13. Polovodičové detektory

Transcript

1 13. olovoičové etektory 1. Všeobecná časť Vysoká energetická rozlišovacia schopnosť, krátka oba narastania (nábehová hrana) signálu a malé rozmery umožňujú široké využitie polovoičových etektorov na registráciu a spektrometriu nabitých častíc, röntgenového a gama žiarenia. V polovoičových etektoroch, poobne ako v etektoroch s plynovou náplňou, sa na registráciu nabitých častíc využíva ich ionizačný účinok v pracovnom objeme etektora, v tomto prípae v polovoičovom kryštáli. V polovoičoch a izolantoch existuje úplne zaplnené valenčné pásmo. a precho elektrónu z valenčného o voivostného pásma treba vynaložiť určitú energiu. Ak je šírka zakázaného pásma veľká ( W > 3 ev), pripojené napätie nevyvolá prú a takéto látky nazývame izolantmi. Ak je šírka zakázaného pásma W malá, niektoré elektróny môžu vďaka tepelným fluktuáciám prejsť o voivostného pásma a po pripojení napätia vzniká prú. Tieto látky nazývame polovoičmi (pri izbovej teplote W je 1,12 ev pre Si a 0,67 ev pre Ge). olovoičový etektor ionizujúceho žiarenia sa získa spojením a typu polovoiča. Okolie rozhrania, v ktorom vznikne objemový klaný náboj ionizovaných onorov a záporný náboj ionizovaných akceptorov, sa nazýva oblasť priestorového náboja (O), resp. priecho (obr. 13.1a). O osahuje hrúbku v rozmezí o zlomkov o esiatok µm. riecho má vlastnosti ióy. Je to oblasť silného elektrického poľa, ktorá zamezuje ifúzii elektrónov o polovoiča typu a ier o polovoiča typu. Ak sa pripojí polovoič ku klanému a polovoič ku zápornému pólu zroja (obr. 13.1b), vonkajšie a vnútorné elektrické polia buú mať opačný smer, čím sa zmenší šírka O. V ôsleku toho elektróny a iery buú prenikať priechoom a polovoičom potečie prú (zapojenie v priepustnom smere). ri zmene polarity (obr. 13.1c) smer vonkajšieho a vnútorného poľa bue rovnaký, zväčší sa šírka O a polovoičom prú nebue precházať (zapojenie v závernom smere). Šírka O však nemá vplyv na pretekanie tvz. vlastného šumového prúu. Tento vzniká, keď v priechoe sa vytvárajú elektróny a iery neprímesného pôvou (napr. po vplyvom tepelného pohybu atómov). Vytvorené nosiče náboja cez O voľne precházajú a polovoičom potečie elektrický prú

2 a registráciu žiarenia sa používajú polovoiče so záverne polarizovaným priechoom. ri takomto zapojení ním bue pretekať iba vlastný šumový prú (šum), ktorý závisí o teploty T a šírky zakázaného pásma W. Čím menšia je honota W, tým silnejšie narastá šum v závislosti o teploty. apr. pri germániu je šum pri izbovej teplote pomerne veľký. ri kremíku je W asi 1,7krát väčšie ako pri Ge a šum pri izbovej teplote pomerne malý. (O) z z a) b) c) Obr. 13.1: a) Vznik oblasti priestorového náboja (priechou ) s hrúbkou, b) riecho zapojený v priepustnom smere, c) riecho zapojený v závernom smere. Ak sa nabitá častica ostane o polovoičového etektora, ionizuje a vzbuzuje zväčša atómy kremíka alebo germánia. oľa pásmovej teórie preje elektrón v procese ionizácie zo zaplneného valenčného pásma o pásma voivostného a v ôsleku toho sa vytvorí pár elektróniera (e). Ak ionizujúce žiarenie vnikne mimo oblasť priestorového náboja etektora (pozri. obr. 13.1c), v obvoe etektora netečie ionizačný prú, pretože celé napätie je akoby priložené k priechou a na vzniknuté náboje v alebo časti nepôsobí. remiestňovaniu elektrónov a ier cez priecho prekážajú priestorové náboje opačného znamienka. Ak elektróny a iery vznikajú ionizáciou v priechoe, vtey sa elektróny a iery voľne premiestňujú po vplyvom vonkajšieho napätia k anóe, resp. ku katóe. ritom elektrické pole o vonkajšieho zroja a pole samotného priechou spôsobuje rýchly zber elektrónov a ier na elektróach. o zabrzení zvonku vnikajúcej nabitej častice o priechou a vytvorení párov e sa elektrický obvo uzavrie. Krátko ním bue pretekať elektrický prú I a na pripojenom zaťažovacom obvoe vznikne napäťový impulz. Okrem prúu I bue cez polovoič ustavične pretekať aj šumový prú I š. abitú časticu možno zaregistrovať iba vtey, ak I š << I. Táto pomienka je splnená pri Si etektoroch už pri izbovej teplote, pri Ge etektoroch iba pri ich chlaení kvapalným usíkom (77 K). a roziel o nabitých častíc, ktoré sú po vniknutí o citlivého objemu etektora zaregistrované vžy, gama kvantá sú etegované len s určitou pravepoobnosťou (obr. 13.2)

