Область непрерывного разряда.
Существование разряда в этой области не связано с ионизацией в чувствительном объеме
детектора, а определяется напряжением, приложенным к его электродам.
Использование детекторов для регистрации ионизирующих излучений в данной области
вольтамперной характеристики невозможно.
Рассмотрим подробно счетчики Гейгера-Мюллера.
Счетчиком Гейгера-Мюллера можно считать число ионизирующих частиц, не
идентифицируя их природы, т.е импульсы, созданные - и -частицами будут идентичными.
Нечувствительность счетчика к новым ионизирующим частицам в период протекания
через него тока разряда, а также необходимость скорейшего его возврата в рабочее состояние,
приводит к введению в схему элементов, предназначенных для гашения самостоятельного
разряда после того, как он будет зарегистрирован.
Различают внешнее и внутреннее гашение.
При внутреннем гашении прерывание самостоятельного разряда достигается за счет
изменения внутреннего механизма разряда, такие счетчики называют самогасящимися.
Под действием ионизирующего излучения в счетчиках возникает непрерывный заряд,
обусловленный вырыванием фотоэлектронов из катода ультрафиолетовым излучением
Источниками ультрафиолетового излучения являются возбужденные атомы и молекулы ,
образующиеся в процессе прохождения в детекторе газового разряда.
Для гашения самостоятельного разряда в газоразрядный промежуток вводится
специально подобранная смесь газов, поглощающая фотоны ультрафиолетового света. Такими
добавками могут быть пары многоатомных органических газов (этиловый спирт, метан, ацетон
и др ) либо галогенов (бром, хлор и др).
Недостатками самогасящихся счетчиков с органическими добавками являются
постепенное разложение добавок на более простые соединения, которые, как правило, не
обладают гасящими свойствами, а также высокое рабочее напряжение (около 1000 — 1500 В).
Преимуществами галогенных самогасящихся счетчиков являются:
• практически неограниченный срок службы;
• низкое рабочее напряжение (300 — 500 В);
• широкий температурный диапазон работоспособности (от - 40° С до +60° С);
• большое количество электричества в каждом акте разряда (более простая электрическая
схема),
Недостатками галогенных самогасящихся счетчиков являются:
• большое время развития разряда (10-5 сек против 10-7) у высоковольтных
самогасящихся счетчиков с органическими добавками;
• необходимость использования относительно толстых стенок корпуса и катода из
коррозийно-стойкого материала.
При внешнем гашении прерывание самостоятельного разряда достигается за счет
специальной гасящей радиотехнической схемы, понижающей напряжение, приложенное к
электродам счетчиков до значений, при которых существование самостоятельного разряда
невозможно. Такие счетчики получили название несамогасящиеся. Наибольшее
распространение получили все-таки самогасящиеся счетчики (в первую очередь за счет
своего быстродействия). Эффективность регистрации - или -частиц, попавших в
чувствительный объем счетчика, составляет практически 100 %. В действительности же эти
частицы должны проникнуть в чувствительный объем через стенку датчика, что существенно
снижает эффективность их регистрации. С целью уменьшения поглощения излучения в стенках
счетчика используют торцевые счетчики с тонким входным окном, эффективность регистрации
для таких счетчиков составляет 80 — 100 %.
Эффективность регистрации -квантов с помощью счетчика Гейгера-Мюллера крайне
мала, что связано с малой толщиной стенки, и следовательно с малой вероятностью образования
вторичных электронов, которые вызывают ионизацию в чувствительном объеме счетчика.
В случае увеличения толщины стенки до размеров превышающих пробег электрона в веществе
стенки, вновь образованные электроны не будут достигать чувствительного объема. В
целом эффективность регистрации -квантов при помощи счетчиков Гейгера-Мюллера не
превышает 1— 3 %.
У газоразрядных счетчиков наблюдается значительная зависимость эффективности
регистрации от энергии падающего -излучения. Даже с использованием сглаживающих
фильтров (фильтров, поглощающих -излучение определенной энергии) ход с жесткостью
составляет ± 25 %.
Формирование импульса напряжения газоразрядного счетчика.Под действием
ионизирующего излучения в газоразрядном счетчике возникает ионизационный ток (рис. 7.6).
Этот ток заряжает конденсатор. Через некоторое время конденсатор начинает разряжаться,
и разрядный ток проходит через нагрузочное сопротивление, вызывая на нем
кратковременное падение напряжения — импульс напряжения. Слабый импульс напряжения
после усиления поступает на преобразующее, а затем на регистрирующее устройство.
Параметры газоразрядных счетчиков. Газоразрядные счетчики характеризуются
следующими параметрами, счетная характеристика, фон счетчика, разрешающая способность,
эффективность, ход с жесткостью и срок службы счетчика.
Рис.7.6. Устройство и схема включения газоразрядного счетчика:
1 — стеклянный баллон (корпус),
2 — металлическая нить (анод),
3 — металлический цилиндр или металлизированное покрытие (катод)
Счетная характеристика счетчика представляет собой зависимость скорости счета от
напряжения на счетчике при постоянной интенсивности излучения и определенном пороге
дискриминации регистрирующего устройства Порог чувствительности обычно соответствует
началу области Гейгера Uг. Счетная характеристика имеет участок 100 — 300 В, на котором
скорость счета почти не изменяется с напряжением на счетчике (рис.7.7). Рабочее напряжение
счетчика выбирают в середине или в первой трети горизонтального участка (плато) Плато
счетчика имеет некоторый подъем (наклон), обусловленный появлением ложных импульсов.
Наклон плато — относительное возрастание скорости счета при увеличении напряжения
на 1 В равно
(7.17)
где: нп — скорость счета в начале плато; кп — скорость счета в конце плато;
U — протяженность плато в вольтах. У большинства типов счетчиков наклон плато не
превышает 0,1 — 0,15 %.
Рис 7.7. Счетная характеристика счетчика:
Uн с — напряжение начала счета,
Uнп — напряжение в начале плато,
Uраб — рабочее напряжение,
Uкп — напряжение в конце плато
Фон счетчика ф — средняя скорость счета счетчика при рабочем напряжении в
отсутствие ионизирующего излучения. Фон счетчика в основном обусловлен космическим
излучением, радионуклидами, входящими в материал счетчика (40K, 14C и др.), его
загрязнением и ложными импульсами. Фон счетчика от космического излучения обычно
равен 2 — 3 имп./мин на 1 см2 поверхности трубки. Для уменьшения фона от космического
излучения счетчики помещают в массивные (свинцовые, стальные, ртутные)
светонепроницаемые экраны.
