Полупроводниковый счетчик

Используются для идентификации частиц. Пространственное разрешение 1 см, время разрешения 10^-9 с, время восстановления 10^-9 с.

Принцип работы полупроводникового счетчика тот же, что и ионизационной камеры, только вместо газа применяется полупроводник. Это имеет то преимущество, что в твердом теле на одном и том же отрезке пути заряженная частица отдает в сотни раз больше энергии, чем в газе.

П

СЛАЙД 7.

Полупроводниковый счетчик

роходя через полупроводник, частица вызывает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, порождая пару электрон - дырка.

СЛАЙД 7. Полупроводниковый счетчик

СЛАЙД 6. Чистый полупроводник

Энергия активации Е, необходимая для рождения такой пары, составляет 2

СЛАЙД 7.

эВ в германии и 3.5 эВ в кремнии. Если энергия частицы равна Е_Ч, то на своем пути она создает Е_Ч/Е электронно–дырочных пар. Силы приложенного электрического поля двигают дырки по полю, а электроны в противоположную сторону. В результате во внешней цепи появляется электрический сигнал, который усиливается и регистрируется. Чтобы в отсутствие регистрируемой частицы через полупроводник не проходил ток, поверхности полупроводника обрабатывают легированными донорными и акцепторными примесями. При этом отрицательный n-слой присоединяют к положительному, а положительный р-слой к отрицательному полюсу внешнего источника (запорное напряжение). При комнатной температуре тепловое возбуждение может приводить к нежелательным импульсам тока в приборе, и поэтому полупроводниковые детекторы нередко охлаждают до температуры жидкого азота. Наилучшими характеристиками для полупроводниковых детекторов обладает германий, поэтому он наиболее часто используется в детекторах. Кроме германия в качестве детектирующей среды используется литий-дрейфовый гермнийGе (Li). Литий служит для подавления захвата электронов на примесях в кристаллической решетке в процессе сбора заряда. Размеры таких счетчиков невелики – несколько кубических сантиметров. Большими считаются счетчики, объем которых доходит до 100 см³. Малые размеры рабочей области позволяют довести разрешающее время до 10^-7 с. В области низких энергий (электроны до 2 МэВ, протоны до 20 МэВ) полупроводниковые счетчики обладают практически 100% эффективностью, малым разрешающим временем и превосходят счетчики других типов по компактности и точности измерения энергии.

Применение.

Входит в состав прибора спектрометра СКС-50, использующий особо чистый германий .

Устройства, использующие литий-дрейфовый кремний Si(Li), применяются в приборе Прим-1 для рентгенофлюоресцентного анализа. Наиболее часто кремневые детекторы используются в спектрометрии заряженных частиц.

Сцинтилляционный счетчик

Служит для регистрации отдельных заряженных частиц и γ-квантов. Пространственное разрешение временное разрешение 10^-9 с, время восстановления 10^-8 с. Такой детектор состоит из вещества, способного люминесцировать под действием заряженных частиц (сцинтиллятора), световода и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Для сцинтилляторов характерным является то, что их атомы обладают оптическими уровнями. Поэтому при пролете заряженной частицы через сцинтиллятор она своим электрическим полем возбуждает атомы, переводя электроны атома на оптические уровни. При спонтанном обратном переходе возбужденных атомов на нижележащие энергетические уровни имеет место световая вспышка, т.е. испускаются фотоны (люминесценция). В настоящее время в качестве сцинтилляторов используются два вещества – кристаллический иодистый натрий NаI и пластик. Кристаллы иодистого натрия используют с присадками малого количества таллия Тl - химическая формула NаI(Тl),который служит люминесцентным центром, обеспечивая наличие оптических уровней. Чувствительность этих неорганических кристаллов к γ – излучению высока. Однако отдельные вспышки затухают очень медленно – около 0.25 мкс, так что временное разрешение для γ – излучения незначительно. Пластиковые сцинтилляторы, например полистириновые с добавлением терфинила, обеспечивают малое время затухания- около нескольких наносекунд. В то же время они обладают низкой чувствительностью к γ – излучению и поэтому пластиковые детекторы используются в основном только для регистрации заряженных частиц. Фотоны по специальному спрофилированному световоду передаются на фотокатод ФЭУ и выбивают фотоэлектроны. Фотоны излучаются по всем направлениям, поэтому для минимизации их потерь сцинтиллятор обычно окружается отражающим материалом (например, МgО) и соединяют с фотокатодом таким образом, чтобы место соединения фотокатод – сцинтиллятор было оптически прозрачным для фотонов. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем и фокусируются на первый анод (динод). При этом каждый первичный фотоэлектрон выбивает от 3 до 10 вторичных электронов (вторичная электронная эмиссия), которые в свою очередь, ускоренные электрическим полем и сфокусированные, попадают на второй динод, где выбивают еще большее число электронов.

СЛАЙД 8. Сцинтилляционный счетчик

Сцинтилляционный счетчик

В ФЭУ используют 10 – 20 динодов, так что в усилителе образуется значительный поток электронов. С последнего динода импульс тока на нагрузочном сопротивлении создает импульс напряжения, который регистрируется вольтметром. Поскольку каждый импульс соответствует пролету одной заряженной частицы, то подсчет числа импульсов дает информацию о количестве частиц, а амплитуда импульса характеризует энергию каждой частицы. Наличие большого числа динодов приводит к тому, что коэффициент усиления велик и достигает значения 10⁹.

В случае регистрации γ – квантов с энергией до 1 МэВ в сцинтилляторе имеет место фотоэффект и эффект Комптона. В частности, при фотоэффекте появляются свободные электроны, которые почти полностью поглощаются веществом сцинтиллятора, возбуждая его атомы. Далее процесс идет по аналогичной схеме, как и в случае пролета заряженной частицы.

Применение.

Приборами ТКДРМ , использующими сцинтилляционные детекторы, являются: универсальный радиометр-спектрометр РСУ-01 «Сигнал», радиометр-спектрометр МКС-А02 и спектрометр Гамма- 1С/NВ.

СЛАЙД 9. Список источников

Список источников

1. Бабич, Д.А. и др. Организация таможенного контроля делящихся и радиоактивных материалов: учеб. пособие. - М.: Святигорпресс, 2003.-411с.

2. Бабич, Д. А.  Таможенное оформление и таможенный контроль делящихся и радиоактивных материалов : учебник / Д. А. Бабич. - Владивосток,М. : РИО ВФ РТА,ФТС России, 2006. - 300 с.

3. Сивухин, Д.В. Общий курс физики: учеб. пособие для вузов. В 5 т. Т. V. Атомная и ядерная физика [Электронный ресурс] / Д.В. Сивухин. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. – 783 с. – Режим доступа: http://www.knigafund.ru/books/112647

4. Трофимова, Т.И.    Физика : учебник / Т. И. Трофимова. - М. : Академия, 2012. - 320 с.