Физика полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений

В сцинтилляционных детекторах для регистрации нейтронных потоков используются литиевые сцинтилляторы  на основе монокристаллов LiI(Eu) или стекла с литием, с разной степенью обогащения литием-6 (до 90%). Эффективность регистрации  тепловых нейтронов до 80-95% обеспечивается при толщине сцинтилляторов от 15 до 1-2 мм (тем меньше, чем больше степень  обогащения лития).

Измерение нейтронов с энергией 0.1-10 МэВ  основано, как правило, на регистрации  протонов отдачи в водородосодержащих средах.

Для регистрации  быстрых нейтронов при наличии  гамма-фона используются дисперсные сцинтилляторы, представляющие собой сцинтиллирующий  порошок типа ZnS(Ag) или гранулы  сцинтиллирующей пластмассы в водородосодержащем материале - люците, плексигласе, полистироле. В связи с ограниченной прозрачностью  дисперсных сцинтилляторов они выполняются  относительно небольшой толщины (не более 2 мм), при этом эффективность  регистрации быстрых нейтронов  обычно не превышает 2%. Сопутствующее  гамма-излучение исключается методом  амплитудной селекции выходных сигналов.

Более высокая  эффективность регистрации быстрых  нейтронов обеспечивается в органических сцинтилляторах с высоким собственным  содержанием водорода и высокой  прозрачностью. К ним относятся  стильбен, антрацен, сцинтиллирующие  пластмассы и жидкости. При толщине  сцинтиллирующего материала более 10 мм эффективность регистрации  нейтронов превышает 40-50%, однако, при  этом возрастает и эффективность  регистрации гамма-квантов. Энергетическое распределение сигналов регистрации протонов отдачи близко к равномерному в диапазоне от 0 до максимальной энергии отдачи ядер водорода и не разделяется по амплитудам от актов регистрации гамма-квантов. Для исключения влияния гамма-фона используется селекция сигналов по их форме.

 

Вывод

Датчики (блоки детектирования) ионизирующих излучений относятся к электронным устройствам, основное назначение которых заключается в обеспечении процесса взаимодействия потока ионизирующего излучения с физической средой детектора излучения, и в преобразовании актов взаимодействия в электрические сигналы, которые могут быть зарегистрированы соответствующей измерительной аппаратурой. В комплекте с измерительными блоками датчики образуют приборы для измерения ионизирующих излучений (спектрометры, радиометры, дозиметры и пр.).

Рис. 9. Типовая схема датчика излучения

На рис.9 приведена функциональная схема датчика. Датчик содержит детектор излучения с формирователем электрических сигналов на выходе, предварительный усилитель сигналов, выходной усилитель мощности сигналов и источник питания детектора. Формирователь электрических сигналов обычно объединяется с предварительным усилителем в общий блок согласующего усилителя. В специализированной аппаратуре датчики могут содержать только детекторы излучения (один или несколько) и формирователи сигнала, с включением остальных блоков в состав регистрирующих приборов.

Измерение ионизирующего излучения  представляет собой регистрацию  актов взаимодействия излучения  с детектором (в радиометрах) и  количественную энергетическую оценку данного взаимодействия (в спектрометрах  и дозиметрах). Процесс измерения  реализуется только в том случае, если взаимодействие излучения с  веществом (рабочей средой) детектора  сопровождается процессом преобразования энергии излучения в другой вид  энергии, удобный для регистрации.

В промышленных датчиках используются, в основном, два типа детекторов:

1. Ионизационные  детекторы с прямым преобразованием  энергии частиц в электрический  заряд. К ним относятся газонаполненные  детекторы - ионизационные камеры, газоразрядные и пропорциональные  счетчики, и полупроводниковые детекторы  (ППД).

2. Сцинтилляционные  детекторы, в которых используется  люминесценция вещества детектора  при поглощении излучения с  последующим преобразованием энергии  световых фотонов в электрический  сигнал (при помощи фотоэлектронного  умножителя - ФЭУ).

По линейности преобразования энергии излучения  в энергию выходного сигнала  различают пропорциональные и непропорциональные детекторы. По агрегатному состоянию  рабочей среды детекторы подразделяются на газовые, жидкостные и твердотельные.

Принцип действия детекторов основан на обнаружении  эффекта ионизации или возбуждения  атомов рабочей среды детектора  при взаимодействии с излучением. Заряженные частицы взаимодействуют  непосредственно с электрическим  полем атомов рабочей среды детектора  с передачей им своей кинетической энергии. Гамма – кванты и нейтральные  частицы взаимодействуют с детектором через процессы фотопоглощения, комптоновского рассеяния, образования электронно-позитронных  пар и ядерные реакции в  рабочей среде детекторов и в  специальных конструкционных материалах, которые может иметь детектор для повышения вероятности этих процессов. В результате этого взаимодействия возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц, которое  и регистрируется в рабочей среде  детектора.

