Физика полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ  ВПО «КубГУ»)

Физико-технический  факультет

 

Кафедра физики и информационных систем

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

 

 

Работу выполнил _______________                  (Швецов Дмитрий Викторович)

(подпись)

Курс 3

 

Специальность Физика

Научный руководитель

кандидат педагогических наук, доцент кафедры общей физики и информационных систем _______________________________(Н. М. Богатов)

(подпись, дата)

Нормоконтролёр

доцент _______________________________________________(Н. М. Богатов)

(подпись,  дата)

 

 

 

 

 

 

Краснодар 2013

Реферат

 

Швецов Д. В. ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. Курсовая работа: 26 с., 12 рис., 10 источников.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ,  ЭЛЕКТРОНЫ, ПОЗИТРОНЫ, ПРОТОНЫ, α-ЧАСТИЦЫ, НЕЙТРОНЫ, РЕНГЕНОВСКОЕ И γ-ИЗЛУЧЕНИЯ, РЕГИСТРАЦИЯ ЧАСТИЦ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения………………………………………….....4

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..5

Появление и  развитие…………………………….……………………………….7

Свойства  полупроводниковых детекторов……………………………………...7

Принцип действия детекторов…………………………………………………...8

Типы и  характеристики детекторов……………………………………………...9

Особенности применения……………………………………………………….17

Вывод……………………………………………………………………………..22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначения и сокращения

ППД - Полупроводниковые детекторы

ДКД - Кремниевые диффузно-дрейфовые детекторы

ДКПО - Кремниевые, полностью обедненные детекторы

ДКД-Г - Диффузионно-дрейфовые кремниевые детекторы

МДКД-П - Мозаичные кремниевые дрейфовые поверхностные детекторы

ДДС - Кремниевые диффузионно-дрейфовые детекторы

АКН - Активационные комплекты – нейтронные

НДС - Нейтронно-активационные  детекторы сопровождения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Наша  биосфера всю свою историю находилась и находится во взаимодействии с  ионизирующими излучениями. Под  ионизирующими излучениями (радиацией) понимают поток частиц или квантов  электромагнитного излучения, взаимодействие которого с веществом приводит к  ионизации и возбуждению его  атомов и молекул. К ним относятся  потоки электронов, позитронов, протонов, α-частиц, нейтронов, рентгеновское и γ-излучение. Сюда же следует отнести потоки дейтронов, тритонов и других ионов или частиц – компонентов космического излучения или ускоренных на ускорителях до высоких энергий.

Рис.1 Шкала длин волн.

Длины волн электромагнитного излучения простираются в широком диапазоне (Рис.1).

Качественный  и количественный анализ ионизирующих излучений необходим в различных  областях науки и техники: ядерной  физике, физике элементарных частиц, радиохимии, технике радиоактивных индикаторов, радиационной химии, радиационном материаловедении, дефектоскопии в сельском хозяйстве, медицине, экологии, геологии, атомной  энергетике, в технологиях ядерно-топливного цикла, дозиметрии и радиационной безопасности, в практике обитаемых космических  полётов и т. д. и т.п. Поэтому  методы измерения ядерных излучений  постоянно и весьма активно развиваются.

Методы  регистрации радиоактивных излучений  могут быть классифицированы по характеру  взаимодействия излучения с веществом  и по способам их измерения. Заряженные ядерные частицы могут быть обнаружены по их ионизирующему действию. Нейтральные  частицы, например нейтроны и гамма-кванты, непосредственно не производят ионизации, однако, взаимодействуя с ядрами, могут  вызвать образование вторичных  заряженных частиц.

Работа  детекторов излучения основана на взаимодействии излучений с веществом детектора. Энергия излучения, поглощённая  непосредственно или с помощью  специальных устройств, вызывает в  цепи детектора излучения электрический ток, прохождение которого регистрируется измерительными схемами. В некоторых случаях результаты взаимодействия излучения с веществом могут наблюдаться, например, по потемнению фотоплёнки, свечению фосфоров. Однако в радиометрической практике наиболее широко применяются простые и надёжные детекторы излучения, позволяющие использовать электрические схемы регистрации.

