Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Билеты МРИ
.pdf
Принцип действия полупроводниковых детекторов аналогичен
принципу действия ионизационных камер, только вместо газа между
электродами находится полупроводник, в котором под действием
ионизирующего излучения образуются носители зарядов.
Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующихся
значениями удельной электропроводности в пределах (104 – 10 -10 ) Ом –
1 см -1, промежуточной между удельной электропроводностью металлов
и диэлектриков.
Процессы, происходящие при ионизации кристаллического
полупроводникового детектора, можно объяснить на основе зонной
теории кристаллов, в соответствии с которой для электронов имеются
энергетические зоны разрешенных и запрещенных значений. Принято
называть валентной зоной нижнюю заполненную зону, в которой
электроны находятся в связанном состоянии и свободно перемещаться не
могут; зоной проводимости - верхнюю незаполненную зону, в которой
электроны, покинувшие атом, могут свободно перемещаться. Эти зоны
разделены энергетическим интервалом, называемым запрещенной
зоной.
Результатом ионизации в полупроводнике является появление электронов
в зоне проводимости и дырок (незаполненных вакансий) в валентной зоне
в результате перехода электронов в зону проводимости.
Ширина запрещенной зоны у полупроводников ~3 эВ, следовательно, и
энергия, необходимая для образования пары электрон-дырка, является
величиной того же порядка, что примерно в десять раз ниже средней
энергии образования пары ионов в газе (для воздуха -34 эВ). К тому же
плотность вещества полупроводникового детектора примерно в 1000 раз
выше плотности газа в ионизационной камере, поэтому и поглощенная
энергия в одинаковых условиях облучения в полупроводниковом
детекторе на несколько порядков больше, чем в газовом.
Таким образом, в одном и том же поле излучения чувствительность
полупроводникового детектора будет на несколько порядков выше, чем
ионизационного детектора.
В полупроводниках вследствие энергии теплового движения возможен
переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. В
идеальном кристалле концентрация электронов, появившихся в зоне
проводимости за счет теплового движения, n будет равна концентрации
дырок р в валентной зоне. Эти носители заряда, имеющие возможность
перемещаться под действием электрического поля,
определяют собственную проводимость полупроводникового детектора.
В собственном полупроводнике в отличие от примесных электроны не
могут принимать значения энергии, находящиеся в запрещенной зоне. В
примесных полупроводниках в запрещенной зоне появляются уровни,
связанные с искажением электрического поля идеальной решетки,
которые могут заполняться носителями зарядов. Донорные уровни в
полупроводниках n-типа, содержащие «лишние» электроны,
располагаются вблизи зоны проводимости, куда за счет теплового
движения и происходит переход электронов. Акцепторные уровни у
полупроводников р-типа располагаются вблизи валентной зоны, откуда
на эти уровни переходят электроны.
Таким образом, проводимость собственных полупроводниковых
детекторов обусловлена переходами электронов из валентной зоны в зону
проводимости; проводимость примесных полупроводниковых детекторов
n-типа обусловлена переходами электронов с донорных уровней в зону
проводимости, а р-типа - переходами электронов на акцепторные уровни.
Билет 13.
1. Гамма-спектрометры (устройство и основные характеристики)
Регистрация γ-кванта в гамма-спектрометр как правило основана на трех
основных процессах взаимодействия γ-кванта с веществом − фотоэффекте,
Комптон-эффекте и рождении пары электрон-позитрон. В гамма-спектрометр
измеряются энергии электронов и позитронов, которым γ-квант передает
свою энергию в детектирующем материале гамма-спектрометр Ниже порога
рождения пары (1.02 МэВ) регистрация γ-квантов осуществляется по
комптоновским электронам и фотоэлектронам. В области совсем малых
энергий (десятки кэВ) основную роль играет фотоэффект. При высоких
энергиях основным процессом взаимодействия γ-кванта с детектирующим
материалом гамма-спектрометр является образование пар. Если, например, γквант с энергией Е вызвал в детекторе фотоэффект, то кинетическая энергия
выбитого из атома детектора электрона (фотоэлектрона) Ee с точностью до
незначительной энергии отдачи атома определяется равенством Ee = Е - I, где
I − хорошо известная для каждого атома энергия (потенциал) ионизации,
составляющая единицы − десятки эВ для атомов с невысоким порядковым
номером. Таким образом, измерение в гамма-спектрометр энергии электрона
Ee дает энергию γ-кванта.