Разрешающая способность счетчика — это время, через которое счетчик может
зарегистрировать следующую частицу. В результате внутренних процессов на некоторое
время после регистрации частицы счетчик становится нечувствителен к очередной попадающей
в него частице. Это время принято называть мертвым временем счетчика. Мертвое время
счетчика приводит к просчетам, которые необходимо учитывать введением соответственных
поправок. Истинная скорость счета N0 при N tM < 1 может быть определена из соотношения
N0 = N/(l-NtM), (7.18)
где N — экспериментальная скорость счета; tM — мертвое время.
Эффективность счетчика — отношение числа частиц, вызвавших импульс (n1), к
общему числу частиц (n2), попавших в счетчик в единицу времени:
= (n1/n2)100%. (7.19)
Эффективность газоразрядных счетчиков может быть от долей процента до 100%.
Эффективность 100% означает, что счетчик на каждую влетевшую частицу выдает один
импульс. Такую эффективность имеют некоторые -счетчики. Эффективность
газоразрядных счетчиков к -излучению~ 1-3%. Эффективность зависит от конструкции,
материала счетчика и энергии излучения.
Ход с жесткостью. Установим связь между скоростью счета и мощностью поглощенной
дозы для счетчика, который используется для дозиметрии фотонного излучения. Выразим
через и E соответственно плотность потока фотонов и плотность потока энергии фотонов.
Тогда мощность поглощенной дозы
Р= en,mE = en,m Е· = en,m ·Е(ncч/ сч), (7.20)
где E — средняя энергия фотонов; en,m — массовый коэффициент поглощения энергии
фотонов в воздухе; ncч — число разрядов в счетчике за 1 с, отнесенное к единице поверхности
счетчика; сч —эффективность счетчика.
Преобразовав (7.20) к виду
ncч/Р= сч/(en,mЕ),
(7.21)
получим выражение для энергетической зависимости чувствительности счетчика (ход с
жесткостью). В дозиметрии фотонного излучения с помощью газоразрядных счетчиков
зависимость их чувствительности от энергии играет большую роль и, по существу, определяет
их пригодность для этого. Полностью избавиться от хода с жесткостью не представляется
возможным, однако использование специально подобранных многослойных фильтров
позволяет добиться практически постоянной чувствительности по плотности потока энергии
некоторых счетчиков в диапазоне энергий фотонов 0,09 — 2,5 МэВ.
Срок службы счетчика определяется общим числом зарегистрированных частиц без
существенных изменений параметров счетчика. Например, срок службы высоковольтных
счетчиков — порядка 109—1010 импульсов. Несамогасящие и галогенные счетчики
характеризуются более длительным сроком службы.
Определение активности радионуклида на регистрирующих установках. Существуют
два основных метода измерения активности радионуклида на регистрирующих установках:
относительный и абсолютный.
Сущность относительного метода измерения активности радионуклида состоит в
сравнении скорости счета от источника с известной активностью, со скоростью счета от
источника с неизвестной активностью. Активность радионуклида определяется по формуле
Ax = Aизв. Nx/ Nизв, (7.22)
где Aизв — активность источника; Nx и Nизв — скорости счета соответственно от источника с
неизвестной и известной активностью.
Для определения активности радионуклидов относительным методом необходимо иметь
большой набор источников, различающихся по активности, изотопному и химическому составу.
При относительном методе определения активности вносятся поправки на разрешающее
время и фон. Относительный метод прост и точен, но может иметь большую погрешность
измерений из-за неэквивалентности сравниваемых источников.
Сущность абсолютного метода измерения активности сводится к определению
полной (4) активности источника. Активность источника рассчитывается как произведение
измеренной скорости счета N от источника на ряд поправочных коэффициентов:
A=Kі.N, (7.23)
где Кі — суммарный поправочный моэффициент, или иначе, цена одного деления в импульсах.
Для регистрации нейтронов используют ионизацию, возникающую в результате ядерных
реакций или упругих соударений с нейтронами. Для регистрации медленных нейтронов
применяют счетчики с борными наполнителями (типа BF3), а для регистрации быстрых
нейтронов — с органическими наполнителями. Так как детектирование нейтронов, как
правило, ведется при наличии высокого -излучения, которое вызывает ионизацию
Чувствительного объема вторичными электронами, (и следовательно ионизация меньше, чем
от атомных ядер и протонов, образующихся при ядерных реакциях), то для регистрации
нейтронов используют газоразрядные счетчики, работающие в пропорциональном режиме.
Основная задача в дозиметрии — определение поглощенной энергии в жизненно важных
тканях организма человека. Так как эффективный атомный номер этих тканей эф = 7,42
близок к эффективному атомному номеру воздуха эф = 7,64, то можно определять
поглощенную энергию в тканях организма человека по результатам измерения ионизации,
создаваемой рассматриваемым излучением воздухе.
Установим связь между током насыщения в ионизационной камере и мощностью
поглощенной дозы в воздухе. В соответствии с (7.12) при электронном равновесии
ЕВ = еn,В.Еz/en,Z, (7.24)
где — энергия, поглощаемая в единицу временив единице объема воздуха при нормальных
условиях в месте расположения камеры.
На основании формулы Брэгга-Грея [формула (7.9)] с учетом (7.24) и соотношения
ін = q· V·e [формула (7.15 )], где q = N и используя соответствующие коэффициенты поглощения
энергии, рассчитанные на электрон, получим следующее соотношение между мощностью
поглощенной дозы в воздухе P и током насыщения в ионизационной камере:
(7.25)
где а — постоянный коэффициент, учитывающий размерность величин.
Для чувствительности камеры получим отсюда следующее выражение:
(7.26)
Если эффективный атомный номер материала стенок камеры равен эффективному атомному
номеру воздуха, то en,э,Z/еn,э,В = 1. ·
Для камер с твердыми воздухоэквивалентными стенками можно считать также,
что Sэ,в/Sэ,Z = 1. Тогда чувствительность ионизационных камер с воздухоэквивалентными
стенками равна е · V/(а·) и не зависит от энергии фотонов. Коэффициент а определяется из
условия, что при мощности поглощенной дозы 1 Гр/с заряд, образующийся в 1 см3 камеры
за 1 с, равен
3,8·10-8Кл/(с·см3). (7.27)
Отсюда
iн = 3,8 ·10-8·V·P. =2,6·107·iн/V, (7.28)
где P — мощность поглощенной дозы в воздухе, Гр/с; iH — ток насыщения в камере,
наполненной воздухом при температуре 0 0C и давлении 1013 гПа (760 мм рт.ст.), А;
V — объем камеры, см3. Если ток насыщения измеряется при температуре t 0C и
давлении р0, гПа, то
(7.29)
При регистрации отдельных 
частиц ионизационными камерами амплитуду импульса
напряжения, поступающего на вход усилителя, определяют по формуле
U=e.N/C.
