56 Носовский - Вопросы дозиметрии и радиационная безопасность на АЭС

вследствие теплового возбуждения, что приводит к появлению "фонового" электрического тока, который быстро растет с ростом температуры.

Рассмотрим подробнее природу и поведение носителей заряда в полупроводнике. Будем рассматривать в качестве полупроводников получившие распространение Si и Ge.

Различают собственную и примесную проводимость полупроводника.

Si и Ge четырехвалентны, то есть имеют по четыре валентных электрона на внешней электронной оболочке. В случае перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости за счет энергии теплового движения образуется пара носителей заряда, электрон — дырка, перемещение которых во внешнем электрическом поле создает электрический ток. Это собственная проводимость.

Введение в кристаллическую решетку полупроводника атомов другой валентности приводит к появлению примесной проводимости, которая связана с возникновением энергетических уровней в запрещенной зоне.

Допустим, что при выращивании кристалла полупроводника один из атомов кристаллической решетки заменен примесным пятивалентным атомом (например, фосфор или мышьяк).

Рис. 7.13. Расположение зарядов в кристаллической решетке кремния при введении примесного пятивалентного атома.

Четыре валентных электрона примесного атома участвуют в создании связей с соседними атомами кристаллической решетки, а пятый остается неиспользованным, а следовательно слабосвязанным с атомами кристаллической решетки. Под действием энергии теплового движения этот электрон переходит в зону проводимости, примесный атом превращается в положительный ион. Примеси пятивалентных атомов, внедренных в кристалл полупроводника, называют донорными примесями.

Рис.. 7.14. Зонная модель донорных энергетических уровней

Донорный энергетический уровень располагается в запрещенной зоне у нижнего края зоны проводимости, а величина Ед является энергией ионизации пятивалентного атома. Положительные ионы связаны в кристаллической решетке и не могут перемещаться во внешнем элекгрическом поле. Следовательно, проводимость полупроводников с донорными примесями обусловлена движением свободных электронов. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа (полупроводники с электронной проводимостью).

Введение в кристаллическую решетку вместо четырехвалентного атома полупроводника трехвалентного атома примеси (например, бора или индия) приводит к другому результату

Рис. 7.15 Расположение зарядов в кристаллической решетке кремния при введении примесного трехвалентного атома.

Для образования четырех связей с соседними атомами кристаллической решетки у атома примеси не хватает одного электрона. Электрон для создания четвертой связи может быть получен от одной из других связей между атомами кристалла. Примесный атом после захвата электрона превращается в отрицательный ион, а оставшаяся незаполненная связь является дыркой в валентной зоне.

Примеси трехвалентных атомов, внедренных в кристалл полупроводника, называют акцепторными примесями.

Рис 7. 16 Зонная модель акцепторных энергетических уровней

Акцепторные энергетические уровни располагаются в запрещенной зоне у верхнего края валентной зоны, а величина ЕА является энергией ионизации трехвалентных атомов. Отрицательные ионы связаны в кристаллической решетке, следовательно, проводимость полупроводников с акцепторными примесями обусловлена движением дырок в валентной зоне. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа (полупроводники с дырочной проводимостью).

Как отмечалось ранее, проводимость полупроводников (как собственная, так и примесная) затрудняет использование полупроводников для регистрации ионизирующих излучений. Однако существует возможность создать в полупроводнике область, обедненную, свободными носителями заряда. В этом случае электрическое сопротивление полупроводника резко возрастает а проводимость падает. Такая возможность основана на использовании свойств р-n и n-р переходов. Переходом называется область полупроводника, в которой происходит смена типа проводимости с электронной на дырочную или наоборот.

Рис. 7.17. Полупроводник с р-n переходом

Предположим, что на грань полупроводникового кристалла, обладающего дырочной проводимостью нанесен слой полупроводника с электронной проводимостью. Концентрация электронов в n-области значительно превосходит их концентрацию. В р-области. В тоже время с концентрацией дырок наблюдается обратное соотношение. Такое различие в концентрациях приводит к тому, что электроны начинают диффундировать в р-область, а дырки, наоборот — в n-областъ. Ионизированные атомы донорного вещества, электроны которых переместились в р-область, создают нескомпенсированный положительный объемный заряд в n-области около границы раздела. В р-области, вследствие ухода дырок, образуется отрицательный объемный заряд. В результате создается двойной электрический слой у границы раздела. Электрическое поле этого слоя препятствует дальнейшему диффузионному переносу электронов и дырок. Через некоторое время после образования двойного электрического слоя устанавливается равновесное состояние, при котором результирующие потоки электронов и дырок равны нулю.