Основными характеристиками гамма-спектрометра являются
разрешающая способность (разрешение) и эффективность, обычно
выраженные в %. Разрешающая способность гамма-спектрометр
характеризует возможность разделения двух линий γ-излучения, близких по
энергии. Количественно она определяется отношением ΔЕ/Е, где ΔЕ –
ширина линии (в единицах энергии) на половине ее высоты. Разрешение
характеризует точность, с которой г.-с. измеряет энергию γ-кванта.
Эффективность гамма-спектрометр это доля зарегистрированных γ-квантов
от общего их числа, попавших в гамма-спектрометр
Наиболее распространенными типами гамма-спектрометр являются
сцинтилляционный и полупроводниковый. Сцинтилляционный гамма-
спектрометр состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя
(ФЭУ). В сцинтилляторе под действием электронов, создаваемых γ-квантами,
возникает кратковременная вспышка света - сцинтилляция, преобразуемая в
ФЭУ в электрический импульс. Амплитуда импульса пропорциональна
энергии γ-кванта. В качестве сцинтилляторов, например, применяют твердые
неорганические кристаллы NaJ, активированные Tl. Разрешение сцинтил.
гамма-спектрометр 4- 5 % для γ-квантов с энергией 1 МэВ. Эффективность
может приближаться к 100%.
В полупроводниковом гамма-спектрометр γ-кванты обычно
регистрируются в монокристалле германия. Электроны, образуемые γ квантами, производят электронно-дырочные пары, которые под действием
приложенного электрич. поля создают импульс тока, амплитуда которого
пропорциональна энергии электрона. Разрешение для γ-квантов с энергией 1
МэВ может достигать 0.1- 0.2%. Эффективность обычно ниже, чем у
сцинтиляционный гамма-спектрометр.
Для спектрометрии γ-квантов низких энергий (десятки − сотни кэВ)
используют также кристалл- дифракционные гамма-спектрометр,
измеряющие длину волны γ-кванта, и газовые пропорциональные счетчики.
Для спектрометрии γ-квантов высоких энергий используются гамма-
спектрометр, основанные на регистрации черенковского излучения от
электронно-фотонных ливней, создаваемых γ-квантами в радиаторах из
тяжелого прозрачного вещества, напр. свинцового стекла. Определить
энергию высокоэнергичного γ-кванта можно также в пузырьковой камере,
измеряя траекторию рождаемой им пары электрон-позитрон в магнитном
поле.
2. Сцинтилляционный метод регистрации излучения.
Сцинтилляционный метод дозиметрии основан на измерении
интенсивности вспышек света в люминесцирующих веществах при
прохождении через них ионизирующих излучений. Сцинтилляторы могут
быть: 1. неорганические (кристаллы или стёкла) 2. Органические: кристаллы:
антрацен, стильбен, нафталин пластики или жидкости: растворы
органических флуоресцирующих веществ в прозрачном растворители 3.
Газообразные: инертные газы ксенон аргон гелий и азот
Световой выход - доля энергии регистрируемой частицы, конвертируемая
в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~0.05 или 1 фотон
на 50 эВ для частиц высокой энергии. У NaI световой выход примерно ~0.1
или 1 фотон на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора
сравнивать со световым выходом антрацена который используется как
стандарт. Типичные световые выходы пластиковых сцинтилляторов 50-60%.
Быстродействие от 10ˉ⁶ до 10ˉ¹⁰ сек.