(7.30)
где е — заряд электрона; N — число пар ионов, образованных за единицу времени в
единице объема газа; С — электрическая емкость камеры.
СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД
Название данного метода указывает, что в его основу положено явление сцинтилляции.
Некоторые вещества (сцинтилляторы) обладают той особенностью, что процесс
прохождения через них ионизирующих излучений сопровождается слабыми световыми
вспышками, которые могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой
светочувствительностью.
Физическая основа спинтилляционного метода — возбуждение и ионизация атомов и
молекул вещества при прохождении через него заряженных частиц. Через определенное
время они переходят в основное состояние, испуская световое излучение, спектр которого
зависит от структуры энергетических уровней атомов и молекул вещества. Вспышка света
может произойти и при прохождении через сцинтиллятор косвенно ионизирующего
излучения за счет вторичных частиц. При прохождении фотонов это электроны отдачи и
фотоэлектроны, а при прохождении нейтронов это ядра отдачи или заряженные частицы,
появившиеся в результате (n, )-, (n,р)-реакций и т.д.
Рассмотрим механизм высвечивания неорганического сцинтиллятора. Свечение связано с
существованием центров люминесценции, обусловленных наличием каких-либо примесей.
Рис. 7.8. Механизм высвечивания неорганического сцинтиллятора.
1 — переход электрона из валентной зоны в зону проводимости,
2 — захват дырки центром люминесценции,
3 — рекомбинация электрона с дыркой на центре люминесценции,
4 — возбуждение центра люминесценции,
5 — излучательный переход в основное состояние
Для объяснения протекающих процессов воспользуемся зонной моделью энергетических
уровней электронов в кристалле. Электроны в изолированных атомах могут иметь лишь
некоторые дискретные значения энергии. В результате существования химических связей
между атомами в кристалле, каждый энергетический уровень электрона расщепляется в
непрерывный набор разрешенных уровней, называемый зоной. Совокупность разрешенных
энергетических уровней для свободных электронов называется зоной проводимости, а для
электронов, которые участвуют в образовании валентных связей между атомами
кристалла, — валентной зоной. Для перевода электрона из связанного состояния в валентной
зоне в свободное состояние в зоне проводимости необходимо передать ему энергию, равную
энергии валентной связи. Эта энергия определяет ширину запрещенной зоны, разделяющей
зону валентных уровней и зону проводимости. Запрещенная зона не содержит электронных
энергетических уровней, если в кристалле отсутствуют примеси и дефекты структуры.
Под воздействием ионизирующего излучения происходит переход электрона из
"валентной зоны" "в зону проводимости". Дырка, или вакансия, которая образуется при
этом, переходит из "валентной зоны" в "запрещенную зону" на уровень L и становится
центром высвечивания (люминесценции). Электрон притягивается избыточным
положительным зарядом и рекомбинирует с дыркой. Центр люминесценции переходит в
возбужденное состояние, которое снимается излучением светового фотона.
Высвечивание органических сцинтилляторов объясняется внутримолекулярными
процессами возбуждения одной из химических связей с последующим снятием возбуждения
излучением светового фотона.
Сцинтиляторы характеризуются следующими параметрами:
• сцинтилляционной конверсионной эффективностью;
• световым выходом;
• временем высвечивания;
• прозрачностью к собственному излучению.
Конверсионная эффективность —отношение энергии световых фотонов Ефк энергии
заряженной частицы En, поглощенной в сцинтилляторе (та часть поглощенной в сцинтилляторе
энергии ионизующего излучения, которая преобразовалась в энергию световой вспышки);
=Еф/Еn. (7.31)
Значение зависит от типа сцинтиллятора и изменяется в пределах от 0,01 до 0,3.
Из соотношения (7.31) можно определить число фотонов nф, испущенных спинтиллятором:
nф =к En/E, (7.32)
где E — средняя энергия фотона.
Световой выход — отношение числа фотонов световой вспышки к энергии
ионизирующего излучения, поглощенной в сцинтилляторе:
=nф/En= к/E. (7·33)
Время высвечивания — среднее время жизни, которым характеризуются возбужденные
состояния атомов. Это время характерно для каждого сцинтиллятора и колеблется в
пределах 10-9— 10-5 с. Временное распределение фотонов подчиняется экспоненциальному
закону
n=[n0.exp(-t/)]/, (7.34)
где n — число фотонов, испускаемых в единицу времени. Постоянная времени
высвечивания характеризует время, необходимое для уменьшения максимального
количества испускаемых фотонов в е раз.
Различают органические и неорганические сцинтилляторы. Органические сцинтилпяторы
представляют собой монокристаллы некоторых органических соединений — антрацена,
стильбена. нафталина, толана. Содержание водорода в органических сцинтилляторах позволяет
использовать их для регистрации быстрых нейтронов. Антрацен обладает наибольшей
конверсионной эффективностью ( ~ 0,04) среди всех органических кристаллов, но очень
чувствителен к резким изменениям температуры, которые приводят к потере
сцинтилляционных свойств.
Более устойчивым монокристаллом является стильбен, который широко используется
для регистрации быстрых нейтронов. Стильбен удобен также при использовании в аппаратуре
разделения при регистрации частиц разных типов. Он обладает очень малым временем
высвечивания быстрой компоненты ( ~ 6 · 10-9 с) и относительно высокой конверсионной
эффективностью ( ~ 0,02).
При детектировании тяжелых частиц, органические сцинтилляторы имеют низкий и
нелинейный (в зависимости от энергии) световой выход.
Существуют также жидкие и пластические органические сцинтилляторы. В
сцинтиллирующих пластмассах некоторые органические вещества образуют твердые растворы
в полистироле (например, терфенил в полистироле С18 H14 ). Пластмассовые органические
сцинтилляторы состоят из растворителя, активаторов и сместителя спектра. Высокая
прозрачность материалов позволяет изготовить детекторы больших размеров.
Пластмассовые сцинтилляторы хорошо обрабатываются механически. Конверсионная
эффективность пластмассовых сцинтилляторов 0.05 — 0,5 относительно антрацена, время
высвечивания (2 — 8)·10-9 с. При понижении температуры люминесцентные свойства
пластмассовых сцинтилляторов улучшаются.
Жидкие сцинтилляторы явпяются растворами некоторых органических веществ, например
паратерфенила, в органических растворителях — толуоле, ксилоле и др. Жидкие органические
сцинтилляторы подразделяются на двухкомпонентные (раствор и активатор) и
многокомпонентные (раствор, активатор и сместитель спектра). Световой выход у жидких
сцинтилляторов меньше, чем у органических кристаллов. Он составляет от 0,04 до 0,4
относительно светового выхода антрацена; конверсионная эффективность относительно
антрацена та же, что и у пластиковых сцинтилляторов, время высвечивания меньше, чем у
антрацена и составляет 10-9с. Жидкие сцинтилляторы позволяют изготавливать детекторы
больших размеров, имеют хорошую прозрачность, просты и дешевы, пригодны для
регистрации всех видов излучений в геометрии 4. Для регистрации тепловых нейтронов в
раствор вводят соединения бора, кадмия, гадолиния и др.
