Физика полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений

 

Типы  и характеристики детекторов

В n-p-детекторах используется переход проводимости от электронного к дырочному типу. Источник питания подключается в запорном направлении. Ионизирующая частица, попавшая в детектор вблизи перехода, вызывает прохождение носителей тока через барьер, что эквивалентно импульсу тока. Величина результирующего амплитудного напряжения на переходе равна

,      (1)

где C – емкость n-p перехода и монтажа; N – число пар электрон – дырка; q – заряд одной пары; Q – собранный заряд.

Детекторы с n-p переходом имеют “окно”, определяющее чувствительную область (область объемного заряда), в виде слоя кремния (германия) или пленки металла, нанесенного на кремний.

В поверхностно-барьерных  детекторах n-p-барьер создают на поверхности полупроводника. Эти детекторы имеют тонкое “окно”, небольшую чувствительную область и применяются для регистрации частиц с малым пробегом в кремнии.

В диффузных  детекторах n-p-переход создается диффузией примесей в полупроводник типа n или p-проводимости. Образовавшийся при этом на поверхности слой является чувствительным окном, более широкой чувствительной областью и используется для регистрации частиц с небольшой удельной ионизацией и энергией.

В диффузно-дрейфовых n-i-p-детекторах чувствительным слоем является высокоомная область i с собственной проводимостью. Аналогично диффузным детекторам, окном у них является n-i-p-область. Чувствительный слой подобных детекторов достигает нескольких миллиметров. Поэтому такие детекторы используются для регистрации частиц с большими пробегами.

Из-за небольшого атомного номера кремниевые детекторы  имеют малую эффективность регистрации  γ-лучей. Наибольшей эффективностью регистрации  γ-лучей обладают германиевые и  CdTl детекторы. Эффективность кремниевых детекторов с чувствительной областью 1 мм в диапазоне энергии γ-лучей от 0,1 до 0,8 МэВ составляет около 1%. С уменьшением энергии ниже 0,1 МэВ эффективность повышается, так как возрастает вероятность фотопоглощения. В диапазоне энергий от одного до нескольких десятков мегаэлектронвольт эффективность кремниевых счетчиков остается постоянной.

При регистрации нейтронов n-p-детекторами используются ядерные реакции, при которых энергия нейтрона передается регистрируемым частицам, обладающим небольшим пробегом (например, α-частицам).

Длительность  и форма импульсов на выходе n-p-детектора зависят от времени жизни и времени перемещения неосновных носителей и постоянной времени схемы включения детектора.

Полупроводниковые n-p-детекторы могут работать и в вентильном режиме, без внешнего источника питания, что является существенным их преимуществом. Однако при отсутствии питающего напряжения значительно ухудшается отношение сигнал/шум.

На рис. 1 показана схема включения кремниевого n-p-детектора. Детектор представляет пластинку, на поверхности которой создан n-p-переход. Чувствительным слоем является область объемного заряда n-p-перехода. Подключение к n-p-переходу запорного напряжения вызывает некоторое расширение чувствительного слоя. При попадании ионизирующей частицы в область чувствительного слоя амплитуда импульса на нагрузке с высокой точностью пропорциональна энергии частицы. Схемы включения полупроводниковых детекторов для получения различной полярности выходных импульсов приведены на рис.2.

 

Рис.1      Рис.2

Поскольку в  подавляющем числе случаев полупроводниковые  детекторы используются для целей  спектрометрии, важнейшей их характеристикой  является энергетическое разрешение η, которое определяется как ширина пика амплитудного распределения импульсов, измеренная на его полувысоте и соответствующая  полному поглощению в детекторе  регистрируемого моноэнергетического  излучения. По сравнению со сцинтилляционными детекторами полупроводниковые детекторы обладают лучшим (примерно в 50 раз) разрешением (0,5-1%) и более широким диапазоном измеряемых энергий. Вместе с тем ввиду небольших размеров они существенно уступают сцинтилляционным детекторам по чувствительности, что необходимо учитывать при выборе типа детекторов для спектрометрии радиоактивных загрязнений внешней среды.

Собственное энергетическое разрешение полупроводникового детектора равно

(2)

где – измеренное суммарное энергетическое разрешение системы ППД- усилительный тракт, кэВ; - энергетический эквивалент уровня шума усилительного тракта, равный

, кэВ;     (3)

- энергетический шум  усилительного тракта при емкости  на выходе равной нулю;  K- наклон шумовой характеристики усилительного тракта, выражающий зависимость шума от величины емкости детектора на входе предусилителя, кэВ/пФ.

