Дозиметры с использованием полупроводников

Работа этих дозиметрических приборов основана на ре­гистрации изменений проводимости некоторых полупроводников при воздействии на них проникающего излучения, что вызывает образование в счетчике некоторого числа электронно-дырочных пар. Созданный излучением заряд собирается электрическим по­лем, приложенным к чувствительной области детектора, и преоб­разуется в импульс напряжения электрометрическим усилителем. Импульсы с усилителя подаются на стандартный спектромет­рический усилитель с уровнем шумов 10—20 мкВ и постоянной времени формирующих цепей (1—5)-10~⁶ с. Дальнейшая обработка информации производится в многоканальных амплитудных анализаторах с выходом на цифропечатающие устройства или самопишущие потенциометры. Таким образом, необходима доста­точно сложная обработка информации для измерения амплитуды г импульса и его спектральных характеристик.

Это объясняет широкое применение более простых схем и при­боров. Так, в некоторых случаях полупроводниковый кристалл монтируют между двумя электродами, один из которых является I катодом, а другой — анодом. В отличие от газа, где для образова­ния одной пары ионов требуется энергия порядка 30—40 эВ, в полупроводнике регистрируемое изменение проводимости вызывается излучением с энергией порядка 10 эВ. При воздействии излучения на такой полупроводник происходит переход электрона в свобод­ную зону (зону проводимости) и перемещение электрона в валент­ной зоне, что вызывает изменение проводимости кристалла. Именно в результате освобождения в валентной зоне ряда разрешенных энергетических уровней проводимость полупроводникового крис­талла возрастает, появляется фототок, величина которого может служить мерой проникающего излучения. Использовать это явление в дозиметрии можно только в том случае, если фототок будет достаточно большим. Из кристаллов этому условию удовлетворяют лишь немногие, например алмаз и монокристалл сернистого кад­мия. Высокая чувствительность при малых размерах — основное преимущество полупроводникового преобразователя.

Полупроводниковые преобразователи отличаются исключитель­но высокой подвижностью носителей заряда. Например, в одном из типичных полупроводниковых преобразователей (с сернистым кремнием) подвижность электронов составляет свыше 10³ см²/(В-с), а дырок 5-Ю² см²/(В-с), тогда как в ионизационной камере при комнатной температуре соответствующее значение в 500—1000 раз меньше [1,0 см²/ (В-с)].

Исключительно высокая подвижность носителей заряда обус­ловливает малое время их концентрации на электродах, поэтому в счетно-импульсном режиме полупроводниковые преобразователи имеют большую, в сравнении с другими, разрешающую способ­ность. По той же причине резко снижается вероятность рекомби­нации носителей заряда на пути их движения от одного электрода к другому. При одном и том же значении напряженности электри­ческого поля эффект рекомбинации полупроводникового преобра­зователя можно не учитывать. Большая подвижность носителей за­ряда приводит, при прочих равных условиях, к большему току, являющемуся мерой измерения. Снижение напряженности ускоря­ющего электрического поля значительно упрощает устройство прибора. В ионизационных камерах и газоразрядных счетчиках напряжение достигает нескольких сотен вольт, в полупроводнико­вых же оно на порядок меньше. Есть основание предполагать, что будет происходить дальнейшее снижение величины ускоряющего напряжения в полупроводниковых преобразователях, что повысит электробезопасность.

Но полупроводниковые преобразователи не лишены и серьезно­го недостатка — они подвержены сильному влиянию температуры. То, что запрещенная зона неширока, приводит к флуктуации энер­гии теплового движения и, следовательно, к появлению свободных носителей заряда. Еестественна поэтому и высокая фоновая прово­димость. На ней прежде всего и сказываются колебания темпера­туры. Поэтому во всех случаях, где колебаний температуры не избежать, применение полупроводниковых дозиметров исключено.

В газовых же преобразователях при очень малой фоновой про­водимости влиянием температуры на величину ионизационного тока, возникающего под действием излучения, можно прене­бречь.

Ограничением из-за сильного влияния температуры на величину фонового тока можно пренебречь, если повысить электрическое сопротивление полупроводника. Поэтому величина электрического сопротивления является одним из основных критериев при выборе материала для полупроводникового дозиметра. У лучших материа­лов мала энергия связи и ширина запрещенной зоны. Значит, по­явление свободных носителей заряда и возникновение тока воз­можны при малых значениях энергии, воздействующей на матери­ал. В то же время небольшая ширина запрещенной зоны свиде­тельствует о большом фоновом токе, в присутствии которого пред­стоит определить сигнал, вызванный энергией излучения.

В зависимости от вида излучения и его энергии полупроводни­ковые детекторы можно использовать в качестве счетчика и «твер­дой копии» токовой ионизационной камеры.

Величина импульса напряжения, создаваемого в кристалличе­ском счетчике под действием а- и ^-излучения, больше, чем в иони­зационной камере, что объясняется большей плотностью кристал­ла. Основной и весьма серьезный недостаток кристаллических счетчиков и приборов — в нестабильности их работы. Установлено, что стабильность работы кристалла сернистого кадмия значитель­но повышается при помещении его в вакуум, но при этом прибор теряет свое основное преимущество — простоту. Однако достиже­ния в изучении полупроводниковых детекторов дают основания полагать, что применение кристаллических детекторов проникаю­щего излучения будет расширяться. Привлекает то, что даже при слабом излучении в них возникает большой фототок, величину которого можно измерить простейшим измерительным прибором.

Использование полупроводниковых дозиметров для измерения экспозиционной и поглощенной доз ограничено невысокой дозовой чувствительностью этих приборов. Простого и надежного способа компенсации энергетической зависимости при оценке чувствитель­ности преобразователя пока нет. Сказанное можно распространить и на определение величины чувствительного объема дозиметра. Установленная зависимость размера чувствительной области от величины обратного смещения открывает возможность изменять чувствительность дозиметра к различным видам излучения простым изменением ускоряющего напряжения.

13