Принцип действия и устройство
Полупроводниковый детектор — это ключевой прибор в ядерной физике для регистрации ионизирующих излучений. Его сердцевиной является полупроводниковый кристалл. По своему принципу работы он аналогичен ионизационной камере, но с одним фундаментальным отличием: процесс ионизации происходит не в газе, а непосредственно внутри твердого кристалла. По сути, такой детектор представляет собой полупроводниковый диод, находящийся под обратным напряжением около 100 В. В области p-n-перехода формируется так называемый "обедненный" слой — область с крайне низкой концентрацией свободных носителей заряда (электронов и дырок), что придает ей высокое электрическое сопротивление. Когда заряженная частица проникает в этот слой, она генерирует дополнительные электронно-дырочные пары. Под действием приложенного электрического поля эти пары разделяются: электроны и дырки движутся к противоположным электродам, создавая во внешней цепи измеримый электрический импульс, который затем усиливается и обрабатывается.
Спектрометрические возможности и преимущества
Заряд, накапливаемый на электродах детектора, прямо пропорционален энергии, которую потеряла частица в чувствительном слое. Это ключевое свойство позволяет использовать прибор в качестве высокоточного спектрометра, если частица полностью останавливается внутри детектора. Энергия, необходимая для создания одной электронно-дырочной пары в полупроводнике, очень мала. В сочетании с высокой плотностью кристаллического вещества это обеспечивает выдающуюся разрешающую способность — до 0,1% для частиц с энергией 1 МэВ. Эффективность регистрации в таком режиме приближается к 100%. Высокая подвижность носителей тока в кремнии (Si) и германии (Ge) обеспечивает быстрое формирование сигнала (за время порядка 10 наносекунд), что дает устройству отличное временное разрешение.
Историческое развитие и типы детекторов
Первые модели полупроводниковых детекторов, созданные в 1956-1957 годах, использовали сплавные или поверхностно-барьерные p-n-переходы в германии. Они требовали охлаждения для снижения шумов, имели малую глубину чувствительной области и не получили широкого распространения. Прорыв произошел в 1960-х годах с появлением детекторов на основе поверхностно-барьерных переходов в кремнии. Глубина их чувствительной зоны регулируется напряжением смещения. Эти детекторы обладают низким уровнем шума при комнатной температуре и идеально подходят для регистрации короткопробежных частиц и измерения удельных потерь энергии.
Для работы с длиннопробежными частицами в начале 1970-х годов были разработаны детекторы p-i-n-типа. В кристалл кремния p-типа вводится литий (Li). Под действием электрического поля ионы лития дрейфуют в область перехода, компенсируя акцепторные примеси и создавая широкую область собственной проводимости (i-область) глубиной до 5 мм. Такие дрейфовые кремний-литиевые детекторы способны регистрировать протоны с энергией до 25 МэВ, электроны до 2 МэВ, дейтроны до 20 МэВ и другие частицы.
Детекторы для гамма-излучения и современные задачи
Следующий этап развития связан с возвращением к германию, который благодаря большему атомному номеру эффективнее поглощает гамма-излучение. Плоские дрейфовые германий-литиевые детекторы используются для спектрометрии гамма-квантов с энергией до нескольких сотен кэВ. Для регистрации более энергичных квантов (до 10 МэВ) применяются коаксиальные германий-литиевые детекторы с чувствительным объемом до 100 см³. Их эффективность для квантов с энергией менее 1 МэВ составляет около 10%, но падает до 0.1-0.01% при энергиях свыше 10 МэВ.
Для частиц с очень высокой энергией, пробег которых превышает толщину чувствительного слоя, полупроводниковые детекторы позволяют не только зафиксировать факт пролета, но и измерить удельные потери энергии (dE/dx), а в сложных системах — определить координаты частицы.
Ограничения и перспективы
Недостатками полупроводниковых детекторов являются: низкая эффективность для высокоэнергетических гамма-квантов; ухудшение энергетического разрешения при высокой интенсивности потока частиц (более 10⁴ частиц/с); ограниченный срок службы при сильном облучении из-за накопления радиационных дефектов в кристалле. Кроме того, применение сдерживается небольшими размерами доступных монокристаллов высокой чистоты.
Дальнейшее развитие технологии связано с получением "сверхчистых" монокристаллов больших размеров и освоением новых материалов, таких как арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC) и теллурид кадмия (CdTe). Несмотря на некоторые ограничения, полупроводниковые детекторы нашли широчайшее применение не только в фундаментальных исследованиях (физика элементарных частиц, ядерная физика), но и в прикладных областях: химическом анализе, медицинской диагностике, геологии и промышленном контроле.