . Когда заряженные частицы проходят через эти полоски, они вызывают небольшие ионизационные токи, которые можно обнаружить и измерить. Расположение тысяч таких детекторов вокруг точки столкновения в ускорителе частиц может дать точную картину того, какие пути выбирают 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 (источник шума). Они также со временем страдают от деградации из-за радиации , однако это можно значительно уменьшить благодаря эффекту Лазаря .
Алмазные детекторы во многом схожи с кремниевыми детекторами, но, как ожидается, обладают значительными преимуществами – в частности, высокой радиационной стойкостью и очень низкими дрейфовыми токами. Они также подходят для обнаружения нейтронов. Однако в настоящее время они намного дороже и сложнее в производстве.
Германиевые детекторы в основном используются для гамма-спектроскопии в ядерной физике , а также в рентгеновской спектроскопии . В то время как кремниевые детекторы не могут быть толще нескольких миллиметров, германий может иметь чувствительный слой (область обеднения) толщиной в сантиметры, и поэтому 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 того, как были усовершенствованы современные методы очистки, кристаллы германия не могли быть получены с чистотой, достаточной для их использования в качестве детекторов спектроскопии. Примеси в кристаллах захватывают электроны и дырки, разрушая 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 впервые были разработаны германиевые детекторы, были доступны только очень маленькие кристаллы. Результатом стала низкая эффективность, и эффективность германиевого детектора до сих пор часто указывается в относительных единицах к «стандартному» сцинтилляционному детектору NaI(Tl) размером 3″ x 3″. С тех пор методы выращивания кристаллов улучшились, что позволило производить детекторы, которые по размеру сопоставимы с обычными кристаллами NaI или больше, хотя такие детекторы стоят более 100 000 евро (113 000 долларов США).
По состоянию на 2012 год [обновлять]детекторы HPGe обычно используют диффузию лития для создания омического контакта n + и имплантацию бора для создания контакта p + . Коаксиальные детекторы с центральным контактом n + называются детекторами n-типа, в то время как детекторы p-типа имеют центральный контакт ap + . Толщина этих контактов представляет собой мертвый слой вокруг поверхности кристалла, в пределах которого энергетические вложения не приводят к сигналам детектора. Центральный контакт в этих детекторах противоположен поверхностному контакту, что делает мертвый слой в детекторах n-типа меньше мертвого слоя в детекторах p-типа. Типичные толщины мертвого слоя составляют несколько сотен микрометров для диффузионного слоя Li и несколько десятых микрометра для слоя имплантации B.
Основным недостатком германиевых детекторов является то, что их необходимо охлаждать до температур жидкого азота для получения спектроскопических данных. При более высоких температурах электроны могут легко пересекать запрещенную зону в кристалле и достигать зоны проводимости, где они могут свободно реагировать на электрическое поле, создавая слишком много электрического шума, чтобы быть полезными в качестве спектрометра. Охлаждение до температуры жидкого азота (77 К) снижает тепловые возбуждения валентных электронов, так что только взаимодействие гамма-излучения может дать электрону энергию, необходимую для пересечения запрещенной зоны и достижения зоны проводимости. Охлаждение жидким азотом неудобно, так как детектору требуются часы для охлаждения до рабочей температуры, прежде чем его можно будет использовать, и нельзя допускать нагревания во время использования. Кристаллы Ge(Li) никогда не должны нагреваться, так как литий будет выходить из кристалла, разрушая детектор. Детекторы HPGe могут нагреваться до комнатной температуры, когда они не используются.
Появились коммерческие системы, использующие передовые технологии охлаждения (например, холодильник с импульсной трубкой ), что исключает необходимость охлаждения жидким азотом.
Германиевые детекторы с многополосными электродами, ортогональными на противоположных гранях, могут указывать двумерное местоположение ионизационного следа внутри большого монокристалла Ge. Такие детекторы использовались в астрономических миссиях COSI, запускаемых с помощью воздушных шаров (NASA, 2016) и будут использоваться в орбитальной обсерватории (NASA, 2025) Compton Spectrometer and Imager (COSI).
Поскольку детекторы из германия очень эффективны в обнаружении фотонов, [4] их можно использовать для множества дополнительных приложений. Детекторы из высокочистого германия используются Министерством внутренней безопасности для различения естественного радиоактивного материала (NORM) и оружейного или иного вредного радиоактивного материала. [5] [6] Они также используются для мониторинга окружающей среды из-за опасений использования ядерной энергии. [7] Наконец, детекторы из высокочистого германия используются для медицинской визуализации и исследований в области ядерной физики, что делает их довольно разнообразным детектором с точки зрения областей применения. [8]
Детекторы на основе теллурида кадмия (CdTe) и теллурида кадмия-цинка (CZT) были разработаны для использования в рентгеновской спектроскопии и гамма-спектроскопии . Высокая плотность этих материалов означает, что они могут эффективно ослаблять рентгеновские и гамма-лучи с энергией более 20 кэВ , которые традиционные датчики на основе кремния не способны обнаружить. Широкая запрещенная зона этих материалов также означает, что они имеют высокое удельное сопротивление и способны работать при комнатной температуре или близкой к ней (~295 К) в отличие от датчиков на основе германия . Эти материалы детекторов могут использоваться для производства датчиков с различными структурами электродов для визуализации и спектроскопии высокого разрешения . Однако детекторы CZT, как правило, не могут сравниться с разрешением германиевых детекторов, причем часть этой разницы объясняется плохим переносом положительных носителей заряда к электроду. Усилия по смягчению этого эффекта включали разработку новых электродов, чтобы исключить необходимость сбора обеих полярностей носителей. [9] [10]
Полупроводниковые детекторы часто интегрируются в более крупные системы для различных применений в области измерения радиации.
Гамма-спектрометры с использованием детекторов HPGe часто используются для измерения низких уровней гамма-излучающих радионуклидов в образцах окружающей среды, что требует низкого фонового окружения, обычно достигаемого путем помещения образца и детектора в свинцовый экран, известный как «свинцовый замок». Были разработаны автоматизированные системы [11] для последовательного перемещения ряда образцов в свинцовый экран и из него для измерения. Из-за сложностей открытия экрана и перемещения образцов эта автоматизация традиционно была дорогой, но недавно были введены более дешевые автосэмплеры. [12]
Полупроводниковые детекторы, особенно HPGe, часто интегрируются в устройства для характеристики упакованных радиоактивных отходов. Это может быть так же просто, как детекторы, установленные на подвижной платформе, которая должна быть доставлена в зону для измерений на месте и сопряжена с экранированием, чтобы ограничить поле зрения детектора областью интереса для одноразовых измерений «открытой геометрии детектора» [13] или для отходов в бочках, такие системы, как сегментированный гамма-сканер (SGS), объединяют полупроводниковый детектор со встроенной мехатроникой для вращения предмета и сканирования детектора по разным секциям. [14] Если поле зрения детектора сканируется по небольшим областям предмета по нескольким осям, как это делается с томографическим гамма-сканером (TGS), томография может использоваться для извлечения трехмерной информации о плотности и гамма-излучении предмета. [15]
Полупроводниковые детекторы используются в некоторых гамма-камерах и системах гамма-визуализации [16]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )