Лекция 24. Основы дозиметрии 4 страница

Если продолжать увеличивать напряжение на счетчике, то коэффициент газового усиления очень сильно возрастет по абсолютной величине. При некотором значении U величина импульса перестает зависеть от начальной ионизации: все импульсы, независимо от вида ионизирующего излучения имеют одинаковую величину. Иными словами, каждый свободный электрон, образовавшийся в газе, вызывает самостоятельный разряд. В области самостоятельного разряда работают счетчики Гейгера-Мюллера. Наконец, при значениях U порядка нескольких кВ наступает режим, при котором возникновение разряда уже не связано с действием ионизирующего излучения.

В области самостоятельного разряда коэффициент газового усиления формально становится равным бесконечности (реально – более 10⁶). Это означает, что достаточно попадания одного электрона в рабочее пространство счетчика, чтобы вызвать непрерывный разряд. В результате ударной ионизации образуется лавина, за ней следует вторая, и т.д. При этом происходит быстрое собирание электронов, но не положительных ионов, подвижность которых во много раз меньше. Прекращение разряда наступает примерно через 10^-7 с, когда чехол положительных ионов вокруг анода настолько снижает напряженность электрического поля, что образование следующей лавины становится невозможным. Однако в результате дрейфа положительных ионов через 10^-4 с напряженность электрического поля вблизи анода вновь возрастает и образование лавин возобновляется, если не приняты специальные меры.

Для подавления повторного развития разряда применяются гасящие добавки к основному газу: органические соединения (спирты, эфиры и т.д.) или галогены (Cl₂, Br₂), потенциал ионизации которых меньше потенциала ионизации основного газа. Основной целью введения добавок является нейтрализация ионов инертного газа, что предотвращает выбивание электрона, вызывающее повторный разряд. При дрейфе ионов Ar⁺ к катоду происходит много соударений с молекулами добавок. Ионы захватывают электроны добавок и нейтрализуются. В результате на катоде разряжаются ионы добавок, которые не выбивают электроны, а диссоциируют. При этом органические ионы диссоциируют необратимо, поэтому счетчики с органическими гасящими добавками имеют ограниченный срок службы. Диссоциация хлора и брома обратима, и срок службы галогенных счетчиков значительно дольше.

ПРИЛОЖЕНИЕ Н. Элементы физики полупроводников

Согласно законам квантовой механики, в твердом теле, как и в отдельном атоме, электроны не могут иметь любую энергию. В одиночном атоме разрешены лишь отдельные дискретные значения энергии. При сближении атомов между ними возникают взаимодействия, приводящие к расщеплению уровней. Вследствие этого расщепления в кристаллической решетке вместо отдельных уровней образуются сплошные интервалы, или зоны разрешенных и запрещенных значений энергии электронов. Электроны, находящиеся на близких к ядру оболочках, практически не взаимодействуют с соседними атомами из-за экранирования внешними электронами. Поэтому расщепление глубоких уровней мало, т.е. зоны узкие. Для внешних оболочек взаимодействие велико, и ширина зон может составлять несколько эВ. Электроны с энергией, соответствующей такой зоне, принадлежат уже всему кристаллу в целом, а не отдельному атому.

У полупроводников и диэлектриков наивысшая заполненная (валентная) зона отделена от следующей, более высокой по энергии зоны разрешенных значений (зоны проводимости) запрещенной зоной, в которой отсутствуют уровни идеального кристалла.[211] Отличие полупроводников от диэлектриков заключается в том, что ширина запрещенной зоны полупроводника Е_g – порядка 1 эВ;[212] для диэлектриков эта величина существенно больше. В результате при нормальной температуре некоторая[213] часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, а в валентной зоне образуются дырки – носители положительного заряда (рис. Н.1). Если к полупроводнику приложить внешнее электрическое поле, то носители заряда – электроны проводимости и дырки – будут перемещаться к соответствующим электродам. Такая проводимость полупроводникового кристалла, очень небольшая по величине, получила название собственной.

