Физика полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений

Мозаичные кремниевые дрейфовые поверхностные детекторы  МДКД-П предназначены для регистрации  и спектрометрии малоинтенсивных  потоков заряженных частиц (α-, β-, протонов и т. д.). Рабочая поверхность детекторов защищена прочным покрытием, предохраняющим их от влаги и позволяющим производить  дезактивацию поверхности при загрязнении. Детекторы допускают работу при  температурах от -196 до +50˚ C и относительной влажности 98% при 40˚ C.

Кремниевые  диффузионно-дрейфовые детекторы  ДДС служат для спектрометрии  и регистрации заряженных частиц (α-, β-, протонов и т. д.) и γ-квантов.

Активационные комплекты – нейтронные (АКН), предназначены  для измерений характеристик  интенсивных полей нейтронов, статистических и импульсных полей ядерных реакторов  и других источников излучения, а  также при испытаниях на радиационную стойкость аппаратуры и материалов.

Активационные комплекты позволяют измерять следующие  характеристики нейтронов:

- перенос  нейтронов (Флюнес) Φ> (нейтр./) с энергией больше эффективных энергетических порогов ;

- интегральный  коэффициент η, соответствующий  отношению переноса нейтронов  Φ с энергией больше 0,1 МэВ к  переносу нейтронов Φ с энергией больше 2,65 МэВ.

Перечисленные характеристики находят расчетом по результатам измерений числа  реакций в делящихся и активационных  детекторах нейтронов. Число ядерных реакций в делящихся детекторах нейтронов измеряют с помощью трекового регистратора осколков деления, а в активационных детекторах – по наведенной β- или γ-активности.

Нейтронно-активационные  детекторы в сочетании с прилагаемыми к ним специальными контрольными источниками представляют собой активационные комплекты, а делящиеся детекторы нейтронов в сочетании со слюдой – делящиеся комплекты.

Нейтронно-активационные  детекторы сопровождения (НДС) служат для тех же целей. Число ядерных  реакций в детекторе находят  по наведенной активности серного детектора, измеряемой любой β-счетной аппаратурой  методом замещения относительно градуированных β-источников, входящих в набор НДС.

Особенности применения

Германиевые ППД по сравнению с кремниевыми  имеют более высокий атомный  номер (32) и более высокую эффективность  регистрации излучения. Однако чувствительные объемы выпускаемых ППД пока уступают сцинтилляторам, а стоимость и  затраты на эксплуатацию много выше. Использование ППД целесообразно  только в тех случаях, когда требуется  высокое энергетическое разрешение детекторов.

При регистрации  рентгеновского и гамма-излучения  с энергией ниже 100 кэВ используются детекторы с высокой эффективностью регистрации в этом диапазоне  при минимальной эффективности  регистрации более высокоэнергетического  излучения. Этим условиям удовлетворяют  газонаполненные детекторы и  ППД. Используются также сцинтилляционные детекторы с тонкими сцинтилляторами (например, NaI с толщиной пластин 1 мм), однако в этом диапазоне энергий  сцинтилляторы отличаются очень  низким энергетическим разрешением (десятки  процентов). При регистрации квантов  с энергий менее 20 кэВ детекторы  должны иметь бериллиевое входное  окно толщиной не более 100 мкм (поглощение квантов с энергией 8 кэВ в таком  окне не превышает 10%). Применяются также  лавсановые и слюдяные входные окна толщиной менее 10 мкм. Регистрацию излучения  с энергией менее 4-5 кэВ выполняют  проточными газонаполненными счетчиками, имеющими открытое входное окно и  непрерывное пополнение утечки рабочей  среды.

Выбор детекторов для бета-измерений определяется ограниченной проникающей способностью бета-излучения (линейные потери энергии  в веществе около 2 МэВ на 1 г/см²) и непрерывным характером спектра бета-частиц.

Бета-измерения  усложняются тем, что фоновое  гамма-излучение при взаимодействии с веществом детектора дает зарядовое  распределение сигналов, которое  перекрывается со спектрами бета-частиц. Это затрудняет использование селекции выходных сигналов для повышения  избирательности по бета-излучению, и стимулирует использование  в бета-датчиках непропорциональных детекторов (счетчиков Гейгера) и  детекторов пролетного типа.

Одним из основных параметров газонаполненных  бета-детекторов является энергетический порог чувствительности Е_пор, значение которого зависит от толщины входного окна или стенки детектора. Под Е_пор понимают энергию излучения, для которой прозрачность окна равна 0,5. По этому параметру детекторы разделяют на 4 группы: цилиндрические тонкостенные счетчики с толщиной стенки 40-60 мг/см² (порог 1 МэВ и выше), торцевые с герметичным слюдяным окном толщиной 1-5 мг/см² (порог 0.1-0.25 МэВ), проточные с негерметичным окном из металлизированной органической пленки толщиной менее 1 мг/см² (порог 20-100 кэВ) и проточные беспороговые счетчики с помещением препаратов непосредственно в рабочую среду детектора (в том числе в газовой форме).

