Особенности детекторов из особо чистого германия (ОЧГ)

Детекторы из особо чистого германия (ОЧГ детекторы) являются лучшим решением для точной гамма- и рентгеновской спектроскопии. По сравнению с кремниевыми детекторами германий намного эффективнее кремния для обнаружения излучения из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и более низкой средней энергии, необходимой для создания электронно-дырочной пары, которая составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия. Из-за более высокого атомного номера Ge имеет гораздо больший линейный коэффициент затухания, что приводит к более короткой длине свободного хода. Более того, кремниевые детекторы не могут быть толще нескольких миллиметров. В то же время германий может иметь толщину обедненного чувствительного слоя в сантиметрах. Следовательно, его можно использовать в качестве детектора полного поглощения гамма-луче й с энергией до нескольких МэВ.

До совершенствования существующих методов очистки кристаллы германия не могли быть получены с чистотой, достаточной для их использования в качестве спектроскопических детекторов. Чистота материала детектора имеет первостепенное значение. Сбор электронно-дырочных пар в детекторе должен производиться достаточно быстро. Более того, не должно быть ловушек, препятствующих их попаданию на собирающие контакты. Центры захвата могут быть вызваны:

• Примеси в решетке полупроводника;
• Междоузельные атомы и вакансии в решетке из-за структурных дефектов;
• Межузельные атомы, вызванные радиационным повреждением.

Примеси в кристаллах задерживают электроны и дырки, снижая производительность детекторов. Следовательно, кристаллы германия были легированы ионами лития (Ge (Li)) для создания внутренней области, в которой электроны и дырки могли достигать контактов и генерировать сигнал.

Для достижения максимальной эффективности детекторы ОЧГ должны работать при очень низких температурах жидкого азота (-196 ° C), поскольку шум, вызванный тепловым возбуждением, очень высок при комнатных температурах.

Поскольку детекторы ОЧГ обеспечивают наивысшее из доступных на сегодняшний день разрешений, они используются для измерения радиации в различных областях применения, включая мониторинг персонала и окружающей среды на предмет радиоактивного загрязнения, медицинское применение, радиометрический анализ, ядерную безопасность и безопасность атомных станций.

Конструкция детекторов ОЧГ

Основным недостатком германиевых детекторов является то, что их необходимо охлаждать до температуры жидкого азота. Поскольку германий имеет относительно низкую запрещенную зону, эти детекторы необходимо охлаждать, чтобы снизить тепловыделение носителей заряда до приемлемого уровня. В противном случае шум, вызванный током утечки, снижает энергетическое разрешение детектора. Напомним, что ширина запрещенной зоны (расстояние между валентной зоной и зоной проводимости) у германия очень низкая (Egap = 0,67 эВ). Охлаждение до температуры жидкого азота (-195.8 ° C; -320 ° F) снижает тепловое возбуждение валентных электронов, так что только взаимодействие с гамма-излучением может дать электрону энергию, необходимую для пересечения запрещенной зоны и достижения зоны проводимости.

Поэтому детекторы ОЧГ обычно оснащаются криостатом. Кристаллы германия хранятся в вакуумированном металлическом контейнере, называемом держателем детектора. Держатель детектора и "заглушка” тонкие, чтобы избежать ослабления фотонов низкой энергии. Держатель обычно изготавливается из алюминия и обычно имеет толщину 1 мм. Торцевая крышка также обычно изготавливается из алюминия. Кристалл ОЧГ внутри держателя находится в тепловом контакте с металлическим стержнем, называемым холодным пальцем. Холодный палец передает тепло от узла детектора в резервуар с жидким азотом (LN2). Комбинация вакуумного металлического контейнера, холодного пальца и колбы Дьюара для криогена с жидким азотом называется криостатом. Предварительный усилитель с германиевым детектором обычно входит в комплект поставки криостата. Поскольку предусилитель должен располагаться как можно ближе друг к другу, чтобы свести к минимуму общую емкость, предусилитель устанавливается вместе. Входные каскады предусилителя также охлаждаются. Холодный палец выходит за пределы вакуума криостата в колбу Дьюара, заполненную жидким азотом. Погружение холодного пальца в жидкий азот поддерживает постоянную низкую температуру кристалла ОЧГ. Температура жидкого азота поддерживается постоянной на уровне 77 К (-195,8 ° C; -320 ° F) за счет медленного кипения жидкости, что приводит к выделению газообразного азота. В зависимости от размера и конструкции, время выдержки вакуумных колб колеблется от нескольких часов до нескольких недель.

