|
|
|
ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫПовторный запуск может привести к возникновению большого количества ложных импульсов, вместо одного желаемого. Процедуру гашения можно выполнить несколькими методами. Вот некоторые из них: сокращение времени воздействия высокого напряжения, использование высокоимпедансных резисторов, включенных последовательно с анодом, и добавление гасящего реагента в концентрации 5–10%. Детекторы этого класса основаны на способности некоторых газов и твердых тел вырабатывать ионные пары при воздействии на них ионизационного излучения. Далее положительные и отрицательные ионы при помощи электростатического поля отделяются друг от друга и их количество измеряется. Ионизация появляется при прохождении заряженных частиц на большой скорости сквозь атомы вещества. Возникающие при этом электромагнитные силы отрывают электроны от атомов, формируя при этом пары ионов. Примечательно, что при этом одна радиоактивная частица, пока не кончится ее энергия, способна создать сразу несколько ионных пар. Незаряженные частицы (такие как нейтроны) при столкновении с ядрами также формируют пары ионов.Ионизационные камеры Такие детекторы являются наиболее ранними и широко распространенными датчиками ионизирующих излучений. Радиоактивные частицы при прохождении через камеру вызывают ионизацию и возбуждение молекул газа. Для запуска процесса ионизации частица должна обладать энергией, как минимум, равной энергии ионизации молекул газа. Для большинства используемых в детекторах газов 
энергия ионизации составляет порядка 10 20 эВ [2] Однако
существуют и другие механизмы, при которых попадающие внутрь камеры частицы
теряют свою энергию при прохождении через газ не на его ионизацию, т е на отделение
электронов от атомов, а , к примеру, на перемещение электронов на более высокий
энергетический уровень Поэтому средняя энергия, которую теряет частица, на
образование одной электронной пары (И^-энергия) всегда выше энергии ионизации
газа Величина W-энергии определятся типом газа (таблица 15 1), видом излучения
и его энергией
Таблица 15.1. Величина W-энергии для разных газов
Рис. 15.3. Упрощенная схема ионизационной камеры (А),
зависимость тока от напряжения (Б)
Радиоактивные частицы, попадая внутрь камеры, при водят к
образованию положительных и отрицательных ионов, которые под действием
электрического поля направляются к соответствующим электродам, что вызывает
появление в цепи электрического тока. Как видно из рис. 15.3Б, при относительно
низких значениях приложенного напряжения ионы рекомбиниру-ют довольно сильно,
поэтому выходной ток пропорционален напряжению. При увеличении разности
потенциалов число рекомбинаций уменьшается до тех пор, пока все ионы не станут
долетать до электродов, после чего ток перестает зависеть от напряжения, хогя
его величина будет, по прежнему, определяться интенсивностью излучения. Эта
зона называется зоной насыщения. Именно эта зона является областью нормальной
работы ионизационной камеры.
Пропорциональные камеры Пропорциональные камеры, заполненные газом, относятся к детекторам, работающим в импульсном режиме, принцип действия которых основан на умножении электронов в газе. Поэтому такие камеры также называются пропорциональными счетчиками. Благодаря эффекту фотоумножения, выходной сигнал пропорционального детектора намного превышает сигнал обычной ионизационной камеры. Такие счетчики, в основном, используются при детектировании и спектроскопии мягкого рентгеновского излучения, а также для обнаружения нейтронов. В отличие от ионизационных камер пропорциональные счетчики работают при высоких напряжениях, значительно ускоряющих электроны, возникающие в результате столкновений. Поскольку эти электроны после ускорения обладают достаточно большой энергией, они могут вовлечь в процесс ионизации нейтральные молекулы газов, создавая при этом дополнительные ионные пары. Следовательно, процесс ионизации носит лавинный характер, что приводит к резкому возрастанию тока через электроды. Такая ионизация называется лавиной Таунсенда. В пропорциональном счетчике лавинообразный процесс заканчивается, как только электрон достигает анода. Поскольку в таком детекторе электрон должен достичь уровня ионизации газа, существует пороговое напряжение, после того начинается этот лавинообразный процесс. Для газов, используемых в пропорциональных счетчиках, при атмосферном давлении этот пороговый уровень составляет порядка 106 В/м. На рис. 15.4 отображены зоны действия различных газовых счетчиков. При очень низких напряжениях поле не может помешать рекомбинации ионных пар. По достижении уровня насыщения все ионы достигают электродов. При дальнейшем увеличении напряжения происходит явление фотоумножения. 