Эффективность регистрации – заряженные частицы, нейтроны, гаммакванты.
Ето не просили, но для себя на всякий
Внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под
воздействием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из
вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а
электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во
внешнем электрическим поле, называется фототоком. Фотокатод – электрод
вакуумного электронного прибора, подвергающийся воздействию
электромагнитных излучений. Зависимость спектральной чувствительности
от частоты или длины волны называют спектральной характеристикой
фотокатода.
Билет 14.
1. Гамма-детекторы для гамма-спектрометрии.
Наиболее широко используются сцинтилляционные детекторы - обычно
кристаллы иодида натрия (NaI) или твердые полупроводниковые детекторы -
обычно кристаллы особо чистого германия (Ge) или теллурида кадмия
(CdTe). NaI детекторы могут иметь большой объем и, в общем случае, они
имеют более высокие эффективности регистрации гамма-излучения, чем Ge
детекторы. Их способность различать гаммаизлучение по энергиям, тем не
менее, относительно низкая, и из трех вышеперечисленных типов детекторов
у них самое низкое энергетическое разрешение. Германиевые детекторы
имеют энергетическое разрешение, намного превосходящее энергетическое
разрешение NaI детекторов, и они больше пригодны для задачи разрешения
сложных спектров гамма-излучения и получения информации об изотопном
составе материалов. Используют Ge детекторы различной формы и размеров:
от небольших планарных до больших коаксиальных детекторов (80-90 см3).
Недостатком этих детекторов является то, что они должны работать при
очень низкой температуре, которая обычно достигается при охлаждении
жидким азотом. Стандартные CdTe детекторы (или детекторы CdZnTe) не
требуют охладителя. Из трех типов детекторов они имеют наибольшую
внутреннюю эффективность регистрации. Недавние технологические
достижения существенно улучшили разрешение CdTe. Имеющиеся
стандартные объемы таких детекторов до 1997г. были относительно
небольшими (20мм^3 и 60 мм^3). Тем не менее, портативность и малые
размеры сделали их особенно удобными для использования в условиях
ограниченного пространства, таких как: при проверочных измерениях сборок
свежего топлива, конструкция которых позволяет вводить регистрирующий
зонд внутрь сборки, и рядом с упакованными пучками отработавшего
топлива, хранящимися под водой. Недавно были получены CdZnTe
детекторы больших объемов (до 1500 мм^3), с существенно большей
эффективностью регистрации.
2. Ионизационный метод регистрации излучения
Ионизация газа – распад нейтральных атомов или молекул на
положительные ионы и электроны путём отрыва электронов от атома.
Ионизация происходит при нагревании газа или воздействия излучения (УФ,
рентген, радиоактивное) и объясняется распадом атомов и молекул при
столкновениях на высоких скоростях. Энергия ионизации для атомов
различных веществ лежит в пределах 4-25 эВ.
Важно учесть, что может произойти и обратный процесс – рекомбинация.
Рекомбинация – воссоединение электрона и положительного иона в
нейтральный атом.
Разновидность ионизационных камер.
Режимы работы: постоянный ток (дозиметрия), импульсный режим
(спектрометрия), полное собирание заряда, пропорциональный, гейгеровский
режим (счёт).
Конструкция: плоскопараллельная камера, цилиндрическая, сферическая,
использование экранирующей сетки.
Наполнение: инертные газы, газовые смеси в газовой или жидкой форме.
1. Цилиндрическая 2. Токовая 3. Импульсная
Сферическая камера (без сетки) имеет наилучшее энергетическое
разрешение. Наихудшее – плоскопараллельная (1.5% для 1 МэВ).
Преимущества ИК: способность регистрировать ионизационное излучение
высокой интенсивности, высокое энергетическое разрешение, высокая
температурная стабильность и стойкость, высокая радиационная
стабильность и стойкость, простота конструкции, низкая стоимость.
Недостатки: невысокое быстродействие.