Охлаждение жидким азотом неудобно, так как детектору требуется несколько часов для охлаждения до рабочей температуры, прежде чем его можно будет использовать, и нельзя допускать разогрева во время использования. Детекторам ОЧГ можно разрешить прогреваться до комнатной температуры, когда они не используются. Следует отметить, что кристаллам Ge (Li) ни в коем случае нельзя позволять нагреваться, поскольку литий будет вытекать из кристалла, разрушая детектор.

Стали доступны коммерческие системы, использующие передовые технологии охлаждения (например, импульсный трубчатый охладитель) для устранения необходимости охлаждения жидким азотом. Эта система охлаждения представляет собой криостат с электрическим приводом, полностью не содержащий LN2.

Принцип действия ОЧГ детекторов

Работа полупроводниковых детекторов кратко описана в следующих пунктах:

• Ионизирующее излучение проникает в чувствительный объем (кристалл германия) детектора и взаимодействует с полупроводниковым материалом;
• Фотон высокой энергии, проходящий через детектор, ионизирует атомы полупроводника, образуя электронно-дырочные пары. Количество электронно-дырочных пар пропорционально энергии излучения полупроводника. В результате много электронов переносится из валентной зоны в зону проводимости, и в валентной зоне образуется равное количество дырок;
• Поскольку германий может иметь обедненную чувствительную толщину в сантиметрах, он может полностью поглощать фотоны высокой энергии (до нескольких МэВ);
• Под воздействием электрического поля электроны и дырки движутся к электродам, в результате чего возникает импульс, который можно измерить во внешней цепи;
• Этот импульс несет информацию об энергии исходного падающего излучения. Количество таких импульсов в единицу времени также дает информацию об интенсивности излучения.

Во всех случаях фотон выделяет часть своей энергии на своем пути и может быть поглощен полностью. При полном поглощении фотона с энергией 1 МэВ образуется около 3 × 105 электронно-дырочных пар. Это значение незначительно по сравнению с общим количеством свободных носителей в собственном полупроводнике объемом 1 см3. Частица, проходящая через детектор, ионизирует атомы полупроводника, образуя электронно-дырочные пары. Но в детекторах на основе германия при комнатной температуре преобладает тепловое возбуждение. Это вызвано примесями, неравномерностью структурной решетки или легирующей примесью. Это сильно зависит от Egap (расстояния между валентной зоной и зоной проводимости), которое для германия очень низкое (Egap = 0,67 эВ). Поскольку тепловое возбуждение приводит к появлению шума в детекторе, для некоторых типов полупроводников (например, германия) требуется активное охлаждение.

Обратите внимание, что образец чистого германия объемом 1 см3 при 20 ° C содержит около 4,2 × 1022 атомов, но также содержит около 2,5 × 1013 свободных электронов и 2,5 × 1013 дырок, постоянно генерируемых за счет тепловой энергии. Как можно видеть, отношение сигнал / шум (S / N) было бы минимальным (сравните его с 3 × 105 электронно-дырочными парами). Добавление 0,001% мышьяка (примеси) приводит к выделению дополнительных 1017 свободных электронов в том же объеме, а электропроводность увеличивается в 10 000 раз. Отношение сигнал / шум (S / N) в легированном материале было бы еще меньше. Поскольку германий имеет относительно низкую запрещенную зону, эти детекторы необходимо охлаждать, чтобы снизить тепловыделение носителей заряда (таким образом, обратный ток утечки) до приемлемого уровня. В противном случае шум, вызванный током утечки, снижает энергетическое разрешение детектора.

Свойства германия – полупроводниковых детекторов

Существует множество природных полупроводников и других, синтезируемых в лабораториях; однако наиболее известны кремний (Si) и германий (Ge). Германий обладает следующими свойствами:

• Германий - химический элемент с атомным номером 32, что означает, что в атомной структуре 32 протона и 32 электрона. Химический символ германия - Ge. Германий - блестящий, твердый серовато-белый металлоид из группы углерода, химически сходный с соседними оловом и кремнием. Чистый германий - это полупроводник, внешне похожий на элементарный кремний.

