2.2.3 Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковый детектор представляет собой ионизационную камеру, чувствительный объем которой является твердым телом. Ионизирующее излучение вызывает появление зарядов в полупроводнике, что приводит к изменению его проводимости. Регистрация излучения полупроводниковым детектором может проводиться в импульсном и токовом режимах. Использование твердого тела в качестве чувствительного объема вместо газа позволяет увеличить в 10⁴ раз поглощенную энергию в единице чувствительного объема из-за более высокой плотности вещества и уменьшения на порядок энергии образования пары носителей заряда.

Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния (плотность 2,3 г/см3) и германия (5,3 г/см3). В полупроводниковом детекторе определенным образом создается чувствительная область, в которой нет свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне – дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока (рис.3.5). К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора.

Рис.3.5. Зонная модель энергетических уровней в кристалле полупроводника

Для регистрации заряженных частиц используют кремниевые детекторы и детекторы из сверхчистого германия (HpGe). Толщина чувствительной области кремниевых детекторов не превышает 5 мм, что соответствует пробегу протонов с энергией ~30 МэВ и -частиц с энергией ~120 МэВ. Для германия толщина 5 мм соответствует пробегам протонов и -частиц с энергиями ~40 МэВ и ~160 МэВ соответственно, более того, германиевые детекторы могут быть изготовлены с гораздо более толстой чувствительной областью (рис. 3.6). Кремниевые детекторы часто используют при комнатной температуре. Германиевые детекторы всегда охлаждают до азотных температур.

Р ис. 3.6. Виды полупроводниковых детекторов (штриховкой выделена чувствительная область, n – область полупроводника с электронной проводимостью, р – с дырочной, i – с собственной проводимостями): а – кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б – дрейфовый германий-литиевый планарный детектор; в – германий-литиевый коаксиальный детектор

Большие преимущества даёт применение полупроводниковых детекторов в спектрометрах γ-квантов. В этом случае применяются специально выращенные кристаллы сверхчистого германия (ОЧГ), либо кристаллы на основе германий с легирующей литиевой добавкой (Ge-Li) объёмами до нескольких сот см³.

Чтобы добиться наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы во время эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота (77 К). Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации γ-квантов достигает 0,1%, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов.

2. Сцинтилляционный метод

Сцинтилляционные детекторы используют совершенно особый принцип детектирования излучений.

Уже в начале века было замечено, что некоторые кристаллические вещества реагируют на прохождение заряженных частиц вспышками света. Физически это связано с тем, что при прохождении заряженных частиц через вещество происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул, сопровождающееся высвечивание фотонов видимого света (или ультрафиолета). Количество фотонов во вспышке пропорционально энергии частицы. Слабые световые вспышки, сопровождающие эти процессы, могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой светочувствительностью. Регистрация вспышек обычно производится ФЭУ (фотоэлектронным умножителем). Он обычно состоит из фотокатода, на который нанесено вещество, легко отдающее электроны при попадании света, и динодов, к которым приложено электрическое напряжение (обычно несколько сот вольт). При попадании фотонов на фотокатод из него вылетают электроны, которые, ускоряясь электрическим полем, попадают на динод, выбивая из него другие электроны, которые затем вместе с первыми летят ко второму диноду и так далее (рис.3.7).

Р ис. 3.7. Схема сцинтилляционного счётчика: кванты света «выбивают» электроны с фотокатода; размножение электронной лавины.

Таким образом, происходит умножение заряда до 10⁶ или 10⁷. С последнего динода снимается импульс тока, пропорциональный количеству фотонов во вспышке внутри сцинтиллятора, а значит, и энергии заряженной частицы, вызвавшей вспышку.

В качестве сцинтилляторов используются различные вещества (твёрдые, жидкие, газообразные). Большое распространение получили пластики, которые легко изготовляются, механически обрабатываются и дают интенсивное свечение. Важной характеристикой сцинтиллятора является доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию - конверсионная эффективность . Наибольшими значениями  обладают кристаллические сцинтилляторы: NaI, CsI, активированный Tl (NaI [Tl]), антрацен и ZnS. Монокристаллы используются для регистрации гамма-излучения. С этой целью их выращивают различных размеров и конфигураций. Современная технология позволяет получать кристаллы более 200 мм диаметром и высотой.

Поликристаллические сцинтилляторы ZnS(Ag) обычно используют для регистрации α-частиц в виде множества кристаллов, нанесенных тонким слоем на подложку, под которой размещается ФЭУ. Толщина кристаллов должна немного превышать пробег α-частиц.

Регистрация быстрых нейтронов производится путем счета протонов отдачи в сцинтилляторе, содержащем водород. Возможно применение жидких сцинтилляторов. А также твердых органических кристаллов, например стильбен. Для регистрации тепловых нейтронов могут быть использованы сцинтилляторы, содержащие литий или бор, в которых под действием тепловых нейтронов происходят ядерные реакции ⁶Li(n,)³H или ¹⁰B(n,)⁷Li. К числу таких сцинтилляторов относится LiI(Tl) или жидкие сцинтилляторы, в которые добавляются органические соединения бора, например, метилборат B(OCH₃)₃.

Для измерения дозы рентгеновских или гамма-лучей следует пользоваться сцинтиллятором из тканеэквивалентного вещества, например, стильбена или антрацена.

Достоинствами сцинтилляторов являются: высокая эффективность регистрации различных частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно невысокая стоимость.

Недостатки: малая чувствительность к частицам низких энергий (~ 1 кэВ), невысокая разрешающая способность по энергии.