Полупроводниковые счетчики

В твердых телах, как и в газах, энергия заряженных частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, причем пробег частиц в них в 10³ раз меньше, чем в газе, а плотность ионизации соответственно выше. Поэтому возможно резкое уменьшение размеров ионизационных камер при сохранении или даже увели­чении их эффективности, если газ в камере заменить твердым на­полнителем. Основной проблемой при этом является выбор твердых тел с подходящей электропроводностью. Перспективным оказалось создание детекторов на основе полупроводниковых материалов.

Для использования полупроводника в качестве детектора ионизирующего излучения в нем создают некоторую область, называемую р-n переходом и обладающую большим удельным сопротивлением. Пусть имеются две пластинки полупроводника, одна с электронной, а другая – с дырочной проводимостью, например, соответственно, n-германия и р-германия. Если эти пластинки привести в тесное соприкосновение, то в местах их соприкосновения начнется диффузия электронов из n-германия в р-германий. Они нейтрализуют часть дырок в тонком граничном слое р-германия. Этот слой заряжается отрицательно, поскольку часть заряда неподвижных отрицательных ионов акцепторов в р-германии остается некомпенсированной. Аналогично тонкий граничный слой n-полупроводника заряжается положительно. В результате создается переход, препятствующий дальнейшей диффузии носителей заряда. Такой переход обладает свойствами диода. Если присоединить n-полупроводник к катоду, а р-полупроводник – к аноду, то через переход течет ток, а при обратной полярности толщина р-n слоя растет и система не проводит тока.

При подаче напряжения в запорном направлении основное падение потенциала происходит в р - n слое, и он ведет себя как конденсатор или ионизационная камера.

При прохождении ионизирующей частицы через запорный слой в нем происходит ионизация, и образуются свободные носители заряда. Эти заряды под действием поля дрейфуют к соответствующим электродам. Так как практически все поле в счетчике сосредоточено в области р-n перехода, время собирания зарядов равно времени, необходимому для прохождения только этого слоя. Поскольку толщина последнего составляет лишь n·10^-2- n·10¹ мм, то полупроводниковые счетчики обладают малым разрешающим временем (10^-7 - 10^-9 с).

Затрата энергии на образование пары электрон-дырка в германии и кремнии (3 эВ) в 10 раз меньше, чем для воздуха, а импульс тока на порядок выше, чем в газонаполненной камере. Это наряду с меньшей продолжительностью импульса обеспечивает его относительно высокую амплитуду, достигающую 3 мВ на 1 МэВ энергии частицы.

Амплитуда импульса пропорциональна числу носителей заряда, образованных частицей, а следовательно ее энергии, если весь ее пробег укладывается в пределах р–n перехода. Поскольку наибольший пробег среди заряженных частиц имеют электроны (примерно 1 мм/МэВ), то для спектрометрии электронов и γ-квантов необходимы детекторы с толщиной перехода не менее нескольких миллиметров.

Увеличение толщины слоя для γ-квантов не­обходимо также для повышения эффективности регистрации. Для регистрации и спектрометрии тяжелых частиц достаточна толщина р–n перехода, равная приблизительно 10 мкм.

Полупроводниковые детекторы подразделяются на поверхностно-барьерные, диффузные и с р-i-n переходом. Рассмотрим лишь первые, получившие широкое применение для регистрации тяжелых частиц, и последние, используемые для регистрации γ-квантов.

Поверхностно-барьерные детекторы обычно изготовляют на основе пластинки n-полупроводника. Для создания электрического контакта на одну из ее плоскостей наносится слой никеля. В атмосфере воздуха тонкий слой на второй стороне пластинки окисляется и приобретает свойства р-полупроводника: возникает р-n переход. На эту поверхность для электрического контакта с р-полупроводником напыляют тонкий слой золота (рисунок 4, а). Толщина чувствительного слоя в р-n переходе (несколько микрометров) достаточна для спектрометрии тяжелых частиц. Слой золота на поверхности должен быть тонким, чтобы через него свободно проходили регистрируемые ядерные частицы.

В детекторах р-n переходом большую толщину чувствительного слоя, необходимую для регистрации β-частиц и γ-квантов, получают внедрением в один из торцов р-полупроводника лития, обладающего высоким коэффициентом диффузии. Этим создают три слоя (рисунок 4, б).

В слое I, куда не проникли атомы лития, сохраняется р-проводимость. Тонкий слой III с преобладанием донора (лития) приобретает свойства n-полупроводника. Наконец, в промежуточном слое II концентрации доноров и акцепторов равны. Этот слой, не имеющий примесной проводимости и обладающий высоким удельным сопротивлением, называют i-слоем. Толщину i-слоя в отдельных случаях удается довести до 8 мм, что достаточно для получения хорошего энергетического разрешения и неплохой эффективности для γ-квантов: 0,7 и 0,2 % для γ-квантов с энергией соответственно 0,663 и 1,333 МэВ. Созданы детекторы с чувствительным объемом до n·10¹ см³, т. е. сравнимым с объемом сцинтилляторов, имеющие эффективность до 10 %.

а – поверхностно-барьерный: 1– n-кремний, 2 – тонкий слой золота, 3, 4 – электрические контакты. б – с р-i-n переходом

Рисунок 4 – Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковые детекторы отличаются экономичностью питания, компактностью, нечувствительностью (в отличие от ФЭУ) к магнитному полю, а также амплитудным разрешением в 20 – 30 раз лучшим, чем у сцинтилляционных счетчиков. Однако их широкое применение ограничивается относительно небольшими размерами чувствительной части освоенных промышленностью детекторов и особенно необходимостью их охлаждения жидким азотом (Т = 77 К). При комнатной температуре собственный (темновой) ток детекторов столь велик, что регистрация на его фоне импульсов от ядерных частиц невозможна.

Дата добавления: 2014-11-18