Более существенна для полупроводников несобственная, или примесная проводимость, обусловленная присутствием атомов других элементов. Различают донорные и акцепторные примеси. Донорными примесями для четырехвалентных полупроводников (кремний и германий) являются, например, пятивалентные атомы – мышьяк, сурьма и другие. При замещении ими в кристаллической решетке атомов германия или кремния четыре электрона из пяти образуют с электронами полупроводника четыре ковалентные связи, т.е. принадлежат валентной зоне. Пятый, оставшийся, электрон с большой вероятностью может оторваться от атома и, превратив его в положительный ион, перейти в зону проводимости. Вероятность такого перехода весьма велика, потому что донорные примесные уровни всегда лежат в запрещенной зоне вблизи границы зоны проводимости.[214] Энергия, необходимая для возбуждения донорной примеси, Е_d (см. рис. Н.1) во много раз меньше Е_g,[215] и в зону проводимости поступают, в основном, электроны донорных примесей даже при незначительной их концентрации.

К акцепторным примесям эти же рассуждения применимы «с точностью до наоборот». Акцепторными примесями для четырехвалентных полупроводников служат трехвалентные элементы – галлий, индий и т.д. Для образования ими четырех ковалентных связей с атомами полупроводника не хватает одного электрона. Этим электроном может стать один из электронов валентной зоны – в этом случае в ней образуется дырка. Акцепторные примесные уровни располагаются вблизи валентной зоны (рис. Н.1). Энергия Е_а мала по сравнению с Е_g, поэтому образование дырок в полупроводнике с акцепторными примесями идет, в основном, за счет заполнения примесных уровней. Таким образом, для полупроводников с акцепторными примесями характерна дырочная (полупроводники p -типа), а для кристаллов с донорными примесями – электронная проводимость (полупроводники n - типа).[216]

Высокая примесная проводимость полупроводников не позволяет использовать их напрямую в качестве детекторов даже при низких температурах, так как затрудняет регистрацию слабых импульсов от ионизации. Поэтому для создания среды с низкой проводимостью часто используют следующий эффект. В пластинке из монокристалла полупроводника, у которой одна половина содержит донорную, а другая – акцепторную примесь, на границе двух половин образуется так называемый запорный слой, или p-n - переход (рис. Н.2) толщиной в несколько сотен мкм. Его образование обусловлено диффузией электронов из n -области в p -область и дырок в противоположном направлении. Такая диффузия сопровождается переносом заряда, что приводит к возникновению электрического поля, препятствующего диффузионным токам. В некоторый момент времени достигается равновесная конфигурация p-n -перехода: действие поля на заряды в точности компенсирует эффекты, обусловленные диффузией. Если на переход подать электрическое напряжение, присоединив положительный электрод к n -области, а отрицательный – к p -области, то все электроны и дырки будут оттягиваться от области перехода. Последняя обедняется носителями заряда, и ее сопротивление возрастает еще больше. Изображенная на рис. Н.2 электрическая цепь получается при этом разомкнутой (тока нет).

При прохождении через запорный слой полупроводникового детектора (ППД) быстрой заряженной частицы в нем образуются дополнительные электроны и дырки. При этом в цепи возникает ток, который будет течь до тех пор, пока равновесная конфигурация вновь не будет достигнута.

В зависимости от технологии изготовления ППД с p-n -переходом делятся на поверхностно-барьерные и диффузионно-дрейфовые. Поверхностно-барьерные ППД изготовляют таким образом, чтобы вблизи поверхности кристалла кремния или германия сформировался p-n- или n-p- переход. Этого добиваются различными способами. Например, применяют поверхностную диффузию примеси (фосфора) внутрь кристалла. Часто используется ионная имплантация примеси путем воздействия тока ионов, ускоряемых внешним полем. Наконец, используют химические свойства поверхности: поверхностные слои германия и кремния легко окисляются и ведут себя как примесные полупроводники p -типа. Электрический контакт с поверхностным слоем осуществляют с помощью тонкого слоя металла (обычно золота), который наносят на поверхность кристалла испарением в вакууме. На границе металл-полупроводник возникает электростатический барьер, препятствующий проникновению носителей заряда из полупроводника в металл и обратно. При приложении обратного напряжения возникает обедненный носителями слой.