Рис. 15.4. Зоны рабочих напряжений для газовых детекторов
[2]
До нетого уровня напряжения процесс умножения
фотоэлектронов будет линейным, а количество собранных зарядов пропорциональным
количеству исходных ионных пар. Если приложенное напряжение продолжать
увеличивать, из-за медленной скорости положительных ионов линейность процесса
фотоумножения нарушится.
Счетчики Гейгера-Мюллера Счетчик Гейгера-Мюллера (Г-М) был изобретен в 1928 году и до сих пор применяется очень широко, что объясняется его простотой, низкой стоимостью и простой эксплуатации. Счетчики Г-М отличаются от остальных ионизационных камер использованием гораздо более высоких напряжений возбуждения (рис. 15.4). В рабочей области счетчиков Г-М амплитуда выходных импульсов не зависит от энергии ионизационного излучения, а является только функцией приложенного напряжения. Такие детекторы, как правило, изготавливаются в форме трубки, в центре той расположена проволочка, выполняющая роль анода (рис. Молекулы многих органических газов обладают свойствами, позволяющими им быть гасителями лавинных процессов. Среди них самыми популярными являются этиловый спирт и этиловый эфир муравьиной кислоты. Типовой лавинный процесс запускается одним первичным электроном. При этом создается большое количество вторичных ионов, а также много молекул газа переходят в возбужденное состояние. В течение нескольких наносекунд эти молекулы возвращаются в свое исходное состояние, выпуская лишнюю энергию в виде УФ излучения. Эти испущенные фотоны играют важную роль в цепных реакциях, происходящих в счетчике Г-М. При поглощении фотонов поверхностью катода или молекулами газа происходит высвобождение электронов, летящих навстречу аноду, которые при этом запускают новые лавинные процессы. Быстрое распространение цепных реакций ведет к возникновению лавинных процессов по всему объему трубки. Вторичные ионы формируют цилиндрическую область, окружающую анод, в той запускаются все новые и новые лавинные процессы. Такая цепная реакция продолжается до нетого момента времени, определяемого количеством лавинных 
Рис. 15.5. Схема счетчика Гейгера-Мюллера. Символ « • «
указывает газ
процессов и независящего от энергии частицы-инициатора. 15.5). Трубка заполняется инертным газом, таким как гелий или аргон, в который
часто добавляются дополнительные компоненты, действующие как гасящие реагенты
для предотвращения повторного запуска счетчика в процессе детектирования. Поэтому импульсы тока на выходе счетчика Г-М имеют всегда одинаковую амплитуду. Однако счетчики Г-М редко используются для детектирования нейтронов, поскольку
при этом они обладают низкой эффективностью. Эффективность счетчиков Г-М при
детектировании у-излучений повышается при применении трубок, стенки катода
внутри которых изготовлены из материала с крупным атомным номером. к примеру,
для детектирования у-частиц часто используются катоды из висмута (Z=83) в
комбинации с газами, также имеющими большие атомные номера, такими как ксенон и
криптон. Эффективность счета таких детекторов достигает 100% при энергиях фотонов
ниже 10 кэВ.
