Гуров Телескопические полупроводниковые детекторы 2012
.pdf
ном собирании заряда, величину которого можно определить из следующего выражения:
δE |
= |
E |
− E |
α2 |
=1− |
N |
Γ |
− N |
0 |
|
N |
' |
− N |
' |
, |
(3.16) |
|
α1 |
|
|
|
|
α1 |
|
α2 |
||||||||
E |
|
E |
|
N |
' |
− N |
' |
N |
α1 |
− N |
α2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
Γ |
|
|
|
Γ |
|
0 |
|
|
|
|
|
где Е′ и N′ – величины, относящиеся к измерению с новым значением τ.
В табл. 3.9 приведены результаты расчетов и измерений, выполненных для Si(Li)-детектора (W = 3 мм, ε = 1500 В/см, Т = 300 К) при регистрации α-частиц 226Ra. Причины расхождения экспериментальных значений и расчетных аналогичны отмеченным ранее. Предложенный метод отличается простотой, а величина наблюдаемого эффекта достаточна, чтобы ее можно было использовать для выбора постоянной формирования.
Таблица 3.9. Относительный сдвиг α-пиков
τ, мкс |
|
δЕ/Е, % |
|
|
эксперимент |
|
расчет |
0,25 |
2,7 |
|
1,2 |
0,5 |
0,96 |
|
0,35 |
1,0 |
0,42 |
|
0,14 |
1,5 |
0,08 |
|
0,02 |
Результаты выполненных исследований использовались при оптимизации параметров спектрометрических каналов многослойного полупроводникового спектрометра. Установка состоит из двух ППД-телескопов, способных регистрировать заряженные частицы (р, d, t, 3,4Не) до 100 МэВ. Основными регистрирующими элементами телескопов являлись четырнадцать Si(Li)-детекторов с W~ 3 мм и чувствительной площадью 8 см2. Для таких детекторов, эксплуатируемых при комнатной температуре, наилучшее энергетическое разрешение (40–50 кэВ) достигалось при τ = 0,25÷0,5 мкс. Однако нелинейность, возникающая при таких формировках, ведет к значительному ухудшению точности измерения энергии частиц. Основываясь на полученных результатах, в качестве оптимального значения постоянной времени можно выбрать τ = 1,5 мкс, что обеспечивает значительное улучшение точности измерения энергии, не-
91
смотря на ухудшение энергетического разрешения до 70 кэВ. Отметим, что такое изменение энергетического разрешения детекторов практически не сказывается на суммарном разрешении многослойного спектрометра.
Таким образом, представленный метод учета конечного времени собирания заряда в ППД, позволяет обрабатывать спектрометрическую информацию с минимальными искажениями и, тем самым, обеспечивает высокую точность ( 0,1%) определения абсолютной привязки энергетической шкалы.
92
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Определите с помощью формулы Бете–Блоха (1.1) средние потери энергии протона с кинетической энергией 1 ГэВ в кремнии толщиной 0,5 мм.
2.Чему равно значение среднего ионизационного потенциала для свинца (Z = 82)?
3.Определите величину дисперсии потерь энергии протона с кинетической энергией 1 ГэВ в кремнии толщиной 0,5 мм с помощью формулы (1.6).
4.В какой области рис. 1.2 будут расположены энергосбросы при регистрации ионов 6,7Li?
5.Для случая полного обеднения Si(Au)-детектора, нарисуйте форму амплитудного распределения сигналов от α-частиц 238Pu при облучении ППД со стороны тыльного контакта.
6.Из соотношения W [мкм] = 0,5(ρ[Ом см] U[В])1/2, (где W – чув-
ствительная толщина Si(Au)-детектора, ρ − удельное сопротивление кремния, U − напряжение смещения) оцените напряжение полного обеднения для ППД толщиной 100 мкм, изготовленного из кремния с ρ = 10 кОм.
7.Какими характеристиками обладает идеальный омический контакт?
8.Для случая прохождения заряженной частицы до полной остановки 10 детекторов, оцените вклад в полное разрешение спектрометра флуктуаций потерь энергии в «мертвых» слоях, которые составляют 300 мкм для каждого п.п.д.