Для получения  необходимой информации о составе  и характеристиках радиации, её преобразуют  чаще всего с помощью соответствующих  приборов в электрические сигналы, которые затем измеряют, сортируют  и регистрируют радиометрической аппаратурой. Радиометрические приборы состоят  из детекторов, в которых происходит преобразование энергии излучения в электрические и др. сигналы, и регистрирующих устройств. Детекторы могут быть ионизационными, сцинтилляционными, трековыми и другими в зависимости от того, на каком из эффектов основано их действие. По агрегатному состоянию рабочего тела различают газонаполненные, жидкостные, твердотельные детекторы; по типу регистрируемого излучения-детекторы α-частиц, β-частиц, γ-квантов, нейтронов.

Существуют  два метода измерения излучений  ионизационными детекторами. Первый состоит  в измерении среднего значения постоянного  тока интегрирующей ионизационной  камеры посредством электрометрического  усилителя. Этот метод наиболее простой. Второй метод заключается в счёте  числа импульсов, вырабатываемых соответствующим  детектором под действием излучения. Этот метод намного более чувствителен. Кроме того, рабочий сигнал импульсных камер, пропорциональных и сцинтилляционных счётчиков содержит информацию двух видов: число импульсов говорит об интенсивности радиации, амплитуда импульсов – об энергии частиц. Амплитуда импульсов измеряется посредством многоканальных анализаторов. Развитие импульсных ускорителей частиц привело к разработке специальных быстродействующих счётных установок. Необходимость детального изучения ядерных процессов потребовало создание координатных детекторов (камера Вильсона, пузырьковая камера и др.).

Полупроводниковые детекторы (ППД) являются наиболее совершенными из существующих детекторов ионизирующих излучения. Они широко используются в судовой аппаратуре при измерениях радиоактивных загрязнений внешней  среды, в дозиметрии, для контроля работы ядерных реакторов и т.д. Однако наибольшее применение они получили при спектрометрии ионизирующих излучений.

Полупроводниковые кремниевые и германиевые детекторы  ионизирующих излучений используются для регистрации -, β-частиц, протонов, нейтронов, γ-лучей и осколков деления. Линейная зависимость амплитуды выходных импульсов от энергии излучения позволяет широко применять эти детекторы в спектрометрической аппаратуре, а также для измерения слабых потоков сильноионизирующих частиц на фоне интенсивных потоков слабоионизирующего излучения (например, α-частиц на фоне β- и γ-излучений).

 

Появление и развитие

Появление в шестидесятых годах полупроводниковых детекторов ядерных излучений явилось важной вехой в развитии экспериментальной ядерной физики. В настоящее время детекторы занимают ведущее место среди приборов, регистрирующих излучения. Полупроводниковые детекторы являются твердотельными аналогами ионизационных камер. Они имеют большие преимущества перед другими типами детекторов, наиболее важным из которых является высокое разрешение. Среди других достоинств полупроводниковых детекторов следует указать: линейность в широком диапазоне энергий, малое время нарастания импульса, относительную простоту и небольшие размеры, а также нечувствительность к магнитным полям.

Первые  детекторы были применены для регистрации тяжелых частиц, их использование сразу привело к успехам в изучении ядерных реакций. Освоение процесса дрейфа лития в германии дало возможность изготовлять детекторы с большим объемом. Такие Ge(Li) детекторы стали использоваться при изучении спектров частиц большой энергии и в спектроскопии электронов. Применение техники дрейфа лития в германии привело к созданию больших детекторов, пригодных для регистрации γ-лучей.

