Полупроводник детектор
Детектор полупроводника в физике обнаружения ионизирующего излучения - это устройство, которое использует полупроводник (обычно кремний или германий ) для измерения эффекта заряженных частиц или фотонов.
Полупроводниковые детекторы находят широкое применение для защиты радиации , гамма и рентгеновской спектрометрии и в качестве детекторов частиц .
Механизм обнаружения
[ редактировать ]В полупроводниковых детекторах ионизирующее излучение измеряется количеством носителей заряда , освобожденного в материале детектора, который расположен между двумя электродами , излучением. Ионизирующее излучение производит свободные электроны и электронные отверстия . Количество электронов-отверстий пропорционально энергии излучения в полупроводник. В результате ряд электронов переносятся из валентной полосы в полосу проводимости , и в валентной полосе создается равное количество отверстий. Под влиянием электрического поля электроны и отверстия перемещаются к электродам, где они приводят к импульсу, который можно измерить во внешней цепи , как описано теоремой Shockley-Ramo . Отверстия движутся в противоположном направлении, а также могут быть измерены. Поскольку известно количество энергии, необходимой для создания пары электронных отверстий, и не зависит от энергии падающего излучения, измерение количества пар электронных отверстий позволяет определять энергию падающего излучения. [ 1 ]
Энергия, необходимая для производства электронов-отверстий, очень низкая по сравнению с энергией, необходимой для производства парных ионов в газовом детекторе. Следовательно, в полупроводниковых детекторах статистическое изменение высоты импульса меньше, а разрешение энергии выше. По мере того, как электроны движутся быстро, разрешение времени также очень хорошее и зависит от времени подъема . [ 2 ] По сравнению с детекторами газообразной ионизации , плотность полупроводникового детектора очень высока, а заряженные частицы высокой энергии могут выпускать их энергию в полупроводнике относительно небольших измерений. [ Цитация необходима ]
Типы детекторов
[ редактировать ] |
Кремниевые детекторы
[ редактировать ]
кремния Большинство детекторов частиц работают, в принципе, легируя узкие (обычно около 100 микрометров шириной) кремниевые полоски , чтобы превратить их в диоды , которые затем обрабатывают . Когда заряженные частицы проходят через эти полоски, они вызывают небольшие токи ионизации, которые могут быть обнаружены и измерены. Установка тысячи этих детекторов вокруг точки столкновения в ускорителе частиц может дать точную картину того, какие частицы проходят частицы. Кремниевые детекторы имеют гораздо более высокое разрешение в отслеживании заряженных частиц, чем более старые технологии, такие как облачные камеры или проводные камеры . Недостаток заключается в том, что кремниевые детекторы намного дороже, чем эти старые технологии, и требуют сложного охлаждения, чтобы уменьшить токи утечки (источник шума). Они также страдают от деградации со временем из -за радиации , однако это может быть значительно сокращено благодаря эффекту Лазаря .
Diamond Detectors
[ редактировать ]Алмазные детекторы имеют много сходства с детекторами кремния, но, как ожидается, дадут значительные преимущества - в частности, высокая жесткость радиации и очень низкие течения дрейфа. Они также подходят для обнаружения нейтронов. В настоящее время, однако, их гораздо дороже и сложнее в производстве.
Германии детекторы
[ редактировать ]
Детекторы Германия в основном используются для гамма-спектроскопии при ядерной физике , а также рентгеновской спектроскопии . В то время как детекторы кремния не могут быть толстыми, чем несколько миллиметров, германия может иметь чувствительный слой (область истощения) сантиметров и, следовательно, может использоваться в качестве детектора полного поглощения для гамма -лучей до нескольких МэВ. Эти детекторы также называются детекторами германии с высокой точкой, или детекторы гиперполирования германия. Перед тем, как текущие методы очистки были усовершенствованы, кристаллы германия не могли быть получены с чистотой, достаточной для того, чтобы их использование в качестве детекторов спектроскопии. Примеси в кристаллах ловят электроны и отверстия, разрушая производительность детекторов. Следовательно, кристаллы Германия легировали литием -ионами (GE (LI)), чтобы получить внутреннюю область, в которой электроны и отверстия смогут достичь контактов и производить сигнал.
Когда детекторы германии были впервые разработаны, были доступны только очень маленькие кристаллы. Низкая эффективность была результатом, и эффективность детектора германия по -прежнему часто цитируется в относительном отношении к «стандартному» сцинтилляционному детектору 3 ″ x 3 ″ NAI (TL). Методы роста кристаллов с тех пор улучшились, позволяя производить детекторы, которые столь же большие или больше, чем обычно доступные кристаллы NAI, хотя такие детекторы стоят более 100 000 евро (113 000 долл. США).