9.Какие толщины «мертвых» слоев имеют Si(Li)-детекторы, изготовленные: 1) стандартным способом, 2) с помощью импульсного теплового излучения?
10.С помощью, каких источников излучения можно измерить «мертвые» слои Si(Li)-детекторов толщиной 20 мкм?
11.Оцените концентрация атомов введенного фосфора при ней-
троном легировании кремния, если поток тепловых нейтронов
φ = 1016 нейтр./см2, а временя облучения t = 100 с.
12.Какие толщины «мертвых» слоев имеют ППД, изготовленные методом ионной имплантации?
93
13.Объясните, с какой целью проводится отжиг имплантированных слоев в ППД?
14.Какие факторы приводят к отклонению измеряемых с помощью
ППД энергий образцовых α-источников от табличных значений?
15.Какую функцию выполняет генератор точной амплитуды при калибровке шкалы ППД на энергию 50–100 МэВ?
16.Для каких целей необходимо измерять структурные слои ППД?
17.Каким образом можно из экспериментальных данных, полученных в ускорительном эксперименте с помощью ППД, оценить чувствительную толщину детектора.
18.При каких температурах эксплуатируются детекторы из сверхчистого германия?
19.С помощью каких источников излучения можно измерить «мертвые» слои HPGe-детекторов, изготовленных с помощью диффузии лития?
20.Какие причины приводят к отклонению регистрируемой энергии спектрометрических альфа источников (ОСАИ) от табличных значений?
21.С помощью каких методов можно уменьшить количество радиационных дефектов в кристаллах?
22.Оцените максимальные времена собирания электронов и дырок для Si(Li)-детектора с чувствительной толщиной Wчо = 3 мм,
напряженностью электрического поля ε = 1500 В/см и рабочей температурой Т = 20 оС?
23. Оцените максимальные времена собирания электронов и дырок для Si(Li)-детектора из сверхчистого германия с чувствительной толщиной Wчо = 10 мм, напряженностью электрического поля ε = 1500 В/см и рабочей температурой Т = –197 оС?
24.Какие факторы влияют на дефект амплитуды при регистрации длиннопробежных частиц с помощью кремниевых детекторов?
25.Каково оптимальное значение постоянной времени τ при регистрации протонов с кинетической энергией 100 МэВ с помощью кремниевых детекторов?
94
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
ВОЛЬТ-ФАРАДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА – зависимость емкости p-n-перехода от величины приложенного обратного напряжения. Форма вольт-фарадной характеристики определяется законом распределения примесей в p-n-переходе.
ДИФФУЗИЯ – перенос атомов, обусловленный хаотическим тепловым движением, который может стать направленным под действием градиента концентрации или температуры.
ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ – ППД, в которых переходы созда-
ются путем облучения полупроводника пучком ионов примеси. Выбрав определенную энергию пучка можно контролировать концентрацию и глубину внедрения примесей. В отличие от традиционных поверхностно-барьерных детекторов или детекторов с диффузным переходом они обладают большей стойкостью к внешним воздействиям и высокой стабильностью параметров
ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ – дозированное введение в полупроводники примесей, а также структурных дефектов, с целью изменения свойств полупроводников, главным образом электрофизических.
«МЕРТВЫЙ» СЛОЙ ДЕТЕКТОРА – область детектора, ионизация в которой, не приводит к формированию электрического сигнала.
МЕТОД МАКСИМАЛЬНОГО ПРАВДОПОДОБИЯ – статистический метод оценки неизвестного параметра (параметров) путём максимизации функции правдоподобия. Метод основан на предположении о том, что вся информация о статистической выборке содержится в функции правдоподобия, которая является совместным распределением выборки из параметрического распределения, как функции параметра.
НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ – обратное напряжение, прикладываемое к p–n- переходу с целью увеличения ширины обедненной зоны и более эффективного собирания зарядов. Отметим, что максимально допустимое напряжение обратного смещения ограничено сопротивлением материала детектора. При увеличении напряжения смещения может возникнуть пробой, приводящей к превращению полупроводника в проводник.
НЕОСНОВНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА – носители заряда, концентрация которых не определяет тип проводимости. В полупроводниках n-типа неосновными носителями заряда являются дырки. В полупроводниках p-типа неосновными носителями заряда являются электроны.
ОБРАТНЫЙ ТОК – создают неосновные носители заряда в области p-n-перехода. Флуктуации этого тока (шумы детектора) дают дополнительный разброс в амплитуду выходных импульсов. При больших значениях обратного тока (тока утечки детектора) шумы детектора вносят основной вклад в энергетическое разрешение.
ОТЖИГ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ – изменение концентрации и природы метастабильных радиационных дефектов в результате нагрева вещества. В зависимости от условий отжига (температура, скорость ее изменения, время нагрева и т.п.) процесс может сопровождаться появлением новых типов дефектов.
ОСАИ – набор образцовых (эталонных) спектрометрических источников альфачастиц, предназначенный для тестирования и калибровки детекторов.
p-n-ПЕРЕХОД – электрон-дырочный переход в полупроводнике. Зоной p–n- перехода является область полупроводника, в которой происходит пространственное изменение типа проводимости от дырочной (p) к электронной (n). Специфическим свойством этой области является отсутствие в ней свободных носителей заряда (обедненная зона). Прохождение ионизирующей частицы через p–n-
95
переход приводит к образованию в нем электрон-дырочных пар. Электрическое поле, существующее в p-n-переходе, выносит из него эти носители заряда, что приводит к образованию электрического сигнала, пропорционального созданной ионизации.
ПОЛУПРОВОДНИКИ n-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ – легированные полупроводники, в
которых основными носителями заряда являются электроны.
ПОЛУПРОВОДНИКИ p-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ – легированные полупроводники, в
которых основными носителями заряда являются дырки.
ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ – ППД, принцип работы которых ос-
нован на использовании перехода, образованного между полупроводником и металлом.
ПРОБЕГ ЧАСТИЦЫ – длина трека частицы до ее полной остановки. РАДИАЦИОННЫЕ ДЕФЕКТЫ – дефекты кристаллической структуры, образующие-
ся при облучении вещества потоками частиц.
ТЕЛЕСКОП ДЕТЕКТОРОВ – часть спектрометра, предназначенная для регистрации и идентификации частиц, летящих в определенном направлении, и состоящая из двух или более детекторов, расположенных по направлению движения частиц, включенных в схемы совпадений или антисовпадений.
ТОК УТЕЧКИ – флуктуирующий ток, протекающий через p-n-переход при приложенном напряжении. Этот ток проявляет себя, как шумы на выходе детектора и накладывает ограничения на минимальную амплитуду импульса полезного сигнала, который может регистрироваться детектором.
ФОРМУЛА БЕТЕ–БЛОХА – аналитическое выражение, описывающее удельные ионизационные потери энергии заряженных частиц.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЕТЕКТОРА – полная ширина на половине высоты (ПШПВ) измеренного детектором пика, при регистрации моноэнергетического источника излучения. Вместо сокращения ПШПВ часто используется анг-
лоязычная версия – FWHM (Full Width on Half Maximum).
HPGe-ДЕТЕКТОР – ППД, изготовленный из сверхчистого германия с концентрацией примесей <1010 ат/см3. В отличие от Ge(Li) детекторов, HPGe-детекторы могут храниться при комнатной температуре.
СПИСОК ОСНОВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Гуров Ю.Б., Исаков С.В., Лапушкин С.В. // Полупроводниковые де-
текторы ядерных излучений. М.: МИФИ, 2007.
2.Гуров Ю.Б., Чернышев Б.А. // Спектроскопия сверхтяжелых изотопов водорода. М.: НИЯУ МИФИ, 2010.
3.Акимов Ю.К. // Полупроводниковые детекторы ядерных излучений. Дубна: ОИЯИ, 2009.
4.Мухин К.И. // Экспериментальная ядерная физика, книга 1, части I
иII. М.: Энергоатомиздат, 1993.
96