Жидкие и пластмассовые сцинтилляторы имеют ряд существенных достоинств возможно
приготовление сцинтилляторов очень большого объема, введение в них радиоактивных
веществ, что особенно ценно при измерениях мягких -излучателей (Н3, С14, S35).
Неорганические сцинтилляторы, применяемые для детектирования и спектрометрии
ионизирующего излучения, можно разделить на три группы: сульфиды (ZnS,
активированные серебром или медью; CdS, активированные серебром); галогениды щелочных
металлов (NaI, CsI, LiI, активированные таллием; CaL2, LiI, активированные европием, CsF —
неактивированный) и вольфраматы (CaWO4, CdWO4). При выращивании кристаллов в
большинство из них вводятся специальные примеси (активаторы), которые увеличивают
плотность центров люминесценции. В таблице 7.1 даны характеристики некоторых
неорганических кристаллических сцинтилляторов.
Таблица 7.1.
Характеристики некоторых неорганических сцинтилляторов
| Материал | Длина волны при максимуме испускания, нм | Постоянная спада, мкс | Плотность, г/см3 | Гигроскопич ность | Сцинтилляционая эффективность, % |
| NaI(Tl) | 0,23 | 3,67 | Да | ||
| CsI(Na) | 0,63 | 4,51 | Да | ||
| CsI(Tl) | 1,00 | 4,51 | нет | ||
| 6LiI(Eu) | 470- 485 | 1,40 | 4,08 | Да | |
| CaF2(Eu) | 0,94 | 3,19 | нет | ||
| BaF2 | 0,63 | 4.88 | нет | ||
| CsF | 0,005 | 4,64 | Да | 3-5 | |
| Bi4Ge3O12 | 0,30 | 7,13 | нет | ||
| ZnWO4 | 5,0 | 7,87 | нет | ||
| CdWO4 | 5,0 | 7,90 | нет |
В настоящее время в большинстве сцинтилляционных счетчиков используется йодистый
натрий, активированный таллием. Химическая формула записывается как NaI(Tl). Добавки
таллия позволяют увеличить световыход кристаллов при комнатной температуре. Когда
при потерях энергии фотонов образовътаются фотоэлектроны, комптоновские электроны и
электронно-позитронные пары, то в фосфоре они преобразуются в световую вспышку с
длительностью около четверти микросекунды. Световые фотоны находятся в голубой
области оптического спектра (длина волны около 4100 ангстрем или 410 нанометров). Из-за
малого времени формирования вспышки счетчик может работать при больших скоростях
счета. Интенсивность световой вспышки прямо пропорциональна энергии, потерянной
фотоном в кристалле. Кристаллы NaI(TI) почти исключительно используются для регистрации
гамма-излучения. Основная причина — его гигроскопичность. Кристалл поглощает влагу
из окружающего пространства. Незащищенный кристалл NaI, оставленный на неделю без
соответственной упаковки, разрушится, превратившись в мелкий порошок. Это означает,
что кристалл должен быть всегда в герметичной упаковке, предотвращающей его контакт с
содержащим влагу окружающим воздухом. Преимущественно кристаллы упаковываются в
алюминиевый стакан, покрытый изнутри светоотражающим составом. Кристалл NaI(Tl)
плотно помещается в стакан и закрывается стеклянным или кварцевым окном (рис 7.9).
Металлический контейнер эффективно защищает кристалл от попадания в него - или
-частиц.
Рис 7.9 Упакованный кристалл NaI(Tl).
Для того, чтобы получить спинтилляционный детектор, упакованный кристалл
соединяется оптически с входным окном фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) —
электронного прибора, преобразующего слабые световые вспышки в большой электрический
сигнал. Работа ФЭУ поясняется на чертеже, показанном на рис.7. 10. Световые фотоны из
сцинтиллятора (1) через светопровод попадают во входное окно ФЭУ. Внутренняя
поверхность входного окна, покрыта материалом, который испускает электроны при
попадании в него световых фотонов, называется фотокатодом. Электроны из фотокатода (2)
через фокусирующую диафрагму (3) притягиваются к металлическим элементам (4),
называемым динодами, благодаря приложенной снаружи разности потенциалов. Каждый
ускоренный электрон, тормозясь в диноде, выбивает из него несколько вторичных электронов,
которые благодаря специальной геометрии динода направляются на последующий динод
Рис 7 10 Принципиальная схема сцинтилляционного детектора
1. Сцинтиллятор
2. Фотокатод ФЭУ
3. Фокусирующая диафрагма
4. Диноды
5. Анод ФЭУ
6. Делитель напряжения
7. Выходное сопротивление
8. Усилитель
9. Пересчетный прибор
Поток электронов собирается на последнем диноде, называемом анодом (5). Питание
ФЭУ осуществляется с помощью источника стабилизированного высокого напряжения с
делителем (6). В цепь анода включается сопротивление нагрузки (7), на котором формируется
импульс напряжения.
Количественной характеристикой процесса умножения электронов является коэффициент
вторичной электронной эмиссии равный отношению числа выбитых из динода электронов
к числу электронов падающих на его поверхность. Он зависит от материала и состояния
поверхности динода, от энергии и угла падения электронов и может принимать значение
от 5 до10. Если в ФЭУ имеется n динодов, для каждого из которых коэффициент вторичной
электронной эмиссии , то коэффициент умножения ФЭУ определяется из соотношения
n
M = .i. i, (7.35)
i=1
где i — коэффициент, определяющий долю электронов попадающих с одного динода на
другой. В фотоумножителях обычно имеется от 10 до 14 динодов и таким образом полное
усиление (коэффициент усиления) может достигать 106.
В зависимости от измеряемой величины (среднее значение анодного тока или скорость
счета импульсов тока) различают токовый и счетный режимы сцинтилляционного детектора.