• Германий более эффективен, чем кремний, для обнаружения излучения из-за того, что его атомный номер намного выше, чем у кремния, и более низкой средней энергии, необходимой для создания электронно-дырочной пары, которая составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия. Это обеспечивает последнему лучшее разрешение по энергии.
• FWHM для германиевых детекторов зависит от энергии. Для фотона с энергией 1,3 МэВ FWHM составляет 2,1 кэВ, что очень мало.
• С другой стороны, германий имеет малую энергию запрещенной зоны (Egap = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах. При комнатных температурах шум, вызванный тепловым возбуждением, очень высок.
• Средняя энергия образования электронно-дырочной пары составляет 2,9 эВ. Это значение примерно в 10 раз ниже энергии ионизации газов, используемых в газовых камерах, дрейфовых камерах и т.д. И это приводит к массовому созданию носителей заряда.

• Германий имеет высокую плотность 5.323 г / см3, что также увеличивает средние потери энергии на единицу длины.
• Детекторы обладают механической жесткостью, поэтому никаких специальных опорных конструкций не требуется.

Переход с обратным смещением

Полупроводниковый детектор работает намного лучше как детектор излучения, если на переход подается внешнее напряжение в направлении обратного смещения. Область обеднения будет функционировать как детектор излучения. Улучшение может быть достигнуто путем использования напряжения обратного смещения на P-N переходе для истощения детектора свободных носителей заряда, что является принципом работы большинства полупроводниковых детекторов. Обратное смещение перехода увеличивает толщину области обеднения, поскольку увеличивается разность потенциалов на переходе. Германиевые детекторы имеют p-i-n структуру, в которой собственная область (i) чувствительна к ионизирующему излучению, особенно к рентгеновским и гамма-лучам. При обратном смещении электрическое поле распространяется по собственной или обедненной области. В этом случае отрицательное напряжение подается на сторону p, а положительное - на вторую. Дырки в p-области притягиваются от перехода к p-контакту и аналогично для электронов и n-контакта. Пропорционально энергии, вносимой в детектор входящим фотоном, этот заряд преобразуется в импульс напряжения встроенным чувствительным к заряду предусилителем.

Применение германиевых детекторов – гамма-спектроскопия

Как было написано, изучение и анализ спектров гамма-излучения для научного и технического использования называются гамма-спектроскопией. Гамма-спектрометры - это инструменты, которые наблюдают и собирают такие данные. Гамма-спектрометр (GRS) - это сложное устройство для измерения распределения энергии гамма-излучения. Для измерения гамма-излучения с энергией выше нескольких сотен кэВ наиболее важны две категории детекторов: неорганические сцинтилляторы, такие как NaI (Tl), и полупроводниковые детекторы. В предыдущих статьях мы описывали гамма-спектроскопию с использованием сцинтилляционного детектора, который состоит из подходящего кристалла-сцинтиллятора, трубки фотоумножителя и схемы для измерения высоты импульсов, генерируемых фотоумножителем. Преимуществами сцинтилляционного счетчика являются его эффективность (большой размер и высокая плотность) и возможная высокая точность и скорость счета. Из-за высокого атомного номера йода большое количество всех взаимодействий приведет к полному поглощению энергии гамма-излучения, так что доля фотонов будет высокой.

Но если требуется идеальное энергетическое разрешение, мы должны использовать детектор на основе германия, такой как детектор ОЧГ. Полупроводниковые детекторы на основе германия чаще всего используются там, где требуется очень хорошее энергетическое разрешение, особенно для гамма-спектроскопии, а также рентгеновской спектроскопии. В гамма-спектроскопии предпочтение отдается германию, поскольку его атомный номер намного выше, чем у кремния, что увеличивает вероятность взаимодействия с гамма-излучением. Более того, германий обладает меньшей средней энергией, необходимой для создания электронно-дырочной пары, которая составляет 3,6 эВ для кремния и 2,9 эВ для германия. Это также обеспечивает последнему лучшее разрешение по энергии. FWHM (полная ширина при половинном максимуме) для германиевых детекторов является энергетической функцией. Для фотона с энергией 1,3 МэВ FWHM составляет 2,1 кэВ, что очень мало.