Фон газонаполненных  бета-детекторов обычно характеризуется  частотой выходных сигналов в отсутствие измеряемых препаратов. Значение фона для цилиндрических счетчиков зависит  от размеров счетчиков (10-100 имп/мин), для  торцевых счетчиков и счетчиков  с входным окном пропорционально  площади входного окна (2-4 имп/мин  на 1 см²). При комбинировании пассивных и активных методов защиты от фона последний может быть уменьшен в 20-40 раз.

Датчики с цилиндрическими счетчиками и  счетчиками с входным окном применяются, как правило, для относительных  измерений с градуированием по источникам известной активности. При средней  длине пробега электронов в газонаполненных  счетчиках порядка 10 мг/см² потери энергии в газовой среде счетчиков обычно не превышают 200 кэВ, и счетчики относятся к типу пролетных для большинства измеряемых бета-активных препаратов.

Сцинтилляционные  детекторы позволяют создавать  бета-датчики как пролетного, так  и пробежного типа. Основные требования к бета-сцинтилляторам - минимальная  чувствительность к гамма-излучению  и минимальное отражение бета-частиц. Этим требованиям удовлетворяют  органические, пластмассовые и жидкостные сцинтилляторы, имеющие малую плотность  и малый эффективный атомный  номер.

Избирательность бета-датчиков в условиях внешнего гамма-излучения определяется отношением эффективностей регистрации потоков  бета- и гамма-частиц. Для пролетных  детекторов оптимальная толщина  сцинтиллятора, при которой данное отношение максимально (более 50), составляет 15-20 мг/см². Другой путь повышения избирательности - двухслойные бета-гамма-сцинтилляторы (фосфичи), отличающиеся по времени высвечивания световых фотонов (например, пластмасса + CsI), с последующей селекцией выходных сигналов по их форме. Фосфичи используется как в пролетных, так и в пробежных бета-детекторах.

Получили  применение жидкостные сцинтилляционные детекторы (ЖСД) с растворением или  вводом в виде взвеси или эмульсии бета-активных нуклидов непосредственно  в сцинтиллирующую жидкость, что  обеспечивает высокую эффективность регистрации бета-частиц. Низкая стоимость ЖСД способствует их применению для избирательной бета-радиометрии нуклидов по максимальным энергиям излучения.

К числу  мешающих факторов при использовании  ЖСД следует отнести гашение  сцинтилляций при вводе препаратов в сцинтиллирующую жидкость. Оно  может быть цветовое и химическое. Цветовое гашение вызывается препаратами, имеющими определенную окраску. Химическое гашение проявляется в изменении  препаратом конверсионной эффективности  сцинтиллятора. При наличии гашения  требуется введение в результаты измерений соответствующих поправок.

Факторы фона сцинтилляционных бета-детекторов аналогичны факторам фона газонаполненных  детекторов, при этом основной вклад  переносится на внутренние составляющие: загрязнения ЕРН конструктивных элементов датчика, Калий-40 в стекле ФЭУ и флаконах для ЖСД, тепловые шумы ФЭУ. Для снижения тепловых шумов  ФЭУ применяется включение двух ФЭУ, работающих на один сцинтиллятор в режиме совпадений, что позволяет  снизить тепловой шум ФЭУ на 3 порядка и более. Большинство  бета-излучателей имеют схемы  распада с одновременным вылетом  гамма-квантов, что позволяет производить  измерение их активности, в том  числе абсолютной, на принципе бета-гамма-временных  корреляций с использованием фосфичей.

Применение  ППД в бета-радиометрии ограничено в силу как характера самого излучения (непрерывный спектр не требует высокого разрешения детектора), так и особенностей ППД, а именно - значительные (при  отсутствии охлаждения) тепловые шумы, существенный коэффициент отражения  электронов на входе, особенно для германиевых  ППД.

Измерение альфа-излучения чаще всего связано  с определением относительного содержания альфа-активных нуклидов с высоким  атомным номером. При использовании  практически всех видов детекторов с учетом особенностей альфа-излучения  имеет место:

- высокое  энергетическое разрешение детектирования, особенно в газонаполненных детекторах (менее 1%) и в ППД (до 0.2%);

- слабая  зависимость чувствительности детекторов  от энергии излучения, отношение  площадей фотопиков в спектре  равно отношению активностей  соответствующих нуклидов;

- высокая  избирательность и радиационная  помехоустойчивость.

