Полупроводниковые счетчики

В твердых телах, как и в газах, энергия заряженных частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, причем пробег частиц в них в 1000 раз меньше, чем в газе, а плотность ионизации соответственно выше. Поэтому возможно резкое уменьшение размеров ионизационных камер при сохранении или даже увеличении их эффективности путем замены газа в камере твердым наполнителем. Основной проблемой при этом является выбор твердых тел с подходящей электропроводностью. Перспективным оказалось создание детекторов на основе полупроводниковых материалов.

Для использования полупроводника в качестве детектора ионизирующего излучения в нем создают р—п переход, обладающий большим удельным сопротивлением. Пусть имеются две пластины полупроводника: одна с электронной, а другая с дырочной проводимостью, например, n-германия и р-германия. Если эти пластинки привести в тесное соприкосновение, то в местах их соприкосновения начнется диффузия электронов из п-германия в р-германий. Они нейтрализуют часть дырок в тонком граничном слое р-германия и заряжают его отрицательно. Аналогично тонкий граничный слой n-полупроводника заряжается положительно. В результате создается переход, препятствующий дальнейшей диффузии носителей заряда. Такой переход обладает свойствами диода. Если присоединить n-полупроводник к катоду, а р-полупроводник к аноду, то через переход течет ток, а при обратной полярности толщина р—п слоя растет и система не проводит тока.

При подаче напряжения в запорном направлении основное падение потенциала происходит в р—п слое и он ведет себя как конденсатор или ионизационная камера. При прохождении ионизирующей частицы через запорный слой в нем происходит ионизация и образуются свободные носители заряда. Они под действием поля дрейфуют к соответствующим электродам, так как практически все поле в счетчике сосредоточено в области р—п перехода и время собирания зарядов равно времени, необходимому для прохождения только этого слоя. Поскольку толщина последнего лишь 10^-2—10 мм, полупроводниковые счетчики обладают малым разрешающим временем (10^-7—10^-9 с).

Затрата энергии на образование пары электрон—дырка в германии и кремнии (3 эВ) в 10 раз меньше, чем для воздуха; а импульс тока на порядок выше, чем в газонаполненной камере. Это наряду с меньшей продолжительностью импульса обеспечивает его относительно высокую амплитуду, достигающую 2 мВ на 1 МэВ энергии частиц.

Амплитуда импульса пропорциональна числу носителей заряда, образованных частицей, а следовательно, ее энергии, если весь ее пробег укладывается в пределах р—п перехода. Поскольку наибольший пробег среди заряженных частиц имеют электроны (примерно 1 мм на каждый мегаэлектрон-вольт энергии), для спектрометрии электронов и γ-квантов необходимы детекторы с толщиной перехода не менее нескольких миллиметров. Увеличение толщины слоя для γ-квантов необходимо также для повышения эффективности регистрации. Для регистрации и спектрометрии тяжелых частиц достаточна толщина р—п перехода 10 мкм.

Полупроводниковые детекторы подразделяются на поверхностно-барьерные, диффузные и с р—i—п переходом. Рассмотрим лишь первые, получившие широкое применение для регистрации тяжелых частиц, и последние, используемые для регистрации γ-квантов.

Поверхностно-барьерные детекторы обычно изготовляют на основе пластинки n-полупроводника. Для создания электрического контакта на одну из ее плоскостей наносится слой никеля. В атмосфере воздуха тонкий слой на второй стороне пластинки окисляется и приобретает свойства р-полупроводника: возникает р—п переход. На эту поверхность для электрического контакта с р-полупроводником напыляют тонкий слой золота (рис. 5.10, а). Толщина чувствительного слоя в р—п переходе (несколько микрометров) достаточна для спектрометрии тяжелых частиц. Слой золота на поверхности должен быть тонким, чтобы через него свободно проходили регистрируемые ядерные частицы.

Детекторы с р—i—п переходом имеют большую толщину чувствительного слоя, необходимую для регистрации .р-частиц и Y-квантов, которую получают внедрением в один из торцов р-полупроводника лития, обладающего высоким коэффициентом диффузии. Таким образом создают три слоя (рис. 5.10, б). В слое I, куда не проникли атомы лития, сохраняется р-проводимость. Тонкий слой III с преобладанием донора (лития) приобретает свойства n-полупроводника. Наконец, в промежуточном слое II концентрации доноров и акцепторов равны. Этой слой, не имеющий примесной проводимости и обладающий высоким удельным сопротивлением, называют i-слоем. Толщину i-слоя в отдельных случаях удается довести до 8 мм, что достаточно для получения хорошего энергетического разрешения и неплохой эффективности для γ-лучей: 0,7 и 0,2 % для γ-квантов с энергией соответственно 0,663 и 1,333 МэВ. Уже созданы детекторы с чувствительным объемом до 10n см³, т. е. сравнимым с объемом сцинтилляторов, имеющие эффективность до 10 %.

Полупроводниковые детекторы отличаются экономичностью питания, компактностью, нечувствительностью (в отличие от ФЭУ) к магнитному полю, а также амплитудным разрешением в 20— 30 раз лучшим, чем у сцинтилляционных счетчиков. Чтобы повысить эффективность регистрации и долю фотопика в аппаратурном спектре, i-слой должен иметь высокий атомный номер Z. Поэтому р—i—n-детекторы для -γ-излучения изготовляют обычно на базе германия с Z = 32. Однако их широкое применение ограничивается необходимостью охлаждения. При комнатной температуре собственный (темновой) ток детекторов столь велик, что регистрация на его фоне импульсов от ядерных излучений невозможна, поэтому детектор охлаждают жидким азотом. Более того, его и между измерениями необходимо хранить при температуре жидкого азота. Лишь детекторы из сверхчистого германия, требующие охлаждения в процессе работы, могут храниться при комнатной температуре. Сейчас созданы детекторы на базе теллурида кадмия и йодида ртути, работающие при комнатной температуре.