Для изготовления диффузионно-дрейфовых детекторов используется сначала диффузия ионов лития, а затем их дрейф под действием электрического поля вглубь кристалла с p- проводимостью при повышенной температуре. Ионы лития занимают междоузлия в кристаллической решетке германия и поэтому имеют очень высокую подвижность, проникая глубоко в полупроводник и компенсируя акцепторы. Образуется кристалл, имеющий внутри только собственную проводимость. Литиевые диффузионно-дрейфовые детекторы отличаются хорошей стабильностью в работе и имеют высокую чувствительность. Большой чувствительный объем таких детекторов (до 100 см³ – цилиндрические, или коаксиальные детекторы) позволяет применять их в спектрометрии γ-излучения.

Кроме поверхностно-барьерных и диффузионно-дрейфовых детекторов, получивших широкое распространение, существуют детекторы, изготовленные из особо чистого германия, а также радиационные германиевые детекторы, в которых чувствительная область создается в результате компенсации доноров в исходном германии акцепторными уровнями радиационных дефектов, возникающих в нем под действием γ-излучения.

ПРИЛОЖЕНИЕ О. Люминесценция в молекулах и кристаллах

Поглощение энергии веществом и ее последующее испускание в виде видимого или ультрафиолетового излучения носит название люминесценции. Способностью люминесцировать обладает большая группа твердых, жидких и газообразных веществ. В зависимости от источника энергии, превращаемой в веществе в энергию испускаемого света, различают термолюминесценцию (термическое возбуждение), фотолюминесценцию (возбуждение светом), хемилюминесценцию (возбуждение под действием энергии, выделяющейся при химической реакции), радиолюминесценцию (возбуждение ионизирующим излучением), и т.д.

При возникновении люминесценции под действием ионизирующего излучения можно выделить три основных стадии: поглощение энергии излучения и переход тела в неравновесное состояние; трансформация энергии, полученной телом; испускание света и переход тела в равновесное состояние. Последняя стадия может быть как самопроизвольной, так и стимулированной (путем нагревания, освещения, механического воздействия и т.п.).

Люминесценция в газах, жидкостях и органических кристаллах – это молекулярный процесс, который можно упрощенно рассмотреть при помощи схемы энергетических уровней двухатомной молекулы (рис. О.1). Кривые на схеме изображают зависимость потенциальной энергии молекулы люминофора от межатомного расстояния: нижняя кривая относится к основному, а верхняя – к возбужденному электронному состоянию. В каждом состоянии имеется набор колебательно-вращательных уровней (изображены горизонтальными линиями).

Прохождение излучения через вещество может привести к переходу молекул из основного электронного состояния в возбужденное (линия АА ’). Согласно принципу Франка-Кондона, этот переход имеет место при определенном межатомном расстоянии, поэтому точка А’ будет соответствовать сильно возбужденному колебательному состоянию. Избыточная энергия быстро передается колебаниям решетки кристалла или молекулам растворителя. В результате молекула оказывается на одном из нижних колебательных уровней возбужденного электронного состояния (точка В ’). В основное электронное состояние молекула может возвратиться по пути В ’ В в результате флуоресценции [217] – испускания фотона. Среднее время жизни возбужденной молекулы относительно флуоресценции (~10^–8 с) велико по сравнению с периодом внутримолекулярных колебаний (~10^–13 с). Из рис. О.1 следует, что люминофор в значительной степени прозрачен для собственного излучения, так как его спектр испускания (путь В ’ В) сдвинут относительно спектра поглощения (путь АА ’) в сторону меньших энергий фотонов.

Конкурирующими процессами по отношению к флуоресценции служат: а) безызлучательный переход из возбужденного электронного состояния в основное (особенно, когда обе кривые потенциальной энергии подходят близко одна к другой, т.е. вблизи уровня С на рис. О.1); б) диссоциация молекулы, когда уровень А ’ расположен выше последнего дискретного уровня D, отвечающего связанному состоянию. При безызлучательном переходе энергия возбуждения перходит в энергию теплового движения, т.е. происходит тушение флуоресценции. Чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний решетки и тем больше вероятность тушения.