В области р-n перехода концентрация носителей заряда на несколько порядков ниже, то есть р-n переход обладает высоким электрическим сопротивлением. Обедненная носителями заряда область р-n перехода является основной рабочей областью полупроводникового детектора.

При отсутствии внешнего напряжения ширина области, обедненной носителями заряда, очень мала (примерно 10-6 — 10-5 метра). Если приложить к р-n переходу так называемое "обратное напряжение" (минус к р-области, имеющей отрицательный объемный заряд, а плюс к n-области, имеющей положительный объемный заряд), то направление внешнего поля и поля р-n перехода будут совпадать. Поэтому приложенное напряжение также будет удалять носители заряда из обедненной области, а следовательно ширина этой области возрастает.

Ионизирующее излучение, либо заряженная частица образует в области р-n перехода свободные носители заряда, и следовательно импульс тока. Амплитуда импульса будет пропорциональна числу пар ионов (электронов и дырок), образованных излучением в области р-n перехода.

Полупроводниковый метод регистрации получил широкое применение в спектрометрии. В этом случае выходной сигнал детектора подается на вход многоканального амплитудного анализатора (анализатора, в котором каждый канал регистрирует лишь импульсы определенной амплитуды).

По способу получения р-n перехода полупроводниковые детекторы подразделяются на диффузионные, поверхностно-барьерные и литий-дрейфовые.

Вдиффузионных детекторах на поверхность полупроводника р-типа наносится тонкий сдой донорного вещества (например, фосфора). При температуре около 8000C в инертной атмосфере донорное вещество диффундирует в полупроводник и создает n-слой.

Вповерхностно-барьерных детекторах поверхностный слой полупроводника n-типа окисляется кислородом воздуха и приобретает тонкий слой с р-проводимостью. В качестве электрода на р-слой в вакууме напыляется тонкий слой золота.

Влитий-дрейфовых детекторах в полупроводник р-типа при температуре около 6000C вводятся донорные атомы лития, имеющие очень высокий коэффициент диффузии. Компенсация заряда акцепторных примесей производится за счет ионов лития, так как последние не связаны с кристаллической решеткой и могут перемещаться между ее узлами под действием внешнего электрического поля. Недостатком подобных детекторов является то обстоятельство, что их постоянно необходимо поддерживать при температуре жидкого

азота, т. к. в противном случае ионы лития уйдут из кристалла полупроводника за счет тепловой диффузии. Преимуществом является возможность создания очень большого чувстви-

Рис.7.18. Схема включения поверхностно-барьерного полупроводникового детектора

На рис.7.18 показана схема включения поверхностно-барьерного диодного детектора. Участок полупроводника р-типа (в котором ток переносится положительно заряженными дырками) и участок полупроводника n-типа (в котором ток переносится отрицательно заряженными электронами) формируют анод и катод. При подключении напряжения согласно схеме рис.7.18 (называется смещением в обратном направлении), электроны и дырки притягиваются из центральной области полупроводниковой пластины к электродам соответствующей полярности, расширяя область, обедненную носителями зарядов. Эта обедненная область играет такую же роль, как и наполняющий газ в ионизационной камере. Ионизирующее излучение при взаимодействии с полупроводником в этой области образует электронно-дырочные пары в отличие от ионных пар, которые образуются. В материалах, отличных от полупроводников. Поверхностно-барьерный диод способен регистрировать только альфа- и бета-излучения. Для измерения их энергии эти частицы должны потерять всю свою кинетическую энергию в обедненной области. Это означает, что входное окно и слой полупроводника Р-типа должны быть достаточно тонкими, чтобы обедненная область подходила к самой поверхности. Окно обычно делается напылением тонкой пленки из золота на слой полупроводника Р-типа.

Поверхностно барьерные детекторы обычно используются в приборах отбора воздушных проб для определения альфа загрязнения от радоновой фоновой активности.

Германиевые счетчики бывают обычно двух типов: германий-литиевые дрейфовые детекторы, сокращенно Ge(Li), и детекторы из германия высокой чистоты. Эти детекторы используются для гамма спектроскопии и работают подобно описанным выше поверхостнобарьерным детекторам, но их конструкция несколько отличается. На рис 7.19 представлено устройство цилиндрического детектора. Большинство объема в центре детектора обеднено носителями заряда благодаря использованию германия высокой частоты или путем компенсации

носителей дрейфом лития. Внешняя оболочка N-типа и маленькое пятно Р-типа формируют

при приложении к детектору относительно высокой разности потенциалов, обычно свыше 1000 В. Импульс тока собранных электронов и дырок проходит через резистор и создает импульс напряжения (закон Ома).

Рис. 7.19. Строение германиевого детектора.