Полупроводниковые детекторы радиоактивности Наилучшей разрешающей способностью среди современных детекторов радиационных излучений обладают полупроводниковые датчики. В полупроводниковых материалах основными носителями информации являются пары электрон-дырка, создаваемые вдоль траектории полета заряженной частицы через детектор. Заряженная частица может быть либо первичным излучением, либо вторичной частицей. Пары электрон-дырка в некотором отношении являются аналогами ионных пар в газовых детекторах. Когда к полупроводниковому материалу приложено электрическое поле, созданные носители зарядов начинают перемещаться в определенных направлениях, что означает возникновение электрического тока. Следовательно, счетчики Г-М являются качественными, а не количественными детекторами радиоактивных излучений. В счетчиках Г-М одна частица, обладающая достаточной энергией, может создать около 109–1010 ионных пар. Поскольку одна ионная пара, сформированная в трубке счетчика, способна вызвать полный разряд детектора Гейгера, считается, что эффективность счетчика Гейгера может быть равной 100%. Датчики, построенные на этом принципе, называются твердотельными или полупроводниковыми диодными детекторами. Принцип действия таких детекторов аналогичен принципу полупроводниковых детекторов светового излучения. Он базируется на перемещении электронов с одного энергетического уровня на другой при получении или потере энергии. При прохождении заряженной частицы сквозь полупроводник по пути ее следования возникает много пар электрон. Процесс образования пар может быть как прямым, так и косвенным, при котором частица участвует в формировании электронов высоких энергий, постепенно теряющих свою энергию на создание новых пар электрон-дырка. Интересно отметить, что вне зависимости от механизма формирования пар электрон-дырка на создание одной пары первичная заряженная частица затрачивает одинаковую среднюю энергию, которую часто по аналогии с газоразрядными детекторами называют «энергией ионизации». Основное достоинство полупроводниковых детекторов заключается в очень малой величине этой энергии. Ее значение для кремния и германия составляет порядка 3 эВ, тогда как в газовых детекторах энергия, необходимая для создания ионной пары, равна 30 эВ. Поэтому при одной и той же мощности исходного излучения в полупроводниковых детекторах возникнет в 10 раз большее количество носителей зарядов. Для получения твердотельного детектора в полупроводниковом материале необходимо сформировать, по крайней мере, два электрода. В процессе детектирования выводы этих электродов подсоединяются к источнику напряжения, обеспечивающего протекание в цепи электрического тока. Однако на практике материалы из чистого кремния или германия не используются, что связано с довольно крупными токами утечек, вызванных относительно низким удельным сопротивлением этих полупроводников (к примеру, для кремния оно составляет около 50 кОм-см). При приложении к электродам такого детектора внешнего напряжения, в цепи может возникнуть ток, в 3...5 раз превышающий величину тока, индуцированного излучением. Поэтому детекторы этого типа реализуются на основе р-n переходов с обратным смещением, что позволяет значительно снизить токи утечек. Фактически, детектор является полупроводниковым диодом, проводящим ток (имеющим низкое удельное сопротивление) при подключении анода (р-зоны перехода) к положительному выводу источника питания, а катода (п-зоны) — к отрицательному выводу. При обратном подключении ток через диод практически не течет (т.е. он обладает высоким удельным сопротивлением). При сильном обратном смещении диода (значительно превышающем допуски производителя) происходит его пробой, что приводит к резкому увеличению тока утечки; это вызывает катастрофическое ухудшение рабочих характеристик детектора или даже выход его из строя. В настоящее время выпускаются кремниевые диоды нескольких конфигураций: диоды с диффузионным переходом, диоды с поверхностным запирающим слоем, ионно-имплантированные детекторы, детекторы с эпитаксиальным слоем и др. Первые два указанных типа детекторов широко применяются при детектировании «-частиц и других слабопроникающих излучений. Хорошие полупроводниковые детекторы радиоактивных излучений должны обеспечивать: 1. отличную передачу заряда 2. линейность между мощностью излучения и количеством пар электрон-дырка 3. отсутствие свободных носителей зарядов (низкий ток утечки) 4. генерацию максимального числа пар электро-дырка на единицу излучения 5. высокую эффективность детектирования 6. хорошее быстродействие 7. большую зону сбора зарядов 8. низкую стоимость Во время эксплуатации полупроводниковых детекторов необходимо учитывать следующие их особенности: наличие зоны нечувствительности и возможность радиационного повреждения устройства. При попадании в детектор тяжелые заряженные частицы или другие слабопроникающие излучения могут потерять значительную часть своей энергии еще до того, как они достигнут чувствительной зоны датчика. Энергия теряется на металлическом электроде, а также в довольно толстом слое кремния, расположенном непосредственно под электродом. Самый простой и распространенный способ борь— бы с этим явлением заключается в изменении угла попадания излучения в детектор [2]. Когда направление излучения перпендикулярно поверхности детектора (угол падения равен нулю. Любое превышение эксплуатационных режимов может привести к разрушению решетки кристаллической структуры из-за явлений пробоя, связанных с прохождением через кристалл измеряемых излучений. Такие повреждения сравнительно редко встречаются при работе с легкими ионизирующими излучениями (/J-частицы и у-лучи), однако при исследовании тяжелых частиц они могут стать серьезной проблемой. к примеру, длительное воздействие на детектор компонентов ядерного синтеза приводет к значительном росту тока утечки, а, следовательно, и сильному ухудшению разрешающей способности датчика. При серьезных радиационных повреждениях в спектре исследуемых моноэнергетических частиц могут появиться дополнительные пики. Как отмечалось ранее, диоды с диффузионным переходом и диоды с поверхностным запирающим слоем не подходят для детектирования проникающего излучения. Причина этого заключается в узкой активной зоне таких детекторов, которая редко превышает 2...3 мм, что недостаточно для проведения, к примеру, у-лучевой спектроскопии. Для работы с проникающими видами излучений необходимо применять полупроводниковые детекторы с дрейфующими ионами. В таких детекторах формируется дополнительный толстый слой со сбалансированным количеством примесей, добавляющих полупроводниковому материалу свойства того или иного типа проводимости (р или п). Цель легирования — получение полупроводника, которому не присущи свойства никакого типа проводимости. Однако на практике идеальный р-n баланс достичь никогда не удается. Проводимость материалов из чистого кремния и германия чаще бывает р-типа. 
