Интерполяция зависимости эффективности от

Энергии гамма-квантов Таблица Ф2.1.3

Еg, кэВ	ε (Е)	D ε (Е)	, %	Еg, кэВ	ε (Е)	D ε (Е)	, %

Работа 2.2 Полупроводниковый спектрометр гамма излучения

Цель работы - калибровка Ge(Li) спектрометра гамма излучения.

Общие положения

Упрощенно, полупроводниковый детектор заряженных частиц (ППД) можно представить в виде ионизационной камеры, чувствительный объем которой заполнен твердым материалом [9]. Заряженные частицы, взаимодействуя с электронами атомных оболочек, создают носители электрических зарядов - электроны и дырки.

Средняя энергия, необходимая для образования пары носителей электрических зарядов в полупроводниках (см. табл. 2.2.1), на порядок ниже, чем в газовых детекторах, и почти на три порядка ниже, чем в сцинтилляторах. По этой причине в ППД возникают и собираются существенно большее число носителей зарядов на единицу поглощенной энергии. Относительная флюктуация числа носителей при этом уменьшается (см. например, (2.1.2)), что создаёт принципиальную возможность достижения в ППД более высокого энергетического разрешения, чем в детекторах других типов.

Для того, чтобы такое устройство функционировало как детектор заряженных частиц, материал, заполняющий его чувствительный объём, должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Иметь малое значение средней энергии, расходуемой заряженной частицей на создание одной пары носителей заряда. Это условие очевидно: чем меньше энергия, расходуемая на создание одной пары носителей заряда, тем большее число носителей заряда будет создано и, соответственно, собрано. При этом будет уменьшаться относительная флюктуация их числа, существенно влияющая на энергетическое разрешение детектора.

2. Не вызывать рекомбинации и захвата носителей заряда. Рекомбинация уменьшает число собранных носителей и увеличивает их относительную флюктуацию (ухудшает энергетическое разрешение детектора). Захват носителей заряда ловушками (локальными нарушениями периодичности кристаллической решетки) крайне нежелательное явление. Захваченные ловушками носители создают пространственный заряд, уменьшающий напряженность электрического поля в детекторе (вплоть до полного прекращения его функционирования). При этом увеличиваются как время собирания зарядов (ухудшается временное разрешение устройства), так и относительная флюктуация собранного заряда (ухудшается энергетическое разрешение детектора).

3. Иметь большие и близкие по величине подвижности носителей заряда обоих знаков. Подвижность носителей заряда µ – коэффициент пропорциональности между скоростью дрейфа носителей v (положительных или отрицательных) в электрическом поле напряженностью Е: . Только при равных (или близких) значениях подвижности носителей заряда отсутствует индукционный эффект – зависимость собранного в детекторе заряда (амплитуды сигнала) от места образования и времени собирания носителей, а также от постоянной времени входного каскада.

4. Не должен быть изолятором, но иметь большое удельное электрическое сопротивление. При подаче разности потенциалов на электроды детектора через него потечет электрический ток, обратно пропорциональный электрическому сопротивлению материала – заполнителя. Флюктуации тока (тем большие, чем больше ток) будут суммироваться с собранным зарядом носителей образованных в детекторе заряженной частицей, что ухудшит энергетическое разрешение детектора. Для минимизации этого влияния следует потребовать, чтобы флюктуации тока были существенно меньше заряда носителей образованных заряженной частицей. Цель может достигается посредством уменьшения тока через детектор (увеличения удельного электрического сопротивления материала, заполняющего чувствительный объем детектора).

В природе не существует материал, одновременно удовлетворяющий всем вышеперечисленным требованиям. В большей степени (при использовании некоторых приемов увеличения удельного сопротивления) этим требованиям отвечают истинные - ионные кристаллы – кремний и германий (см. таблицу 2.2.1), являющиеся полупроводниками. Детекторы с заполнителями рассмотренного типа объединяют в единый класс – полупроводниковые детекторы (ППД) заряженных частиц. Спектрометрические ППД нуждаются в глубоком охлаждении. В настоящее время разработаны также полупроводниковые материалы для спектрометрии гамма излучения, работоспособные при комнатной температуре (см. таблицу 2.2.1).

Параметры полупроводниковых материалов Таблица 2.2.1