При толщине  чувствительного слоя детектора  не более 20 мг/см², детектор является пробежным для бета-частиц и амплитуда сигналов от бета-частиц на порядок меньше амплитуды сигналов от альфа-частиц. Такой же порядок действителен и для регистрации гамма-квантов с учетом вероятности их конверсии в электроны в материалах детектора. Это позволяет производить измерения альфа-частиц на фоне больших потоков бета- и гамма-излучения.

Но имеются  и определенные трудности в методике измерений. Отметим основные из них.

Без специальной  пробоподготовки препаратов измерения  возможны только в насыщенных по излучению  слоях. Для измерений в тонких слоях толщина слоя должна быть не более 50-100 мкг/см². Такого же порядка должно быть и входное окно детектора в сумме с "мертвым" слоем - воздушным (и любым другим) промежутком между источником и детектором, при этом желательно обеспечить ограничение углов входа частиц в окно детектора применением сотовых коллиматоров. Потери энергии альфа-частиц во входном окне и "мертвом" слое примерно равны 0.5 МэВ на 1 мг/см².

При измерениях в тонких слоях активности долгоживущих нуклидов поверхностная активность препаратов становится очень низкой (до 0.01 Бк/см²) и нормативная погрешность измерений обеспечивается применением источников излучения (проб) и детекторов с возможно большой поверхностью и длительным накоплением информации. В качестве детекторов в этом случае обычно используются импульсные ионизационные камеры. Влияние разброса углов движения альфа-частиц снимается сотовым коллиматором, однако "прозрачность" сотового коллиматора, как правило, не превышает 5-10%. Для источников с поверхностной активностью излучения 10 и более Бк/см² в качестве детекторов предпочтительно применение ППД с толщиной входного окна в пределах 10-50 мкг/см².

Основной  вклад в фон альфа-детекторов дают два источника:

- альфа-излучение  материалов детектора;

- альфа-излучение  радона и продуктов его распада  в воздушной среде вокруг твердотельных  детекторов и в газовой среде  ионизационных камер.

Задачей нейтронной радиометрии, как правило, является раздельное измерение плотностей потоков данных групп или измерение  плотности потока одной энергетической группы на фоне двух других. Потоки нейтронов  сопровождаются более или менее  значительными потоками гамма-квантов.

Нейтроны  регистрируются по вторичному излучению  их взаимодействия со средой. Для этих целей используются процессы: упругое  рассеяние нейтронов; неупругое  рассеяние с образованием возбужденных ядер; радиационный захват нейтронов  ядром; ядерные реакции под действием  нейтронов.

Ядерные реакции с вылетом заряженных частиц (протонов и альфа-частиц) наблюдаются  на легких ядрах. Такие реакции идут на гелии-3 с вылетом протона и  на литий-6 и боре-10 с вылетом альфа-частиц. Эти элементы и используются, в  основном, для детектирования нейтронов. Тяжелые ядра при захвате нейтронов  делятся на два более легких ядра с освобождением энергии до 200 МэВ, из которых порядка 160 МэВ передается осколкам деления. Большинство тяжелых  ядер делится под действием быстрых  нейтронов, но имеются и нуклиды  (уран-235, плутоний-239 и др.) с большим  сечением реакции в тепловой области.

Газонаполненные детекторы тепловых нейтронов основаны, как правило, на ядерных реакциях с вылетом альфа-частиц, что позволяет  обеспечить их полное поглощение при  малой чувствительности к гамма-излучению. Избирательность по тепловым нейтронам  на фоне быстрых нейтронов обеспечивается разностью (на 3 порядка и более) вероятности  реакций по этим группам нейтронов. Наибольшее распространение получили борные счетчики. В качестве газа-наполнителя  используется либо трехфтористый бор  с обогащением бором-10 до 80-85%, либо аргон, при этом бор в аморфном виде наносится на внутреннюю сторону  счетчика толщиной 0.8-1 мг/см², что обеспечивает чувствительность порядка 0.01 имп/нейтрон на 1 см² рабочей поверхности. Естественный фон счетчиков не превышает 1 имп/мин.

На 1-2 порядка  более высокую эффективность  регистрации (до 80-90%) имеют счетчики, заполняемые гелием-3 и аргоном  под давлением 5-10 атмосфер, но при  этом повышается и их чувствительность к гамма-излучению.

Напротив, на 1-2 порядка пониженную чувствительность к гамма-излучению имеют камеры деления на основе урана-233, урана-235 и плутония-239, которые наносятся  на внутреннюю поверхность камер. Камеры используются для работы в активных зонах реакторов.