Токовый режим сцинтилляционного счетчика. Рассмотрим зависимость анодного
тока iф от мощности дозы при регистрации фотонного излучения. Средний ток на аноде ФЭУ
можно рассчитать, используя формулу (7.32), из соотношения
(7.36)
где e — заряд электрона, g — число фотоэлектронов на один испущенный световой фотон,
M — коэффициент усиления ФЭУ
Пусть на торцовую поверхность цилиндрического сцинтиллятора с площадью торца S
и высотой h нормально падает пучок фотонов. Тогда поглощенная в единицу времени энергия
En в сцинтилляторе
(7.37)
где en — линейный коэффициент поглощения энергии фотонов в веществе сцинтиллятора,
— линейный коэффициент ослабления фотонов в сцинтилляторе, I — плотность потока
энергии падающих фотонов. Интегрирование проведено по высоте сцинтиллятора в
предположении, что энергетический состав излучения существенно не изменяется
Мощность поглощенной дозы связана с плотностью потока энергии фотонов соотношением
(7.38)
где en,m,в — массовый коэффициент поглощения энергии в воздухе. Решая совместно уравнения
(7.36) и (7.37), получим выражение, определяющее энергетическую зависимость
чувствительности сцинтилляционного дозиметра (ход с жесткостью) работающего в токовом
режиме
(7.39)
где V и рz — объем и плотность сцинтиллятора соответственно
Выразив через постоянный множитель а параметры, не зависящие от энергии первичного
излучения и считая постоянным значение к,
(7.40)
Из выражения (7.40) видно, что ход с жесткостью будет отсутствовать лишь для тонких
(Z h « 1) воздухоэквивалентных (en,m,Z = en,m,в ) сцинтилляторов. С ростом толщины
сцинтиллятора будет увеличиваться и ход с жесткостью, особенно в низкоэнергетичной
области первичных фотонов. Так, с уменьшением энергии фотонов ниже 100 кэВ,
чувствительность дозиметрического детектора с органическим сцинтиллятором может
изменяться на десятки процентов, что делает его практически непригодным для использования
Для неорганических сцинтилляторов чувствительность, наоборот, увеличивается в области
низких энергий.
Снижения хода с жесткостью можно добиться, используя комбинированный сцинтиллятор,
в котором применяется органический кристалл, покрытый тонким слоем тяжелого
неорганического сцинтиллятора. Рост чувствительности неорганического сцинтиллятора с
понижением энергии приведет к компенсации снижения чувствительности органической части
и наоборот. При удачном подборе параметров органического и неорганического
сцинтилляторов можно обеспечить практическое отсутствие зависимости чувствительности
от энергии вплоть до нескольких десятков килоэлектронвольт.
Главное преимущество сцинтилляционньгх счетчиков перед газонаполненными является
их значительно большая эффективность при регистрации гамма-излучения. Это связано с
двумя факторами: плотностью и атомным номером вещества чувствительной области
детектора. Плотность кристалла NaI равна 3,7 г/см3, в то время как плотность газов находится
вблизи 0,001 г/см3. Таким образом, на пути гамма-излучения оказывается в несколько тысяч
раз больше атомов, что сильно увеличивает вероятность взаимодействия.
Счетный режим сцинтилляционного счетчика. В этом режиме каждая сцинтилляционная
вспышка вызывает один импульс тока в анодной цепи ФЭУ. Если размеры сцинтиллятора
больше пробега электронов, то практически каждый электрон, созданный первичным
излучением в сцинтилляторе, создает вспышку, которая вызывает электрический импульс.
Таким образом, скорость счета импульсов nсч если не точно равна числу электронов,
освобождающихся в единицу времени в объеме сцинтиллятора, то пропорциональна этому
числу.
Принимая, что каждое взаимодействие первичных фотонов со сцинтиллятором дает
один электрон, для цилиндрического кристалла получим число электронов, высвобождаемых
в единицу времени:
Nе= (S·І/E)[1-exp(-zh)] (7.41)
где E — средняя энергия фотонов в спектре первичного излучения.
Используя соотношение между интенсивностью излучения и мощностью дозы (7.38) и
полагая, что скорость счета импульсов равна скорости высвобождения электронов в
сцинтилляторе, получаем
ncч/Р = [S/(E · en,m,в)] · [1 - ехр(-z . h)] (7.42)
Формула (7.42) определяет чувствительность и ход с жесткостью сцинтилляционного
дозиметра в счетном режиме. Кривая зависимости чувствительности от энергии фотонов,
определяемая уравнением (7.42), не имеет горизонтального участка, и ход с жесткостью
будет значительным в любом диапазоне энергий.
Сравним чувствительность сцинтилляционного дозиметра в счетном режиме и
газоразрядного счетчика. Полагая z · h « l, вместо соотношения (7.42) получим
ncч/P = V ·z/(E·en,m,в) (7.43)
где V — объем сцинтиллятора. Для газоразрядного счетчика имеем из выражения (7.21)
nсч/Р = Sсч.сч/(Е.en,m,в) (7.44)
где Sсч — площадь поверхности газоразрядного счетчика; сч— эффективность регистрации
фотонов.
Из соотношений (7.43) и (7.44) получим отношение чувствительности сцинтилляционного
счетчика к газоразрядному:
(7.45)
Площадь боковой поверхности цилиндрического газоразрядного счетчика связана с его
объемом Vсч соотношением
Sсч=4Vсч/dсч, (7·46)
где dсч — диаметр газоразрядного счетчика. Приняв равными объемы газоразрядного и
сцинтилляционного счетчиков, получим
(7.47)
Для сцинтиллятора NaI(Tl) при энергии фотонов 1 МэВ, dсч = 1 см, сч = 1 % расчет дает
= 5,5. Это свидетельствует о том, что чувствительность по мощности дозы сцинтилляционного
счетчика в несколько раз превосходит чувствительность газоразрядного счетчика. Очевидно,
что значительная энергетическая зависимость чувствительности сцинтилляционных
счетчиков требует особой осторожности при их использовании в дозиметрии.
Применение сцинтилляторов для детектирования других видов излучений.
Сцинтипляционные счетчики применяются для регистрации заряженных частиц, -излучения.
быстрых и медленных нейтронов. Сцинтилляторы ZnS, активированные серебром или медью,
применяют в виде монокристаллического порошка с толщиной слоя 25 — 50 мг/см2
(из-за низкой прозрачности для собственного излучения) для регистрации тяжелых частиц,
обладающих малым пробегом в кристалле. Конверсионная эффективность сернистого цинка
очень высока и достигает 28 % при возбуждении -частицами. Сцинтиллятор CdS(Ag)
может быть выращен в виде небольшого полупрозрачного монокристалла. Применяют его
для регистрации -частиц.
Для исследования -излучения лучшим щелочно-галоидным сцинтиллятором является
NaI(Tl) из-за большого фото-выхода. Световой выход сцинтиллятора NaI(Tl) линейно зависит
от энергии -частиц, протонов и дейтронов, а для -частиц эта зависимость нелинейна.
Световой выход уменьшается с увеличением плотности ионизации. Йодистый цезий по своим
сцинтиллирующим свойствам аналогичен йодистому натрию. Зависимость световыхода
органических сцинтилляторов (антрацен, стильбен) от энергии тяжелых заряженных частиц
(протонов, дейтронов и -частиц) нелинейная.