В детекторе не происходит умножение зарядов, образовавшихся фотонами. Так как амплитуда импульсов пропорциональна потерянной энергии, то обычно выходной сигнал подается на вход многоканального амплитудного анализатора для набора энергетического гамма-спектра. Т.к. энергия ионизации мала, всего 2,9 эВ на электронно-дырочную пару в германии, то достигается значительно лучшее, чем в сцинтилляционных счетчиках с NaI(Tl), разрешение. Для сравнения на рис. 7.20 показали высокоэнергетичные пики от Со-60, измеренные с помощью полупроводникового и сцинтилляционного детекторов.

Рис.7.20. Сравнение энергетического разрешения Ge(Li) и NaI(Tl) детекторов

Кроме детекторов из Si и Ge для измерений ионизующего излучения широко используется детектор из теллурида кадмия (CdTe). Это небольшой детектор гамма-излучения, который работает при комнатной температуре и не нуждается в фотоумножителе. Из-за высокого атомного номера (Zэфф= 50,2) чувствительность его значительно выше, чем у германиевого (Z = 32). Детекторы бывают диаметром от 1 мм до 13 мм и толщиной от 1 до 2мм. Детекторы могут изготовляться достаточно малых размеров для того, чтобы размещать их в иглах для подкожного введения при использовании в исследованиях мозга.

Энергетическое разрешение кадмий-теллуровых детекторов также вполне удовлетворительно. Благодаря высокой чувствительности при низких энергиях гаммаизлучения, детекторы нашли применение в качестве дозиметров для работников, занятых на работах в плутониевых разрезах (рудниках)

CdTe детекторы работают в температурном диапазоне от -20°С до +300C и требуют питающее напряжение всего 50 вольт. Полупроводник сам по себе не гигроскопичен и поэтому не требует особых правил обращения с ним.

Полупроводниковые детекторы работают как в импульсном, так и в токовом режиме, причем в токовом режиме можно использовать даже однородные полупроводники, хотя у однородных полупроводников нижний предел измерения достаточно высок из-за низкой временной постоянной.

Зависимость чувствительности от энергии излучения у полупроводникового детектора в токовом режиме отсутствует при энергий излучения более 0,2 МэВ, а с применением дополнительных фильтров не превышает 10 %.

В импульсном режиме, если толщина чувствительной области больше длины пробега заряженной частицы, то зависимость между энергией частицы и амплитудой импульса линейна. Время собирания носителей заряда в полупроводнике составляет примерно 10-7С. Дозовая чувствительность полупроводниковых детекторов в импульсном режиме значительно выше, чем в токовом, и позволяет регистрировать минимальные значения МЭД порядка 1 мкР/ч. Нижний предел измерений определяется уровнем фонового тока. Фоновую скорость счета можно существенно снизить, применив дискриминатор — устройство, не пропускающее импульсы с амплитудой меньше заданной. Данный предел называют погром дискриминации и обычно выражают в единицах энергетической шкалы (кэВ) по аналогии с энергией, которая была бы поглощена в чувствительном объеме для создания такого импульса.

При постоянном значении порога дискриминации дозовая чувствительность линейно возрастает с увеличением обедненного слоя, то есть с ростом обратного напряжения. Чувствительность детектора линейно уменьшается с ростом порога дискриминации, то есть изменяя значение порога дискриминации можно менять ход с жесткостью.

ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД

Фотографический метод основан на свойстве ионизирующего излучения, воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для целей регистрации излучений обычно используют рентгеновские пленки, представляющие собой чувствительную эмульсию, нанесенную с одной или двух сторон на целлулоидную подложку. Основной составляющей эмульсии являются кристаллы бромистого или хлористого серебра (AgBr, AgCl) равномерно распределенные в слое желатина. Прохождение ионизирующего излучения через фотоэмульсию делает затронутые им кристаллы способными к проявлению. В результате поглощения излучения в кристаллах образуются центры проявления, состоящие из групп атомов металлического серебра. Совокупность этих центров создает скрытое изображение.

Обработка фотослоя, имеющего срытое изображение, проявителем приводит к восстановлению металлического серебра во всех кристаллах, содержащих центры проявления достаточно больших размеров, в результате чего число атомов металлического серебра около центра срытого изображения увеличивается в 1010 — 1012 раз. При последующей обработке фотопленки закрепителем (фиксажем) те кристаллы, которые не восстановились до

металлического серебра, растворяются и выводятся из эмульсии. Наличие на фотопленке металлического серебра приводит к тому, что фотопленка задерживает видимый свет, то есть имеет почернение. Оптической плотностью почернения называется величина

где: Jo — интенсивность видимого света, падающего на обработанную фотопленку. J — интенсивность видимого света, проходящего через нее.

Плотность почернения изменяется от 0 до QO.

