1.1.3 Прямое рождение электрон-позитронных пар

Помимо потерь на тормозное излучение существуют дополнительные механизмы потерь энергии. Виртуальные фотоны могут образовывать электрон-позитронные пары в кулоновском поле ядер. Потери энергии в данном случае пропорциональны энергии.

Энергетический спектр прямо рожденных электрон-позитронных пар при больших передачах энергии более крутой, чем спектр тормозных фотонов, что является следствием того, что в частичных передачах высоких энергий доминируют процессы тормозного излучения.

является следствием того, что в частичных передачах высоких энергий доминируют процессы тормозного излучения.

1.1.4 Потери энергии на фотоядерные взаимодействия

Заряженные частицы могут неупруго взаимодействовать через виртуальные частицы-переносчики (в данном случае фотоны) с ядрами поглотителя, и при этом терять энергию (ядерные взаимодействия).

Так же как и в случае потерь энергии на тормозное излучение или прямое рождение электрон-позитронных пар, потери энергии на фотоядерные взаимодействия пропорциональны энергии частицы.

1.2 Полупроводниковый детектор

Полупроводниковый детектор - прибор для регистрации ионизирующих излучений, основным элементом которого является кристалл полупроводника.

Полупроводниковые детекторы являются твердотельным аналогом газовых ионизационных камер, в которых рабочая среда – газ заменена конденсированной средой – твердым телом. Принцип их работы сводится к измерению импульсов напряжения, возникающих в результате возрастания проводимости кристалла под действием поступающих в него частиц или фотонного излучения.

Прохождение ионизирующего излучения вызывает в диэлектрике образование разноименных носителей зарядов (электронов и дырок). Внешнее напряжение создает внутри кристалла электрическое поле. Электроны и дырки движутся под действием этого поля к электродам. По мере того, как носители смещаются, они индуцируют на электродах заряд, пропорциональный пройденной ими разности потенциалов. Для того чтобы такая камера с твердым наполнителем работала долго, а сигнал, получаемый на ее выходе, был пропорционален энергии, потерянной заряженной частицей в чувствительном объеме камеры, и, наконец, протяженность сигнала во времени была небольшой, наполнитель должен характеризоваться:

− малой величиной средней энергии, расходуемой заряженной частицей для создания одной пары носителей заряда;

− отсутствием рекомбинации и захвата носителей;

− большой подвижностью носителей заряда обоих знаков;

− большим удельным электрическим сопротивлением.

Чувствительная (рабочая) область полупроводникового детектора – эта такая область, в которой отсутствуют свободные носители заряда. В ней находятся лишь атомы исходного полупроводника, ионы акцепторов и доноров. Попав в чувствительную область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне – дырки. При подаче на электроды, между которыми находится полупроводник, даже небольшого напряжения возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора. Число носителей электрических зарядов, участвующих в образовании постоянного тока, несет информацию об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области.

Рисунок 3 – Принцип действия полупроводникового детектора

Энергия частиц и квантов, регистрируемых детектором, такова, что основные потери энергии частиц расходуются на возбуждение электронно-дырочных пар. Полное число неравновесных носителей в треке составляет:

Nо = Eo / Ei , (8)

где Ео – энергия, теряемая частицей в объёме полупроводника;

Ei – энергия, расходуемая частицей на ионизацию одной электронно-дырочной пары.

Под действием приложенного к детектору разности потенциалов (U) электроны и дырки из трека дрейфуют к соответствующим электродам, т.е. т.е. дырки будут уходить в n-область, а электроны, переходя в р-область, и наводят импульс тока во внешней цепи.

Реально в ионизационном пространстве при поглощении единичной частицы формируется пакет электронно-дырочных пар с концентрацией Nо. При движении пакетов электронов и дырок в межэлектродном пространстве часть носителей рекомбинирует либо захватывается на центры прилипания, и до контактов не доходит.