По состоянию на 2012 год [update], Detectors HPGE обычно используют диффузию лития, чтобы сделать N + Омический контакт и имплантация бора, чтобы сделать P + контакт. Коаксиальные детекторы с центральным N + Контакты называются детекторами N-типа, в то время как детекторы P-типа имеют AP + Центральный контакт. Толщина этих контактов представляет собой мертвый слой вокруг поверхности кристалла, в рамках которого отложения энергии не приводят к сигналам детекторов. Центральный контакт в этих детекторах противоположна контакту поверхности, что делает мертвый слой в детекторах N-типа меньше, чем мертвый слой у детекторов P-типа. Типичная толщина мертвых слоев составляет несколько сотен микрометров для диффузионного слоя LI и несколько десятых микрометра для B -имплантационного слоя B.
Основным недостатком детекторов германия является то, что они должны охлаждаться до температуры азота жидкости для получения спектроскопических данных. При более высоких температурах электроны могут легко пересечь полосой разрывы в кристалле и достигать полосы проводимости, где они могут свободно реагировать на электрическое поле, создавая слишком много электрического шума, чтобы быть полезным в качестве спектрометра. Температура охлаждения до жидкого азота (77K) снижает тепловые возбуждения валентных электронов, так что только взаимодействие гамма -лучей может придать электрону энергию, необходимую для пересечения полосы разрыва и достижения полосы проводимости. Охлаждение жидким азотом неудобно, так как детектору требуются несколько часов, чтобы охлаждать до рабочей температуры, прежде чем его можно будет использовать, и его нельзя допустить во время использования во время использования. Кристаллы GE (LI) никогда не могут прогреться, так как литий вылетит из кристалла, разрушая детектор. Детекторы HPGE могут быть допущены на разогрев до комнатной температуры, когда они не используются.
Доступны коммерческие системы, которые используют расширенные методы охлаждения (например, холодильник с пульсной трубкой ) для устранения необходимости охлаждения азота жидкости.
Детекторы германия с многопользовательными электродами, ортогональными на противоположных лицах, могут указывать на двухмерное местоположение ионизационного следа в большом монокристалле GE. Подобные детекторы использовались в миссиях по астрономическим астрономиям COSI (NASA, 2016) и будут использоваться в орбитальной обсерватории (НАСА, 2025) Compton Spectromome и Imager (COSI).
Поскольку детекторы германия высокоэффективны в обнаружении фотонов, [ 4 ] Они могут быть использованы для множества дополнительных приложений. Национальная безопасность используется в склонности к германиям, чтобы различать естественный радиоактивный материал (норму) и вооруженным или иным образом вредным радиоактивным материалом. [ 5 ] [ 6 ] Они также используются при мониторинге окружающей среды из -за проблемы использования ядерной энергии. [ 7 ] Наконец, с высокой чистовой детекторами германия используются для исследований медицинской визуализации и физики ядерной физики, что делает их довольно разнообразным детектором в отношении применений. [ 8 ]
Детекторы теллурида кадмия и кадмия цинка
[ редактировать ]Детекторы кадмия теллурида (CDTE) и кадмия цинка (CZT) были разработаны для использования в рентгеновской спектроскопии и гамма-спектроскопии . Высокая плотность этих материалов означает, что они могут эффективно ослаблять рентгеновские лучи и гамма-лучи с энергиями более 20 кэВ , которые традиционные датчики на основе кремния не могут обнаружить. Широкая полоса этих материалов также означает, что они имеют высокое удельное сопротивление и способны работать при комнатной температуре (~ 295 тысяч) в отличие от датчиков на основе Германия . Эти материалы детектора могут использоваться для получения датчиков с различными электродными структурами для визуализации высокого разрешения и спектроскопии . Тем не менее, детекторы CZT, как правило, не могут соответствовать разрешению детекторов германия, причем некоторые из этих различий связаны с плохим переносом положительного перевозки заряда в электрод. Усилия по смягчению этого эффекта включали разработку новых электродов, чтобы свести на нет необходимость в том, чтобы обе полярности носителей были собраны. [ 9 ] [ 10 ]
Интегрированные системы
[ редактировать ]Полупроводниковые детекторы часто коммерчески интегрированы в более крупные системы для различных применений измерения радиации.