Практически приходится измерять плотность почернения не превышающую 3 единиц. (Почернение S равное 1,2,3 соответствует отношению Jo/J равному 0,1; 0,01,0,001).

Плотность почернения пленки зависит от экспозиции. Под экспозицией понимают произведение интенсивности излучения на время облучения. При неизменном спектральном составе экспозиция прямо пропорциональна дозе. Обычно, для наглядности, зависимость почернения от дозы изображают в полулогарифмическом масштабе (сенситометрическая характеристика фотопленки).

Рис. 7.21. Сенситометрическая характеристика фотоплёнки.

j — инерция,

JA — область недодержек,

AB — область нормальных экспозиций, BC — область передержек,

CE — область соляризации

Прямолинейный участок сенситометрической характеристики является рабочей областью фотопленок, используемых для измерения ионизирующего излучения.

Угол θ определяет контрастность фотопленки (чем он больше, тем контрастнее фотопленка). S0 — вуаль пленки.

Вуаль — легкое почернение, которое образуется на фотопленке в процессе ее изготовления и хранения.

Обычно при определении дозы, которой облучались фотопленки, берут три вида пленок рабочие, контрольные и градуировочные. Контрольные пленки служат для определения фона (вуали). Градуировочные пленки (пленки, облученные известной дозой) служат для построения градуировочной кривой. Поскольку на плотность почернения пленки помимо дозы излучения влияют также сорт пленки, состав и температура проявителя, длительность проявления и т. п., все пленки, относящиеся к одной серии, должны проявляться одновременно. Затем для каждой серии пленок экспериментально строится градуировочная кривая (зависимость плотности почернения от дозы). С помощью градуировочной кривой по оптической плотности почернения рабочих пленок находят дозу облучения индивидуально каждой рабочей пленки.

Поскольку фотоэмульсия, состоящая из Ag, Br, AgCl и желатина, не является воздухоэквивалентным материалом, то степень ее почернения при одинаковой дозе излучения будет зависеть от энергии этого излучения.

Рис 7.22 Зависимость отношения почернения/доза от энергии излучения

1 — фотопиенка без фильтров

2 — фотопленка с фильтрами

Чувствительность большей части фотопленок имеет ярко выраженный максимум в области 40 — 50 кэВ, и для устранения хода с жесткостью применяют сглаживающие фильтры, предназначенные для ослабления излучения с энергией, соответствующей максимуму чувствительности фотопленки. Использование фильтров позволяет снизить энергетическую зависимость чувствительности до значений ± 20% в диапазоне 0,03 — 3 МэВ.

Для регистрации тепловых нейтронов используются фотопленки, экранированные материалом с большим сечением захвата (кадмий, индий, гадолиний и т. д.).

Излучения, возникающие при захвате нейтронов материалом экрана, регистрируются фотопленкой. По разнице почернений пленки, расположенной под экраном и под свинцовым фильтром, находят дозу от нейтронов. Для регистрации быстрых нейтронов используют специальные ядерные фотоэмульсии, чувствительные к протонам отдачи, возникающим под действием нейтронов. Поскольку число протонов отдачи в фотоэмульсии убывает с ростом энергии подающих нейтронов, фотоэмульсию окружают чередующимися слоями водосодержащих веществ и алюминиевых поглотителей.

Погрешность измерения дозы излучения с помощью фотопленок зависит, кроме хода с жесткостью и статистического разбора показаний отдельных пленок, еще и от плотности почернения. Чем меньше плотность почернения, тем выше погрешность, поэтому срок экспозиции пленок должен быть достаточно длительным. В оптимальньк условиях погрешность фотографического метода регистрации ионизирующих излучений составляет ±30%.

Преимуществами фотографического метода являются:

• документальная регистрация результатов;

• невосприимчивость к внешним воздействиям (температура, вибрация и т д);

Недостатки:

•невысокая чувствительность (особенно при малых дозах);

•сложность обработки пленок;

•высокий ход с жесткостью.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД

Сущность метода заключается в том, что в некоторых веществах (люминофорах) образованные под действием ионизирующего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном внешнем воздействии (возбуждении).

Чаще всего дополнительным возбуждением может быть либо освещение люминофора светом определенного спектра, либо его нагрев (фотолюминесценция и термолюминесценция). Рассмотрим механизм термолюминесценции

Рис. 7.23. Механизм термолюминесценции

1 — переход электрона из валентной зоны в зону проводимости; 2 — захват дырки центром люминесценции; 3 — захват электрона ловушкой;

4 — освобождение электронов при нагреве кристалла; 5 — рекомбинация электронов с дырками в центрах люминесценции; 6 — возбуждение центра люминесценции; 7 — излучательный переход в основное состояние.