В сложных многоатомных молекулах процессы поглощения энергии и испускания света происходят более сложным образом, но приведенные качественные рассуждения остаются справедливыми и для сложных молекул.

Поскольку связи между молекулами в кристаллах органических веществ почти не нарушают структуры самих молекул, то процесс высвечивания энергии можно рассматривать на примере отдельной молекулы. Механизм высвечивания в неорганических кристаллах лучше всего может быть описан с помощью зонной теории твердого тела (ПРИЛОЖЕНИЕ Н). В соответствии с этой теорией в чистом кристалле диэлектрика существует валентная зона, заполненная электронами, и пустая зона проводимости. Последняя лежит над первой и отделена от нее запрещенной зоной, в которой электроны не могут находиться (рис О.2). Однако любые дефекты в кристалле (атомы примесей, вакансии и т.п.) могут создавать разрешенные уровни энергии в запрещенной зоне. Электроны, находящиеся на уровнях, связанных с дефектами, сильно локализованы вблизи этих дефектов.

При прохождении ионизирующего излучения через кристалл электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости (путь АА ’) и перемещаться внутри кристалла до тех пор, пока не вернется в валентную зону или не будет захвачен дефектом. В последнем случае электрон переходит на энергетический уровень, связанный с дефектом (путь А ’ В’), а избыток энергии передается колебаниям кристаллической решетки. С этого нового уровня электрон путем флуоресценции может перейти в валентную зону (ВВ ’). Потерять свою энергию электрон может и без излучения, например, в результате полного перехода ее в энергию колебаний, однако такой процесс маловероятен, поскольку ширина запрещенной зоны (порядка 7 эВ) много больше энергии теплового движения. Прозрачность кристалла по отношению к флуоресценции обеспечивается тем, что энергия высвечиваемых фотонов меньше разности энергий электрона в валентной зоне и в зоне проводимости, а оптическое поглощение кристалла заключается, главным образом, в переходах между этими двумя зонами. Создание в кристаллах центров флуоресценции часто осуществляется искусственно, путем введения в них небольших количеств соответствующих примесей, носящих название активаторов. Обычно активаторами служат атомы металлов (Ag, Tl и др.).

На основе нестимулированной радиолюминесценции разработаны сцинтилляционные методы регистрации ионизирующих излучений. В дозиметрии широко применяются термолюминесцентные дозиметры. Их действие основано на испускании света при нагревании облученного неорганического вещества, называемого термолюминофором. Механизм термолюминесценции можно объяснить, рассматривая существование в запрещенной зоне термолюминофора дискретных уровней двух типов, связанных с ловушками и активаторами. При поглощении энергии излучения активатором (например, Ag) и основным веществом люминофора появляются свободные электроны, захватываемые ловушками; атомы активатора при этом ионизируются. Этот процесс называется запасанием светосуммы (рис. О.3). Освобождение электронов из ловушек при нагревании приводит к их рекомбинации с ионами активатора. Энергия, выделяющаяся в результате рекомбинации, переводит активатор в возбужденное состояние, которое впоследствии испускает фотон (высвечивается).

Термолюминофоры характеризуются кривой термовысвечивания I (T) с максимальным пиком при определенной температуре. Максимум появляется вследствие одновременного протекания двух процессов: освобождения электронов при нагревании и опустошения ловушек. С ростом температуры количество освобожденных электронов, переходящих в зону проводимости, возрастает, и интенсивность люминесценции I увеличивается. Однако при этом запас электронов в ловушках снижается. В результате, несмотря на дальнейший рост температуры, количество электронов в зоне проводимости постепенно уменьшается, что приводит к уменьшению интенсивности люминесценции.

Мерой поглощенной дозы ионизирующего излучения служит амплитуда максимума на кривой термовысвечивания (пиковый метод определения дозы) или общее количество высвеченной энергии (интегральный метод).

Дата добавления: 2015-05-26