Особенности измерений ППД.

7.1.Принцип работы ППД.

Полупроводники (ПП): к ним относят твердые вещества с удельным электрическим сопротивлением ρ = 10^-2 ÷ 10¹⁰ Ом. см. Это элементы III – VII гр. ПСХЭ: В; С; Si; Р; Ge, S, As и др. Наиболее подходящими яв-ся Ge, Si с примесями Р, Li и В. В твердых телах электроны располагаются в 2 зонах: валентной и в зоне проводимости. В полупроводниках промежуток между ними небольшой, и электроны могут переходить из одной зоны в другую. При переходе в зону проводимости в валентной зоне остается одна незаполненная связь, которую наз-ют дыркой. Она эквивалентна элементарному положительному заряду +электрон. Дырку может заполнить любой соседний электрон.(валентный) Так дырка передвигается от одного атома к другому, а на встречу ей движется валентный электрон.

Одновременно с образованием электрона и дырок происходит их рекомбинация. Если нет электрического поля, то имеется равновесие между концентрацией свободных электронов и дырок в ПП . Пи включении ПП в электрическую цепь, электроны в зоне проводимости двигаются к аноду. А дырки валентной зоны двигаются к катоду. Так возникает собственная проводимость (фоновый ток) ПП, которая с повышением t⁰ растет; т.е. удельное сопротивление уменьшается.

Под влиянием ионизирующих излучений в ПП образуются носители тока, т.е. свободные электроны и дырки, число которых во много раз больше, чем ионов в ионизационных детекторах. Во столько же раз больше и амплитуда импульса от ионизирующей частицы.

Однако , при ρ ≤ 10¹⁰ Ом*см фоновый ток полупроводников настолько высок, что он мешает регистрировать ток ионизации, межд тем удельное сопротивление его для Ge ρ = 650 Ом*см, а др. сопротивление Si ρ = 24*10⁵ Ом*см. Значит в обычном виде ПП неприменимы в качестве детекторов ионизирующего излучения.

I_с – полезный сигнал;

I_ф – фоновый, темновой ток.

Проблема увеличения I_с к I_ф решили путем увеличения свободных электронов и дырок, расширением их переходной зоны, путем охлаждения ПП и др. способами:

1) При добавлении в кристаллы 4-х валентных Ge или Si атомов 5-и валентного Р (Ge и Si + P) появляется много свободных электронов и вещество наз-ся n-полупроводником.

1.2. При добавлении к Ge или Si + B или AL появляются наоборот много свободных дырок и вещество наз-ся р-полупроводник.

2) Если 2 n-и р-полупроводник приложить один к др., то на их границе часть электрона и дырок нейтрализуется, и образуется слой обедненный носителями электротока, который называется n-р-переход. Это и есть чувствительный слой.

3) Если n-п/проводник присоединить к +, то свободные электроны n-р/перехода смещается к аноду, а дырки к катоду. Толщина n-р-перехода увеличивается, а кристаллы становятся изолятором. Обедненная зона расширяется, становится высокоэффективной и чувствительной. Для Si толщина этой зоны равна ~0,1 мм, что позволяет регистрировать α-частицы и осколки деления.

4) Для регистрации α и β-излучения применяют трехслойные детекторы p-i-n-переход, где ионизация дырок и электронов у краев чувствительной зоны велика, а в средней части почти компенсирована.

Это делается путем внедрения в ПП атома Li. Толщина p-i-n-перехода может достигать 1 см и более. Особо чистый Ge может прим-ся и без Li.

5) Для увеличения удельного сопротивления ПП применяют его охлаждение с помощью жидкого азота при T ~ 770 К. Применяют для германиевых ПП. Но детекторы из чистого германия могут работать и без охлаждения.

7.2.Основные типы детекторов.

Имеются несколько типов ППД, но наибольшее значение получили поверхностно барьерные детекторы (ПБД) и дрейфовые детекторы (ДД).

ПБД – применяют для регистрации тяжелых заряженных частиц (α, ρ, осколки деления). Они состоят из плоского кристалла Si (n –типа) и тонкой пленки этого же материала (ρ – типа). Чувствительный слой имеет толщину 0,5 мм и S ~ 1 см². Для электрического контакта на кристаллы и пленку наносят слой толщиной 3*10^{-5 мм золота.}

Иногда ПБД делают из 4 слоев: Au – p – n – Au. Толщина слоев настолько мала, что α – частица проходит их насквозь, оставляя в ПБД только часть энергии ∆Е. Такой детектор называют ^dE/_dx и применяют для распознавания типа частиц по величине ∆Е.

ДД – применяют для регистрации γ- и β-излучения. Они состоят из Ge c p-i-n-переходом толщиной ~ 1 см, а объем чувствительной зоны = ~ n * 10см³. По форме дрейфовые детекторы делятся на цилиндрические и планарные.

Цилиндрические: Планарные:

Цилиндрические детекторы служат для регистрации γ – квантов высоких энергий, а планарные – для низких энергий. Германиевые детекторы хранят и используют при t⁰ жидкого азота, т.к. при высокой t⁰ из-за малого удельного сопротивления через детектор течет большой фоновый ток, а Li – диффундируют из толщи материала к поверхности, что выводит детектор из строя.

7.3.Особенности измерений с ППД.

Удельная ионизация в ППД в десятки-сотни раз больше , чем в ионизационной камере и фосфорах, поэтому даже при малых размерах детектора эффективность его достигает для α и β – частиц 100 % , а для γ – квантов 20 ÷ 40 %.

Точность измерений энергии γ –излучения в 20 ÷ 30 раз выше, чем у сцинтилляционных, поэтому ППД применяют для распознания изотопов Pu по его сложному спектру низкоэнергетического γ – излучения.

Однако ППД имеют высокий темновой ток, поэтому их надо держать при низкой t или применять очень чистый Ge. Облучение ППД ведет к нарушению структуры кристаллов; атомы смешаются из узлов кристаллической решетки, внедряются в постройки соседних атомов, а на их месте образуются пустоты. Поэтому каждый детектор способен выдержать ограниченное число упавших на него частиц:

Для α – частиц ~ 10⁸ – 10¹⁰

β – частиц ~ 10¹² -- 10¹⁴

БН~10¹⁰-10¹³

8. Другие методы регистрации.