Автоматизированное изменение образца для детекторов германия
[ редактировать ]
Гамма-спектрометры, использующие детекторы HPGE, часто используются для измерения низких уровней радионуклидов гамма-эминоклидов в образцах окружающей среды, которая требует низкой фоновой среды, обычно достигаемой путем включения образца и детектора в свинцовый щит, известный как «замок свинца». Автоматизированные системы были разработаны [ 11 ] последовательно перемещать несколько образцов в и из свинцового замка для измерения. Из-за сложностей открытия щита и перемещения образцов эта автоматизация традиционно была дорогой, но недавно были введены более дешевые автосамплеры. [ 12 ]
Машины для анализа радиоактивных отходов
[ редактировать ]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 область для измерений на месте, и в сочетании с экранированием, чтобы ограничить поле детектора в интересующей области для одного выстрела ». Геометрия детектора «Измерения, [ 13 ] или для отходов в барабанах, такие системы, как сегментированный гамма -сканер (SGS), объединяют полупроводниковый детектор со встроенной мехатроникой для вращения элемента и сканирования детектора по разным секциям. [ 14 ] Если поле зрения детектора сканируется на небольших областях элемента по нескольким осям, как это делается с помощью томографического гамма -сканера (TGS), томография может использоваться для извлечения трехмерной информации о плотности и выбросах гамма в элементе. [ 15 ]
Гамма -камеры
[ редактировать ]Полупроводниковые детекторы используются в некоторых гамма -камерах и системах гамма -визуализации [ 16 ]
Смотрите также
[ редактировать ]- Эффект Лазаря
- Эффект столбца
- Синтетические бриллианты
- Спектроскопия полной абсорбции
- Рентгеновская спектроскопия
- Детектор микрополосков
- Гибридный пиксельный детектор
- Liulin Type Instruments
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Knoll, GF (1999). Обнаружение и измерение радиации (3 -е изд.). Уайли. п. 365. ISBN 978-0-471-07338-3 .
- ^ Knoll, P119
- ^ Капустинский, Джон С. (17 ноября 2010 г.). "Датчики/FPHX Readout Chip WBS 1.4.1/1.4.2" (PDF) . Получено 7 августа 2017 года .
{{cite journal}}: CITE Journal требует|journal=( помощь ) - ^ Sangsingkeow, Pat; Берри, Кевин Д; Дюма, Эдвард Дж; Радорф, Томас В; Андервуд, Тереза А (июнь 2003 г.). «Достижения в области технологии детектора германия» . Ядерные приборы и методы в области физических исследований A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ним оборудование . 505 (1–2): 183–186. Bibcode : 2003nimpa.505..183s . doi : 10.1016/s0168-9002 (03) 01047-7 . ISSN 0168-9002 .
- ^ «Расшифрирование радиационных сигналов: использование детекторов германии с высокой чистотой германия для ядерной безопасности» . www.iaea.org . 18 декабря 2020 года . Получено 6 мая 2024 года .
- ^ «Высокочувствительные детекторы | Национальная безопасность» . www.dhs.gov . Получено 6 мая 2024 года .
- ^ «Отображение документа | Nepis | US EPA» . nepis.epa.gov . Получено 6 мая 2024 года .
- ^ Купер, RJ; Amman, M.; Люк, Пн; Веттер К. (сентябрь 2015 г.). «Прототип высокой чистоты германия для спектроскопии гамма-излучения с высоким разрешением при высоких показателях» . Ядерные приборы и методы в области физических исследований A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ним оборудование . 795 : 167–173. BIBCODE : 2015NIMP.795..167C . doi : 10.1016/j.nima.2015.05.053 . ISSN 0168-9002 .
- ^ Люк, Пн (1 ноября 1994 г.). «Ощущение однополярного заряда с помощью копланарных электродов - применение к полупроводниковым детекторам» . doi : 10.2172/34411 . Ости 34411 .
{{cite journal}}: CITE Journal требует|journal=( помощь ) - ^ JS Kapustinsky, Nucl. Инструмент Методы A 617 (2010) 546 - 548.
- ^ «Роботизированный гамма -спектрометр с изменением образца - ядерная система» .
- ^ Carvalho, Matheus (2018). «Auto-HPGE, аутосамплер для гамма-спектроскопии с использованием детекторов германии (HPGE) с высокой чистотой (HPGE) и тяжелых щитов» . Hardwarex . 4 : E00040. doi : 10.1016/j.ohx.2018.e00040 .
- ^ ISO 19017: 2015
- ^ LALP-91-011, примечание, сегментированный гамма-сканер гамма-излучения
- ^ La-ur-93-1637, Томографическое гамма-сканирование (TGS) для измерения неоднородных матриц ядерного материала из будущих топливных циклов, Lanl, 1993
- ^ "H100 - H3D, Inc" .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Силиконовый детектор PowerPoint предоставлен для редактирования (превосходство в области детекторов и инструментов) 2011 в Cern, M. Krammer, F. Hartmann.
| Базы данных управления авторитетом : национальный |
|---|