Теоретически  энергетическое разрешение детектора  определяется из следующего выражения:

,     (4)

где F – фактор Фано, характеризующий меру дискретности передачи энергии ионизирующего излучения электронно-дырочным парам (для германия и кремния принимается равным 0,05); ω – энергия образования пары носителей; - энергия падающего ионизирующего излучения.

Чувствительная  область детектора определяется частью объема полупроводникового детектора , в пределах которого взаимодействие ионизирующего излучения с полупроводниковым материалом приводит к возникновению сигналов на выходных электродах детектора. Часть поверхности чувствительной области полупроводникового детектора, через которую регистрируемое ионизирующее излучение попадает в чувствительную область, называют чувствительной (рабочей) поверхностью детектора.

Нечувствительную  часть полупроводникового детектора, расположенную между рабочей  поверхностью и чувствительной областью, называют “мертвым” слоем детектора.

Энергетический  эквивалент толщены “мертвого” слоя детекторов определяется по эквивалентной величине потерь энергии α-частиц. При этом измеряется смещение пика от моноэнергетических α-частиц при падении их нормально и под углом 30˚ к поверхности входного окна детектора. Величина смещения пика является энергетическим эквивалентом толщины “мертвого” слоя.

Чувствительность  регистрации (ранее использовался  термин “сечение полного поглощения”) детектора σ, определяется отношением скорости счета в пике полного поглощения к плотности потока γ-квантов данной энергии, испускаемых в телесный угол 4π:

 (5)

где N – скорость счета в пике поглощения, имп./с; H – расстояние от чувствительной поверхности до входного окна детектора (250 мм – минимальное расстояние, при котором источник γ-квантов можно принять точечным); A – число γ-квантов данной энергии, испускаемых в телесном угле 4π за 1 с.

Эффективность регистрации ε при полном поглощении γ-квантов вычисляется по формуле

,       (6)

где S – площадь чувствительной поверхности, .

При длительной работе ППД их энергетическое разрешение ухудшается. Мерой этого ухудшения  является радиационный ресурс. Радиационный ресурс определяется интегральным потоком  частиц, квантов или нейтронов, падающих на единицу чувствительной поверхности, ухудшающей первоначальное энергетическое разрешение детектора в два раза. Радиационный ресурс одного и того же детектора может иметь различные  значения для разных видов ионизирующих излучений энергий.

Германиевые ППД с успехом используются не только в прецезионной спектрометрии  и дозиметрии, но и в инструментальном нейтронно-активационном, рентгено-флуоресцентном и рентгеноспектральном анализах, где  они получили широкое распространение  при контроле загрязнения внешней  среды (воздуха, воды, почвы) не радиоактивными, но ядовитыми веществами и особенно канцерогенными, например ртутью, свинцом  и т. д.

Рис. 2 Планарный  детектор   Рис. 4 Коаксиальный детектор

Германиевые детекторы разделяются на литий-дрейфовые, в которых чувствительная область создается дрейфом ионов в кристаллы германия p-типа, и радиационные, в которых чувствительная область создается облучением кристалла германия n-типа γ-излучением .

Детекторы ДГД-3, ДГД-5 имеют планарную (рис. 3), а ДГДК-15, ДГДК-90 – коаксиальную структуры  чувствительной области (рис. 4). Планарные  детекторы ДГД-3 и ДГД-5 рекомендуется  использовать для спектрометрии  γ-иззучения в области энергий 50-1000 кэВ, а коаксиальные типов ДГДК-60, ДГДК-90 – до 12-15 МэВ.

При выборе типа детектора для измерения  и спектрометрии загрязнений  внешней среды существенное значение имеет эффективность регистрации  при заданном объеме детектора. Сравнительная  зависимость эффективности регистрации  γ-излучения германиевыми литий-дрейфовами детекторами и сцинтилляционными  детекторами NaJ(Tl) от энергии γ-излучения приведина на рис. 5. Из рисунка следует, что эффективность регистрации сцинтилляторами выше, чем полупроводниковыми детекторами при больших энергиях γ-квантов, что объясняется большим объемом и толщиной сцинтилляторов по сравнению с объемом полупроводникового детектора.