Рис. 15.6. Детектор с PIN переходом: А — структура
детектора, Б — коаксиальная конфигурация детектора
Поэтому для получения сбалансированного материала в него
необходимо ввести атомы доноров. В качестве донора чаще всего используется
литий, атомы того методом диффузии вводятся в кристалл р-типа. При этом
количество введенных атомов лития намного превышает число исходных акцепторов,
что соответствует созданию рядом с чувствительной поверхностью зоны
проводимости n-типа. После этого температура повышается и на переход подается
напряжение обратного смещения. Это приводит к тому, что литий начинает медленно
дрейфовать в сторону зоны р-проводимости. Таким образом достигается
нейтрализация исходной проводимости кристалла. Этот процесс может длиться в
течение нескольких недель. Для последующего поддержания полученного баланса
детектор должен храниться при низкой температуре, к примеру, для германия эта
температура равна 77 К. Поскольку кремний обладает очень низкой подвижностью
ионов, детекторы, реализованные на его основе, могут храниться и работать при
комнатной температуре. Однако атомный номер кремния (14) намного ниже атомного
номера германия (32), что означает его более низкую эффективность при
детектировании у-лучей, поэтому кремниевые детекторы редко используются в
у-спектроскопии.
На рис. 15.6А отображена упрощенная схема детектора,
реализованного на основе полупроводникового материала, легированного литием. Он
состоит из трех зон, кристалл с «нейтральной» проводимостью расположен
посередине. Для увеличения рабочего объема детектор иногда изготавливают в
форме цилиндра (рис. 15.6Б). Таким образом были реализованы Ge(Li) детекторы с
рабочим объемом до 150 см3.
Несмотря на популярность кремниевых и германиевых
детекторов, они являются далеко неидеальными с определенных точек зрения. к примеру, для снижения токов утечек германиевые детекторы должны работать при
криогенных температурах; а кремниевые детекторы, в свою очередь, не эффективны
при обнаружении у-излучений. Существуют и другие полупроводниковые материалы,
которые могут использоваться для детектирования радиоактивных излучений при
комнатной температуре. Среди них: CdTe, Hgl2, GaAs, Bi2S3 и GaSe. Характеристики некоторых полупроводниковых материалов приведены в таблице 15.2
Самым популярным полупроводником для изготовления детекторов
радиоактивных излучений в настоящее время является теллурид кадмия. Он обладает
довольно высоким атомным номером (48 и 52), а также относительно большой
шириной зоны запрещенных энергий (1.47 эВ), поэтому детекторы на его основе
могут работать при комнатной температуре. Современная технология позволяет
выращивать кристаллы CdTe очень высокой чистоты, из которых
изготавливаются детекторы с PIN переходом. Для компенсации излишка акцепторов
здесь также может использоваться метод введения сбалансированных примесей; в
данном случае роль донора выполняет хлор. Выпускаемые в настоящее время CdTe
детекторы имеют диаметр 1...50 мм и работают при температурах до 50°С без
значительного увеличения шума. Существуют два типа CdTe детекторов: с
легированием хлором и без него. Второй тип имеет высокое объемное удельное
сопротивление (до 10'°Ом-см), однако его разрешающая способность невелика. Разрешение детекторов с легированием гораздо выше, но их удельное
сопротивление, к сожалению, ниже (108 Ом-см), что ведет к увеличению тока
утечки. К тому же они склоны к поляризации, что может существенно ухудшить их
рабочие характеристики.
Таблица 15.2. Энергетические свойства некоторых
полупроводниковых материалов
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