Сцинтилляторы CaWO4 и CdWO4 используют в виде мелких кристаллов (из-за сложности
выращивания монокристаллов) для регистрации тяжелых частиц.
Монокристаллы LiI, LiI(Tl) применяют для регистрации нейтронного излучения.
Содержание водорода в органических сцинтилляторах позволяет использовать их для
регистрации быстрых нейтронов. Особенно широко для этой цели применяется стильбен.
С целью практического удобства для регистрации нейтронов используют датчики, которые
позволяют одним детектором регистрировать нейтроны всех энергий от тепловых до быстрых
(включая промежуточные) в соответствии с их коэффициентом качества, то есть в единицах
эквивалентной дозы.
Такой датчик состоит из водородсодержащего замедлителя (как правило плексиглас)
оптимальных размеров, в центре которого расположен детектор тепловых нейтронов
(сернистый цинк с добавкой солей бора или лития), а на поверхности — сцинтиллятор
быстрых нейтронов. Сцинтилляции от быстрых нейтронов передаются по светопроводу к
фотокатоду ФЭУ.
Промежуточные нейтроны после замедления регистрируются детектором тепловых
нейтронов, тепловые — непосредственно.
Применение фотодиода в качестве ФЭУ. Наряду с традиционными детекторными
сборками типа сцинтиллятор — ФЭУ (С-ФЭУ) для регистрации ионизирующих излучений
применяются сцинтиэлектронные детекторы излучений (СЭЛДИ) нового поколения типа
сцинтиллятор — фотодиод (С-ФД). Детектор С-ФД по сравнению с конструкцией С-ФЭУ
имеет существенно более широкую область применения что обусловлено следующими
эксплуатационными преимуществами.
• широкий динамический диапазон (108 — 1012), те возможность регистрации мощности
дозы излучений от уровней ниже фонового (1 мкбэр/час) до 104 — 106 бэр/час,
• энергетический диапазон не менее 103 (10 кэВ — 10 МэВ),
• миниатюрность (объем 0,5 — 2 см3), простота конструкции, надежность эксплуатации,
• отсутствие необходимости в высоковольтном питании, нечувствительность к магнитным
полям,
• высокая стабильность и воспроизводимость характеристик.
Отмеченные преимущества обеспечили применение детекторов СЭЛДИ в
дефектоскопических системах, использующих принцип компьютерной томографии, в
приборах контроля багажа и ручной клади, для регистрации мощности дозы излучения
медицинских рентгенодиагностических аппаратов. Высокая чувствительность и надежность
детекторов СЭЛДИ позволила создать на их основе приборы контроля радиационной
обстановки, прошедшие испытания в аварийной зоне Чернобыльской АЭС.
| Таблица 7 2 Основные характеристики сцинтилляторов СЭЛДИ | ||||
| г Парамтры | Сцинтилляторы | |||
| ZnSe | CWO | BGO | GSO | |
| Световой выход с ФД относительно CsI(Tl), % | 120-150 | 30-40 | 6-7.5 | 30-40 |
| Время высвечивания, мкс | 30-50 | 5-9 | 0,28-0,35 | 0,05 |
| Эффективный атомный номер | 58,60 | |||
| Плотность, г/см3 | 5,42 | 7,9 | 7,13 | 6,71 |
| Максимум излучения, мкм | 0,64 | 0,49 | 0.48 | 0,43 |
| Энергетическое разрешение по Cs- 137, % | 14-15 | 10-12 | 13-18 | 8-10 |
| Радиационная длина, мм | 10,6 | 10,5-11,2 | ||
| Толщина 90%-го поглощения -излучения 150 кэВ,мм | 3,0-3,5 | 2,3-2 44 |
Параметры сцинтилляторов, применяемыхв СЭЛДИ представлены в табл 7 2
Конструкция сцинтиэлектронного детектора излучений представлена на рис 7.11
Рис 7 11 Конструкция СЭЛДИ
1 — светозащитный слой
2 — сцинтиллятор (ZnSe CdS, BGO CWO),
3 — отражающе-защитное покрытие,
4 — оптический контакт,
5 — кремниевый фотодиод,
6 — вывод
Использование фотодиодов позволяет применять детекторы как в токовом, так и в
импульсном режиме.
Применение сцинтилпяционных детекторов в гамма-спектроскопии. На аноде ФЭУ
формируется импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна интенсивности
световой вспышки, попавшей на фотокатод, а значит и энергии, потерянной в кристалле
фотоном.
Так как амплитуда выходного импульса пропорциональна энергии гамма-излучения, то
сцинтилляционные детекторы можно использовать для гамма-спектроскопии. В этом процессе
импульсы от ФЭУ сортируются по амплитуде прибором, называемым многоканальным
амплитудным анализатором импульсов. Накопленная информация о количестве импульсов
каждой амплитуды затем выводится на дисплей или распечатывается в виде амплитудного
спектра. Вид такого спектра от гамма-источника с фотонами одной энергии показан на
рис 7.12.
Энергия гамма-линии может быть измерена по положению фотопика (отметка E на рисунке).
Этот пик так назван в связи с реакцией, приведшей к его образованию. Калибровка
энергетической шкалы производится по измерениям спектров известных источников.
Рис 7 12 Амплитудное распределение сцинтилляционного детектора.
Энергетическое разрешение сцинтилляционного счетчика также иллюстрируется на
рисунке. Оно определяется как ширина пика на полувысоте ( на рис.7.12) деленная на
энергию E и умноженная на 100%. Разрешение сцинтилляторов с кристаллом NaI обычно
равно 7 — 9% при энергии гамма-излучения 662 KэB(137Cs). Это важный параметр гамма-
спектрометра, так как он определяет насколько близко по энергии две гамма-линии могут
быть отчетливо зарегистрированы как два раздельных пика вместо одного широкого пика.
Энергетическое разрешение очень важно, когда регистрируется излучение неизвестного
излучателя, т.к. фотоны, разница энергий которых меньше чем , не будут различаться.
К сожалению, энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов с NaI(Tl) не
достаточно для многих применений в радиационной защите.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МЕТОД
Общим признаком полупроводников является величина их электропроводности,
которая занимает промежуточное место между электропроводностью металлов и
диэлектриков. Диапазон значений удельной электропроводности у полупроводников
лежит в пределах 10-10-104 Ом-1см-1, у металлов 105-106 Oм-1см-1, у диэлектриков менее
10-14 Oм-1см-1).
С точки зрения зонной теории полупроводниковыми свойствами обладают такие
вещества, ширина запрещенной зоны у которых не превышает 2 — 3 эВ. У диэлектриков
запрещенная зона значительно шире, у металлов она практически отсутствует.