Механизм  преобразования энергии в детекторах ионизационного типа идет по цепи: поглощение энергии частицы Þ преобразование поглощенной энергии в первичный электрический заряд Þ (усиление первичного заряда для детекторов с усилением) Þ сбор заряда на электродах детектора. В сцинтилляционных детекторах эта цепь несколько длиннее: поглощение энергии частицы Þ преобразование поглощенной энергии в световые фотоны Þ сбор фотонов на фотокатоде ФЭУ и выбивание из него фотоэлектронов (первичного электрического заряда) Þ усиление электронного потока динодной системой ФЭУ (ударное размножение разгоняемых электронов на динодах ФЭУ) Þ сбор электронного потока на аноде ФЭУ.

Особенности протекания данных процессов в детекторах определяют их основные технические  характеристики.

Эффективность регистрации излучения является энергетической пространственно-угловой функцией вероятности процесса взаимодействия излучения с рабочей средой детектора.

Вероятность регистрации ионизирующей частицы  при прохождении через рабочую  среду детектора определяется вероятностью передачи частицей своей энергии, частично или полностью, рабочей среде. Эта  вероятность зависит от вида излучения, его энергии, плотности рабочей  среды детектора, его размеров и  геометрии измерений. В первом приближении  она определяется выражением: , где μ - массовый коэффициент поглощения излучения данного вида и энергии в рабочей среде (см²/г), ρ - плотность среды, l - средняя длина пробега частиц в среде. Приведенное выражение не учитывает факторов конкретной конструкции детектора и условий проникновения излучения в рабочую среду детектора, что немаловажно для низкоэнергетических видов излучений. Эффективность регистрации может иметь средние значения от 0 до 1.

Рис. 10. Эффективность регистрации гамма-квантов

сцинтилляторами NaI(Tl)

На практике понятие эффективности регистрации  используется в узком смысле только энергетической функции вероятности  регистрации данного вида излучения  данным типом детектора, среднее  значение которой определяется как  отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших на входное окно детектора. Расчет практической эффективности регистрации производится по формуле: Э(E) = m/(s×ф(E)), где s - площадь входного окна детектора (для изотропных детекторов - площадь сечения), ф(E) - плотность потока излучения, m - частота актов регистрации выходных сигналов детектора.

Самым проникающим  видом излучения с большой  длиной пробега квантов является гамма-излучение, в связи с чем  для их детектирования используются сцинтилляторы и ППД, эффективность  регистрации которых тем больше, чем больше их плотность, геометрические размеры и эффективный атомный  номер вещества детектора.

На рис. 10 приведены графики спектральной эффективности регистрации гамма-излучения неорганическими сцинтилляторами NaI(Tl) различных размеров. При регистрации низкоэнергетических гамма-квантов (менее 100 кэВ) существенную роль начинает играть поглощение излучения в контейнере детектора и в защитной конструкции блока детектирования, если он не имеет специального входного окна.

Рис. 11. Эффективность регистрации гамма-квантов газонаполненными счетчиками

Эффективность регистрации гамма-излучения  газонаполненными счетчиками в интервале  энергий от 100 кэВ до 3 МэВ не превышает 2% и практически не зависит от размеров счетчиков, а в области  энергий ниже 200 кэВ существенно  зависит от материала корпуса (катода) счетчика, в котором осуществляется конверсия гамма-квантов в электроны. В качестве материала катода обычно используется вольфрам, медь и железо. Пример эффективности регистрации  газонаполненных счетчиков приведен на рис. 11.

Что касается эффективности регистрации бета- и альфа-частиц, то практически для  всех видов детекторов она близка к 100% в связи с малой проникающей  способностью этих видов излучения. Последнее обстоятельство выводит  на первое место по влиянию на эффективность  регистрации фактор поглощения излучения  во входном окне детектора, особенно при регистрации низкоэнергетических  частиц.

Основной  диапазон энергий гамма-излучения  естественных и искусственных радионуклидов 0.1-3 МэВ. Для детектирования излучения  используются детекторы с высокой  плотностью и большим  атомным  номером чувствительной среды, а  именно - сцинтилляционные детекторы  с неорганическими сцинтилляторами  и германиевые ППД.

В заключение отметим, что широкий энергетический диапазон нейтронного излучения  и разнообразие форм взаимодействия нейтронов с различными материалами  позволили обеспечить большое разнообразие детекторов нейтронного излучения. Выше в очень краткой форме  затронуты только наиболее характерные  их виды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. В. В. Сидаренко, Ю. А. Кузнецов, А. А. Оводенко «Детекторы ионизирующих излучений».
2. Ю. К. Акимов, А. И. Калинин, В. Ф. Кушнирук «Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение»

3. В.О.Сергеев "Практикум по ядерной физике"

4. А.П.Цитович//Ядерная электроника//Изд-во Наука, М. 1967
5. В.Е.Левин, Л.П.Хамьянов//Измерение ядерных излучений//Атомиздат, М. 1969
6. В. Прайс//Регистрация ядерного излучения//Издатинлит, 1955
7. А.А.Санин//Электронные приборы ядерной физики//Физматгиз, 1961
8. В.И.Калашников, М.С.Козодаев//Детекторы элементарных частиц//"Наука" М. 1966
9. Ю.А.Будагов и др.//Ионизационные измерения в физике высоких энергий//Атомиздат, 1988
10. Радиоактивные индикаторы: основы метода//Под ред.В.Б.Лукьянова// Из-во «Высшая школа», М. 1985