Полупроводниковый детектор

Эта статья о детекторах ионизирующего излучения. Информацию о полупроводниковых детекторах в радио см. в разделах Детектор (радио) , Кристаллический детектор , Полупроводниковые диоды и Выпрямитель .

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 для радиационной защиты , гамма- и рентгеновской спектрометрии , а также в качестве детекторов частиц .

Механизм обнаружения

В полупроводниковых детекторах ионизирующее излучение измеряется количеством носителей заряда, освобождаемых в материале детектора, который расположен между двумя электродами , под действием излучения. Ионизирующее излучение производит свободные электроны и электронные дырки . Число электронно-дырочных пар пропорционально энергии излучения полупроводника. В результате некоторое количество электронов переносится из валентной зоны в зону проводимости , а в валентной зоне создается такое же количество дырок. Под воздействием электрического поля электроны и дырки перемещаются к электродам, где образуют импульс, который можно измерить во внешней цепи , как описано в теореме 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 энергию падающего излучения.

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 и энергетическое разрешение выше. Поскольку электроны движутся быстро, временное разрешение также очень хорошее и зависит от времени нарастания . По сравнению с газообразными ионизационными детекторами плотность полупроводникового детектора очень высока, и заряженные частицы высокой энергии могут отдавать свою энергию в полупроводнике сравнительно небольших размеров.

Типы детекторов

Кремниевые детекторы

Датчик переднего кремниевого вершинного детектора (FVTX) детектора PHENIX на микроскопе показывает расстояние между кремниевыми полосками 75 микрон.

Большинство детекторов кремниевых частиц работают, в принципе, путем легирования узких (шириной около 100 микрометров) кремниевых полосок , чтобы превратить их в диоды , которые затем смещаются 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 каким траекториям проходят частицы. Кремниевые детекторы имеют гораздо более высокое разрешение при отслеживании заряженных частиц, чем старые технологии, такие как камеры Вильсона или проволочные камеры . Недостаток заключается в том, что кремниевые детекторы намного дороже, чем эти старые технологии, и требуют сложного охлаждения для уменьшения токов утечки (источника шума). Они также со временем деградируют из-за радиации , однако это можно значительно уменьшить благодаря эффекту Лазаря .

Детекторы алмазов

Алмазные детекторы имеют много общего с кремниевыми детекторами, но, как ожидается, будут иметь значительные преимущества, в частности, высокую радиационную стойкость и очень низкие дрейфовые токи. Они также подходят для обнаружения нейтронов. Однако в настоящее время они значительно дороже и сложнее в производстве.

Детекторы германия

Детектор германия высокой чистоты (отключен от дьюара с жидким азотом)

Германиевые детекторы в основном используются для гамма-спектроскопии в ядерной физике , а также рентгеновской спектроскопии . В то время как кремниевые детекторы не могут быть толще нескольких миллиметров, германий может иметь толщину чувствительного слоя (области обеднения) в несколько сантиметров и, следовательно, может использоваться в качестве детектора полного поглощения гамма-лучей до нескольких МэВ. Эти детекторы также называются детекторами сверхчистого германия (HPGe) или детекторами сверхчистого германия. До того, как современные методы очистки были усовершенствованы, кристаллы германия не могли быть получены с чистотой, достаточной для их использования в качестве спектроскопических детекторов. Примеси в кристаллах захватывают электроны и дырки, ухудшая 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 генерировать 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 относительно «стандартного» сцинтилляционного детектора NaI (Tl) размером 3 x 3 дюйма. С тех пор методы выращивания кристаллов усовершенствовались, что позволяет изготавливать детекторы такого же размера или больше, чем обычно доступные кристаллы NaI, хотя такие детекторы стоят более 100 000 евро (113 000 долларов США).

По состоянию на 2012 год Детекторы HPGe обычно используют диффузию лития для получения n ⁺ омический контакт и имплантация бора для создания p ⁺ контакт. Коаксиальные детекторы с центральным n ⁺ контактные называются детекторами n-типа, а детекторы p-типа имеют ап ⁺ центральный контакт. Толщина этих контактов представляет собой мертвый слой вокруг поверхности кристалла, внутри которого энерговыделения не приводят к сигналам детектора. Центральный контакт в этих детекторах противоположен поверхностному контакту, что делает мертвый слой в детекторах n-типа меньшим, чем мертвый слой в детекторах p-типа. Типичная толщина мертвого слоя составляет несколько сотен микрометров для диффузионного слоя Li и несколько десятых микрометра для слоя имплантации B.