Полупроводник в качестве детектора ионизирующих излучений выступает как аналог
ионизационной камеры, чувствительным объемом которой является твердое тело. Под
действием ионизирующего излучения в полупроводнике образуется свободные носители
заряда. Если к полупроводнику, находящемуся в поле ионизирующего излучения, приложить
разность потенциалов, то по изменению проводимости полупроводника можно делать вывод
о наличии и интенсивности ионизирующего излучения.
Использование твердого тела в качестве чувствительного объема позволяет за счет более
высокой плотности вещества (примерно в 1000 раз) увеличить энергию, поглощенную в
единице чувствительного объема. Кроме того, энергия, необходимая на образование одной
пары ионов соответствует ширине запрещенной зоны, то есть примерно на порядок ниже,
чем в газовых ионизационных камерах.
Таким образом в одном и том же поле излучения ионизационный эффект в
полупроводниковом детекторе будет примерно в 104 раз выше, чем в ионизационной камере,
то есть полупроводниковые детекторы обладают высокой чувствительностью даже при
малом чувствительном объеме.
Другой важной особенностью полупроводниковых детекторов по сравнению с газовыми
является высокая подвижность носителей заряда. Так например, у кремния при комнатной
температуре подвижность отрицательных носителей заряда (электронов) равна
1300 см2/В.с, а положительных носителей заряда (дырок) — 500см2/В.с. Для сравнения
подвижность носителей заряда в воздухе при нормальных условиях около 1 см2/В.с. Высокая
подвижность носителей заряда определяет малое время собирания электрических зарядов
на электроды, и как следствие, высокую разрешающую способность детектора. Кроме того,
малое время собирания существенно снижает вероятность рекомбинации положительных и
отрицательных зарядов, а большая подвижность зарядов при прочих равных условиях
обеспечивает большой ионизационный ток. В расчете на одинаковый ионизационный эффект
полупроводниковый детектор требует на несколько порядков меньшего электрического
напряжения, чем газовый.
Однако все сказанное относится к случаю, когда полупроводник находится при абсолютном
нуле температуры. В этом случае валентная зона, образованная энергетическими уровнями
внешних валентных электронов, заполнена полностью, а зона проводимости не содержит
свободных электронов, то есть полупроводник является изолятором, и наложение внешнего
электрического поля не приведет к появлению в нем электрического тока.
В реальных условиях, вследствие сравнительно малой ширины запрещенной зоны,
электроны в полупроводнике могут переходить из валентной зоны в зону проводимости
вследствие теплового возбуждения, что приводит к появлению "фонового" электрического
тока, который быстро растет с ростом температуры.
Рассмотрим подробнее природу и поведение носителей заряда в полупроводнике. Будем
рассматривать в качестве полупроводников получившие распространение Si и Ge.
Различают собственную и примесную проводимость полупроводника.
Si и Ge четырехвалентны, то есть имеют по четыре валентных электрона на внешней
электронной оболочке. В случае перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости
за счет энергии теплового движения образуется пара носителей заряда, электрон — дырка,
перемещение которых во внешнем электрическом поле создает электрический ток. Это
собственная проводимость.
Введение в кристаллическую решетку полупроводника атомов другой валентности
приводит к появлению примесной проводимости, которая связана с возникновением
энергетических уровней в запрещенной зоне.
Допустим, что при выращивании кристалла полупроводника один из атомов
кристаллической решетки заменен примесным пятивалентным атомом (например, фосфор
или мышьяк).
Рис. 7.13. Расположение зарядов в кристаллической решетке кремния при введении
примесного пятивалентного атома.
Четыре валентных электрона примесного атома участвуют в создании связей с соседними
атомами кристаллической решетки, а пятый остается неиспользованным, а следовательно
слабосвязанным с атомами кристаллической решетки. Под действием энергии теплового
движения этот электрон переходит в зону проводимости, примесный атом превращается в
положительный ион. Примеси пятивалентных атомов, внедренных в кристалл
полупроводника, называют донорными примесями.
Рис.. 7.14. Зонная модель донорных энергетических уровней
Донорный энергетический уровень располагается в запрещенной зоне у нижнего края
зоны проводимости, а величина Ед является энергией ионизации пятивалентного атома.
Положительные ионы связаны в кристаллической решетке и не могут перемещаться во
внешнем элекгрическом поле. Следовательно, проводимость полупроводников с донорными
примесями обусловлена движением свободных электронов. Такие полупроводники
называются полупроводниками n-типа (полупроводники с электронной проводимостью).
Введение в кристаллическую решетку вместо четырехвалентного атома полупроводника
трехвалентного атома примеси (например, бора или индия) приводит к другому результату
Рис. 7.15 Расположение зарядов в кристаллической решетке кремния при введении
примесного трехвалентного атома.
Для образования четырех связей с соседними атомами кристаллической решетки у атома
примеси не хватает одного электрона. Электрон для создания четвертой связи может быть
получен от одной из других связей между атомами кристалла. Примесный атом после захвата
электрона превращается в отрицательный ион, а оставшаяся незаполненная связь является
дыркой в валентной зоне.
Примеси трехвалентных атомов, внедренных в кристалл полупроводника, называют
акцепторными примесями.
Рис 7. 16 Зонная модель акцепторных энергетических уровней
Акцепторные энергетические уровни располагаются в запрещенной зоне у верхнего
края валентной зоны, а величина ЕА является энергией ионизации трехвалентных атомов.
Отрицательные ионы связаны в кристаллической решетке, следовательно, проводимость
полупроводников с акцепторными примесями обусловлена движением дырок в валентной
зоне. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа (полупроводники с
дырочной проводимостью).
Как отмечалось ранее, проводимость полупроводников (как собственная, так и примесная)
затрудняет использование полупроводников для регистрации ионизирующих излучений.
Однако существует возможность создать в полупроводнике область, обедненную, свободными
носителями заряда. В этом случае электрическое сопротивление полупроводника резко
возрастает а проводимость падает. Такая возможность основана на использовании свойств
р-n и n-р переходов. Переходом называется область полупроводника, в которой происходит
смена типа проводимости с электронной на дырочную или наоборот.
Рис. 7.17. Полупроводник с р-n переходом
Рр — концентрация дырок в области,
nn — концентрация электронов в n области
h — ширина -n перехода.