В дальнейшем была разработана технология высокой  очистки кристаллов кремния и  германия от примесей, что привело к появлению сверхчистых кристаллов. Эти кристаллы стали использоваться в так называемых HP-детекторах (high pure — сверхчистые). Такие детекторы не содержат лития и могут храниться при комнатной температуре, но при регистрации частиц и γ-квантов их необходимо охлаждать.

В настоящее  время полупроводниковые детекторы  в области γ-спектроскопии практически заменили сцинтилляционные кристаллы.

Развитие  полупроводниковых спектрометров привело к прогрессу не только в ядерной физике, но и в смежных областях: физике твердого тела, радиотехнике, технологии изготовления полупроводников. Детекторы широко применяются при изучении космического пространства, в биофизике и геофизике, в медицине.

 

Свойства полупроводниковых детекторов

Носители заряда, образующиеся в результате взаимодействия излучения с веществом полупроводникового детектора, собираются на его электродах электрическим полем. Процесс образования и собирания зарядов зависит от распределения электронных энергетических уровней в кристалле. В полупроводниках и изоляторах существует полностью заполненная зона с энергетической щелью над ней, и для перевода электронов нужно затратить некоторую энергию. Если энергетическая щель АЕ велика, то приложение

небольшого  поля не вызовет появления тока. Такие вещества называются изоляторами. Если же щель мала, то некоторые электроны в результате тепловых флуктуации переходят в зону проводимости, что вызывает появление тока. Такие вещества имеют небольшую, но заметную проводимость и называются полупроводниками. Энергетическое расстояние между заполненной зоной и зоной проводимости называется энергетической щелью. В полупроводниках энергетическая щель не превышает 2 эВ.

Число электронов n, переведенных в зону проводимости в результате тепловых флуктуации, зависит от температуры. Электрическая проводимость резко увеличивается с температурой и это является характерным свойством полупроводников.

Средняя энергия , необходимая для перехода электронов в зону проводимости, называется энергией ионизации. Она несколько больше энергетической щели. В том случае, когда зона проводимости накладывается на заполненную зону, проводимость вещества велика и почти не зависит от температуры. Такие вещества называются металлами.

 

Принцип действия детекторов

Действие  полупроводниковых детекторов аналогично действию ионизационных камер. Ионизирующая частица, попавшая в детектор, производит пары: электрон-“дырка”, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродам детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, которую потеряла частица или γ-квант в детекторе. Важно, чтобы детектор собрал все образовавшиеся в нем заряды. Процесс сбора заряда в полупроводниковом детекторе сложнее, чем в ионизационной камере. Детекторы имеют ряд существенных преимуществ перед камерами:

• Энергия, необходимая для получения одной пары носителей в детекторе, гораздо меньше (2,96 эВ в Ge и 3,66 эВ в Si), чем в газах, заполняющих камеры (30 эВ). Поэтому число образовавшихся пар в детекторе соответственно больше и оно меньше подвержено статистическим флуктуациям.
• Плотность материала полупроводникового детектора гораздо больше, чем плотность газов, заполняющих ионизационные камеры. Поэтому даже небольшие детекторы могут регистрировать частицы высоких энергий и γ-кванты.

Время нарастания электрического импульса в детекторах значительно меньше, чем в ионизационных  камерах, так как подвижность носителей в полупроводнике гораздо больше, чем подвижность ионов и электронов в камерах.

Однако у  полупроводниковых детекторов сравнительно небольшое удельное сопротивление даже при температуре жидкого азота (77 К). Например, образцы кремния р-типа с концентрацией примесных атомов 1013 имеют удельное сопротивление 1400 Ом∙см. Это приводит к большой силе тока уже при небольшом приложенном напряжении, и регистрация слабых импульсов от ионизации затрудняется. Для повышения удельного сопротивления детекторов были разработаны различные методы уменьшения числа носителей, вызванных наличием примесей в Si и Ge. Эти методы основаны на создании в детекторе p-n-перехода с малым количеством носителей.