3 Zaregistrovaný môže byť len ten fotón gama, ktorý oovzal svoju energiu nabitej častici (elektrónu) pri niektorom z troch záklaných typov interakcií (fotoefekt, Comptonov efekt, tvorba elektrónpozitrónového páru). lektróny, ktorým bola oovzaná časť energie etekovaného fotónu, vyávajú pri prechoe materiálom etektora postupne svoju energiu na ionizáciu (t. j. na vytvorenie voľných párov e) C 57 Co 139 Ce 203 Hg Sn 85 Sr 137 Cs účinnosť Y 60 Co 88 Y energia (kev) Obr. 13.2: Typická závislosť etekčnej účinnosti Ge(Li) etektorov o energie opaajúcich gama kvánt s vyznačením používaných etalónov na jej meranie. re polovoičové etektory je charakteristické: nergia ε tvorby párov e nezávisí o ruhu a energie nabitej častice. nergia ε je asi trikrát väčšia ako šírka zakázaného pásma W. Honota ε je v polovoičovom kryštáli zhruba o jeen rá menšia ako v plynoch. ohyblivosť elektrónov a ier (tab. 13.1) sa pri ochlazovaní zvyšuje. Doba zberu nosičov náboja je esiatky ns. Amplitúa impulzu je ráovo mv na 1 MeV energie registrovanej častice. nergetická rozlišovacia schopnosť ( /) môže osahovať esatiny %, pričom táto honota je pomienená štatistickou presnosťou merania, rôznymi typmi elektrických

4 šumov v etektore a vo vstupných obvooch prezosilňovača, fluktuáciami náboja pri neúplnom zber atď. apr. pre častice alfa s energiou 5,486 MeV z 241 Am bue veľmi obré rozlíšenie (resp. FWHM Full With at Half Maximum) okolo 15 kev t. j. R = 0,27 % (obr. 13.3). Záklané parametre vybraných polovoičov Tab arameter pri 300 K Si Ge CTe GaAs In Atómové číslo /52 31/33 49/15 Merná hmotnosť [g.cm -3 ] 2,33 5,32 6,06 5,32 4,8 Šírka zakázaného pásma W [ev] 1,12 0,67 1,44 1,42 1,35 nergia ionizácie (tvorby párov e) [ev] ohyblivosť elektrónov [cm 2 V -1 s -1 ] 3,62 2,98 4,43 4,3 4, ohyblivosť ier Vlastný merný opor [cm 2 V -1 s -1 ] , , ,486 MeV (85,2 %) početnosť 15 kev FWHM 5,433 MeV (12,8 %) číslo kanála (energia) Obr. 13.3: Alfa spektrum žiariča 241 Am získané polovoičovým etektorom s veľmi obrou energetickou rozlišovacou schopnosťou. Šírka O je ohraničená merným oporom a prierazným napätím priechou. Q Šírka O a kapacita priechou C, a tea aj amplitúa impulzuq imp = z etektora C závisia o pripojeného napätia. re zosilnenie signálu treba použiť nábojovocitlivý prezosilňovač, pretože náboj utvorený v etektore má konštantnú honotu a závisí

5 len o energie etegovanej častice. V nábojovocitlivom prezosilňovači amplitúa signálu na výstupe bue úmerná náboju (nie amplitúe), ktorý bol priveený na jeho vstup, a je len málo závislá o kapacity pripojenej k jeho vstupu, t. j. o vlastnej kapacity etektora. re amplitúovú analýzu treba signál z prezosilňovača (ráovo mv) ďalej zosilniť krát v hlavnom zosilňovači. a registráciu žiarenia gama, X a vysokoenergetických častíc sa používajú riftové etektory Si(Li) a Ge(Li) (tzv. I etektory, ke I znamená intrinzickú voivosť kryštálu), v ktorých sú prímesi kompenzované iónmi lítia. Lítiové ióny (onory) pomerne ľahko riftujú o Si a Ge a kompenzujú akceptory v materiáloch typu. Hrúbka O v takomto etektore závisí o pomienok riftu (teplota, napätie atď.). V súčasnosti sa zhotovujú napr. kryštály Ge(Li) s objemom citlivej vrstvy esatiny až stovky cm 3. Tieto etektory musia pracovať (a taktiež byť sklaované) pri teplote kvapalného usíka. Detektory z veľmi čistého germánia (HGe High urity Germanium) majú koncentráciu prímesí len okolo at.cm -3. ri závernom zapojení vzniká O v celom objeme mezi elektróami (kontaktmi typu a ). Kontakt typu je tvorený ifunovaným lítiom (hrúbka 0,5 mm). Tenké vstupné okienko ( kontakt) sa zväčša pripravuje iónovou implantáciou bóru a umožňuje s veľkou účinnosťou meranie energií o 3 kev o 1 MeV pri planárnom preveení, pri koaxiálnych etektoroch o 10 MeV. Výhoou týchto etektorov je možnosť tepelného cyklovania, t. j. sklaovanie nevyžauje chlaenie s kvapalným usíkom. 2. Zaanie a) Oboznámiť sa so spektrometrickou trasou etektorov b) Zmerať energetické spektrum gama kvánt etalónov 57 Co a 60 Co vybraným Ge(Li) resp. HGe etektorom. c) Určiť účinnosť registrácie a energetickú rozlišovaciu schopnosť etektora pre energie kvánt 122, 1173 a 1332 kev. ) Zväčšovaním vzialenosti žiaričetektor a súčasným meraním oozvy bariérového etektora stanoviť strený olet alfa častíc 241 Am vo vzuchu a pomocou Geigerovho vzťahu (R 0 = 0,318 1,5, ke R 0 sa osaí v cm a v MeV) určiť ich energiu. Stanoviť aj relatívnu neistotu určenia energie alfa častíc. e) Krátko zhonotiť meranie a získané výsleky f) oužitím mikroskopu overiť olet alfa častíc v ťažších materiáloch (fotoemulziách)