Предположим, что на грань полупроводникового кристалла, обладающего дырочной
проводимостью нанесен слой полупроводника с электронной проводимостью. Концентрация
электронов в n-области значительно превосходит их концентрацию. В р-области. В тоже
время с концентрацией дырок наблюдается обратное соотношение. Такое различие в
концентрациях приводит к тому, что электроны начинают диффундировать в р-область,
а дырки, наоборот — в n-областъ. Ионизированные атомы донорного вещества, электроны
которых переместились в р-область, создают нескомпенсированный положительный объемный
заряд в n-области около границы раздела. В р-области, вследствие ухода дырок, образуется
отрицательный объемный заряд. В результате создается двойной электрический слой у
границы раздела. Электрическое поле этого слоя препятствует дальнейшему диффузионному
переносу электронов и дырок. Через некоторое время после образования двойного
электрического слоя устанавливается равновесное состояние, при котором результирующие
потоки электронов и дырок равны нулю.
В области р-n перехода концентрация носителей заряда на несколько порядков ниже, то
есть р-n переход обладает высоким электрическим сопротивлением. Обедненная носителями
заряда область р-n перехода является основной рабочей областью полупроводникового
детектора.
При отсутствии внешнего напряжения ширина области, обедненной носителями заряда,
очень мала (примерно 10-6 — 10-5 метра). Если приложить к р-n переходу так называемое
"обратное напряжение" (минус к р-области, имеющей отрицательный объемный заряд,
аплюс к n-области, имеющей положительный объемный заряд), то направление внешнего
поля и поля р-n перехода будут совпадать. Поэтому приложенное напряжение также будет
удалять носители заряда из обедненной области, а следовательно ширина этой области
возрастает.
Ионизирующее излучение, либо заряженная частица образует в области р-n перехода
свободные носители заряда, и следовательно импульс тока. Амплитуда импульса будет
пропорциональна числу пар ионов (электронов и дырок), образованных излучением в области
р-n перехода.
Полупроводниковый метод регистрации получил широкое применение в спектрометрии.
В этом случае выходной сигнал детектора подается на вход многоканального амплитудного
анализатора (анализатора, в котором каждый канал регистрирует лишь импульсы
определенной амплитуды).
По способу получения р-n перехода полупроводниковые детекторы подразделяются на
диффузионные, поверхностно-барьерные и литий-дрейфовые.
В диффузионных детекторах на поверхность полупроводника р-типа наносится тонкий
сдой донорного вещества (например, фосфора). При температуре около 8000C в инертной
атмосфере донорное вещество диффундирует в полупроводник и создает n-слой.
В поверхностно-барьерных детекторах поверхностный слой полупроводника n-типа
окисляется кислородом воздуха и приобретает тонкий слой с р-проводимостью. В качестве
электрода на р-слой в вакууме напыляется тонкий слой золота.
В литий-дрейфовых детекторах в полупроводник р-типа при температуре около 6000C
вводятся донорные атомы лития, имеющие очень высокий коэффициент диффузии.
Компенсация заряда акцепторных примесей производится за счет ионов лития, так как
последние не связаны с кристаллической решеткой и могут перемещаться между ее узлами
под действием внешнего электрического поля. Недостатком подобных детекторов является
то обстоятельство, что их постоянно необходимо поддерживать при температуре жидкого
|
| азота, т. к. в противном случае ионы лития уйдут из кристалла полупроводника за счет тепловой диффузии. Преимуществом является возможность создания очень большого чувствительного объема (до 100 см3), что особенно важно при регистрации -излучения. |
Рис.7.18. Схема включения поверхностно-барьерного полупроводникового детектора
На рис.7.18 показана схема включения поверхностно-барьерного диодного детектора.
Участок полупроводника р-типа (в котором ток переносится положительно заряженными
дырками) и участок полупроводника n-типа (в котором ток переносится отрицательно
заряженными электронами) формируют анод и катод. При подключении напряжения согласно
схеме рис.7.18 (называется смещением в обратном направлении), электроны и дырки
притягиваются из центральной области полупроводниковой пластины к электродам
соответствующей полярности, расширяя область, обедненную носителями зарядов. Эта
обедненная область играет такую же роль, как и наполняющий газ в ионизационной камере.
Ионизирующее излучение при взаимодействии с полупроводником в этой области образует
электронно-дырочные пары в отличие от ионных пар, которые образуются. В материалах,
отличных от полупроводников. Поверхностно-барьерный диод способен регистрировать
только альфа- и бета-излучения. Для измерения их энергии эти частицы должны потерять
всю свою кинетическую энергию в обедненной области. Это означает, что входное окно и
слой полупроводника Р-типа должны быть достаточно тонкими, чтобы обедненная область
подходила к самой поверхности. Окно обычноделается напылением тонкой пленки из золота
на слой полупроводника Р-типа.
Поверхностно барьерные детекторы обычно используются в приборах отбора воздушных
проб для определения альфа загрязнения от радоновой фоновой активности.
Германиевые счетчики бывают обычно двух типов: германий-литиевые дрейфовые
детекторы, сокращенно Ge(Li), и детекторы из германия высокой чистоты. Эти детекторы
используются для гамма спектроскопии и работают подобно описанным выше поверхостно-
барьерным детекторам, но их конструкция несколько отличается. На рис 7.19 представлено
устройство цилиндрического детектора. Большинство объема в центре детектора обеднено
носителями заряда благодаря использованию германия высокой частоты или путем компенсации
носителей дрейфом лития. Внешняя оболочка N-типа и маленькое пятно Р-типа формируют
два электрода (катод и анод). Гамма излучение взаимодействует в обедненной области,
где расходуется энергия на образование электронно-дырочных пар. Заряды собираются
при приложении к детектору относительно высокой разности потенциалов, обычно свыше
1000 В. Импульс тока собранных электронов и дырок проходит через резистор и создает
импульс напряжения (закон Ома).
Рис. 7.19. Строение германиевого детектора.
В детекторе не происходит умножение зарядов, образовавшихся фотонами. Так как
амплитуда импульсов пропорциональна потерянной энергии, то обычно выходной сигнал
подается на вход многоканального амплитудного анализатора для набора энергетического
гамма-спектра. Т.к. энергия ионизации мала, всего 2,9 эВ на электронно-дырочную пару в
германии, то достигается значительно лучшее, чем в сцинтилляционных счетчиках с NaI(Tl),
разрешение. Для сравнения на рис. 7.20 показали высокоэнергетичные пики от Со-60,
измеренные с помощью полупроводникового и сцинтилляционного детекторов.
Рис.7.20. Сравнение энергетического разрешения Ge(Li) и NaI(Tl) детекторов
Кроме детекторов из Si и Ge для измерений ионизующего излучения широко используется
детектор из теллурида кадмия (CdTe). Это небольшой детектор гамма-излучения, который
работает при комнатной температуре и не нуждается в фотоумножителе. Из-за высокого
атомного номера (Zэфф= 50,2) чувствительность его значительно выше, чем у германиевого
(Z = 32). Детекторы бывают диаметром от 1 мм до 13 мм и толщиной от 1 до 2мм. Детекторы
могут изготовляться достаточно малых размеров для тог