их необходимо охлаждать до температуры жидкого азота Основным недостатком германиевых детекторов является то, что для получения спектроскопических данных . При более высоких температурах электроны могут легко пересечь запрещенную зону кристалла и достичь зоны проводимости, где они могут свободно реагировать на электрическое поле, создавая слишком много электрического шума, чтобы их можно было использовать в качестве спектрометра. Охлаждение до температуры жидкого азота (77К) уменьшает 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, так как детектору требуется несколько часов, чтобы остыть до рабочей температуры, прежде чем его можно будет использовать, и нельзя допускать прогрева во время использования. Кристаллам Ge(Li) нельзя было позволять нагреваться, поскольку литий вылетал бы из кристалла, разрушая детектор. Детекторам HPGe можно дать нагреться до комнатной температуры, когда они не используются.

Появились коммерческие системы, в которых используются передовые методы охлаждения (например, холодильник с импульсной трубкой ), чтобы исключить необходимость охлаждения жидким азотом.

Германиевые детекторы с многополосными электродами, ортогональными на противоположных гранях, могут указывать двумерное расположение ионизационного следа внутри большого монокристалла Ge. Подобные детекторы использовались в астрономических миссиях COSI на воздушных шарах (НАСА, 2016 г.) и будут использоваться в орбитальной обсерватории (НАСА, 2025 г.) Комптоновском спектрометре и формирователе изображений (COSI).

Поскольку германиевые детекторы очень эффективны в обнаружении фотонов, их можно использовать для множества дополнительных приложений. Детекторы из германия высокой чистоты используются Министерством национальной безопасности для различения радиоактивных материалов естественного происхождения (НОРМ) и радиоактивных материалов, используемых в качестве оружия или иным образом вредных. Их также используют для мониторинга окружающей среды из-за опасений по поводу использования ядерной энергии. Наконец, детекторы из германия высокой чистоты используются для медицинской визуализации и исследований в области ядерной физики, что делает их довольно разнообразными детекторами с точки зрения приложений.

Детекторы теллурида кадмия и теллурида кадмия-цинка

Детекторы из 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 кремниевые датчики не могут обнаружить. Широкая запрещенная зона этих материалов также означает, что они обладают высоким удельным сопротивлением и способны работать при комнатной температуре или близкой к ней (~ 295 К), в отличие от датчиков на основе германия . Эти детекторные материалы могут быть использованы для изготовления датчиков с различной структурой электродов для визуализации высокого разрешения и спектроскопии . Однако CZT-детекторы, как правило, не могут сравниться по разрешению с германиевыми детекторами, причем часть этой разницы объясняется плохим переносом положительных носителей заряда к электроду. Усилия по смягчению этого эффекта включали разработку новых электродов, устраняющих необходимость сбора носителей обеих полярностей.

Интегрированные системы

Полупроводниковые детекторы часто интегрируются в более крупные системы для различных целей измерения радиации.

Автоматическая смена проб для германиевых детекторов

HPGe автоматизирован с помощью недорогого автосамплера с открытым исходным кодом.

Гамма-спектрометры с детекторами HPGe часто используются для измерения низких уровней гамма-излучающих радионуклидов в пробах окружающей среды, что требует низкого фона окружающей среды, что обычно достигается путем заключения образца и детектора в свинцовый экран, известный как «свинцовый замок». Разработаны автоматизированные системы. последовательно перемещать несколько образцов в свинцовый замок и из него для измерения. Из-за сложности открытия щитка и перемещения образцов такая автоматизация традиционно была дорогостоящей, но недавно были представлены более дешевые автосамплеры.

Машины для анализа радиоактивных отходов

Полупроводниковые детекторы, особенно HPGe, часто интегрируются в устройства для определения характеристик упакованных радиоактивных отходов. Это может быть так же просто, как установка детекторов на подвижной платформе, которая будет доставлена ​​в зону для измерений на месте, и в сочетании с экранированием, ограничивающим поле зрения детектора областью интереса для одноразовых «открытых измерений». измерения геометрии детектора, или для отходов в бочках такие системы, как сегментированный гамма-сканер (SGS), объединяют полупроводниковый детектор со встроенной мехатроникой для вращения предмета и сканирования детектором различных секций. Если поле зрения детектора сканируется по небольшим областям предмета по нескольким осям, как это делается с помощью томографического гамма-сканера (TGS), томографию можно использовать для извлечения трехмерной информации о плотности и гамма-излучении предмета.

Гамма-камеры

Полупроводниковые детекторы используются в некоторых гамма-камерах и системах гамма-изображения.

См. также

• Эффект Лазаря
• Эффект столпотворения
• Синтетические алмазы
• Спектроскопия полного поглощения
• Рентгеновская спектроскопия
• Микрополосковый детектор
• Гибридный пиксельный детектор
• Инструменты типа Люлин

Внешние ссылки

• Кремниевый детектор Powerpoint доставлен для EDIT (Excellence in Detectors and Instrumentation Technologies) 2011 в CERN, М. Краммер, Ф. Хартманн.