 

 

 

Рис. 5. Зависимость  эффективности

регистрации ε, %, γ-излучения от

энергии

 

Рис. 6 Зависимость  эффективности

регистрации ε, %, γ-излучения от

энергии для  радиационных детекторов типов, ДГР-3, ДГР-5 и блоков детектирования типа БДР

 

 

Рис. 7. Размещение ППД в криостатах трех типов

1. сосуд Дьюара; 2- предусилитель; 3- камера с ППД; 4- электроразрядный насос; 5- блок питания насоса

 

Зависимость эффективности регистрации от энергии  γ-излучения радиационными детекторами  типа ДГР-3, ДГР-5 и блоками детектирования типа БДР приведена на рис.6.

Основными эксплуатационным недостатком литий-дрейфовых германиевых  детекторов является необходимость  их охлаждения во время хранения. В  связи с тем, что чувствительная область радиационных ППД создается радиационными дефектами, стабильными при комнатной температуре, германиевые радиационные ППД не требуют охлаждения, если они не вмонтированы в криостаты.

Конструктивно блок детектирования типа БДР-1 с радиационным ППД содержит детектор с выходным каскадом предусилителя, представляющим собой головной блок и сосуд Дьюара СД-20. Головной блок установлен в вакуумном криостате, на фланце которого размещен основной блок предусилителя.

Рис. 8. Схема  блока детектирования БДР

Криостат  через пенопластовую пробку погружается  в сосуд Дьюара. Головной блок охлаждается  жидким азотом через хладопровод  криостата. Блок детектирования БДР-1 предназначен для регистрации излучения, попадающего вертикально сверху вниз. Регистрация потока излучения, падающего вертикально снизу вверх осуществляется блоком БДР-2.

На рис. 7. Показаны три основные схемы размещения полупроводниковых детекторов в криостатах, по которым выполняется большинство блоков детектирования (БД). Помимо криостата и ППД блоки детектирования включают ряд других элементов. Так например, блок детектирования БДР (на рис. 8) содержит головной блок, в котором размещены германиевый радиационный ППД, входной каскад предусилителя импульсов 1, калибровочная емкость C1 и цепь отрицательной обратной связи R1 C2, охватывающая зарядочувствительную секцию, образуемую каскадами 1, 2. С выхода каскада 2 импульсы через дифференцирующую цепочку C4 R5 и переменный резистор R4, служащий для компенсации отрицательных выбросов, поступают на оконченный каскад 3. Калибровочный генератор при проверках и регулировках блока подключается к коаксиальному разъему Ш1, а вход и выход усилителя – к разъемам Ш2, Ш3. На выходной разъем Ш2 подается питание ППД.

Кремниевые  поверхностно-барьрные ППД предназначены для спектрометрии и регистрации короткопробежных заряженных частиц.

Кремниевые  диффузно-дрейфовые детекторы типа ДКД-Пс и ДКД-Псд используются для  спектрометрии и регистрации  α-частиц, протонов, β-частиц, пробеги  которых укладываются в чувствительной области детектора.

Кремниевые, полностью обедненные детекторы  типа ДКПО, служат для измерений  энерговыделения ионизирующих излучений (идентификации продуктов ядерных  реакции, спектрометрии высокоэнергетических частиц в телескопических детекторах и т. д.). Чувствительная область этих детекторов расположена между передним и тыльным контактами. В связи  с этим детекторы ДКПО чувствительны  к ионизирующим излучениям, как со стороны переднего, так и тыльного контактов. Указанные детекторы выпускаются двух типов: ДКПО-dE/dX с толщиной чувствительной области 20-200 мкм и ДКПО-D – от 300 до 2000 мкм. Цифровые индексы в шифре детектора означают: первая цифра – средняя геометрическая толщина детектора, мм, вторая – площадь рабочей поверхности, . Например, ДКПО-Д-1, 5-50 имеет среднюю геометрическую толщину 1,5 мм и площадь 50 , а у ДКПО-dE/dX-125 площадь рабочей поверхности равна 125 .

Диффузионно-дрейфовые  кремниевые детекторы ДКД-Г используются для измерения в режиме импульсного  счета мощности экспозиционной дозы γ-излучения с энергией от 0,08 до 3 МэВ в диапазоне от 5 мР/ч до 60 Р/ч. Нелинейность дозовой характеристики на крайних точках диапазона по отношению к точке 1 Р/ч не более ±5%. Скорость счета при мощности дозы 1 Р/ч составляет 6000-9000 имп./с. Зависимость дозовой чувствительности в диапазоне энергий от 0,08 до 3,0 МэВ не превышает 30%. Радиационный ресурс: по нейтроном - н/; по γ-излучению - P.