SEMINARSKI RAD

Detektori jonizirajućeg zračenja(poluprovodnički detektori)

Student: Saša Gazibegović

SADRŽAJ

1. Detekcija zračenja

1.1 Tipovi detektora

1.2 Osobine i karakteristike detektora

1.2.1 Osnovne osobine detektora

1.2.2 Osnovne karakteristike detektora

2. Poluprovodnički detektori

2.1 Vrste poluprovodničkih detektora

2.1.1 Silicijski detektor s površinskom barijerom

2.1.2 Si (Li) detektor

2.1.3 Ge (Li) detektor

2.1.4 HPGe detektor

1. Detekcija zračenja

Jonizujuće zračenje se ne može neposredno opažati. Da bi se otkrilo prisustvo ovog zračenja, kao i njegove karakteristike, neophodno je koristiti posebne uređaje – detektore jonizujućeg zračenja.

Detektori su uređaji za otkrivanje radioaktivnog zračenja i mjerenje njihovih karakteristika. Rad detektora se uglavnom zasniva na jonizujućem dejstvu zračenja, postoje i oni detektori koji rade na nekom drugom principu. Prilikom prolaska zračenja kroz detekcionu sredinu dolazi do raznih procesa na čijim se efektima zasniva rad detektora. Većina uređaja koristi fizičko dejstvo zračenja, kao što su

jonizacija ili ekscitacija atoma detekcione sredine. U procesu detekcije zračenja mogu se izdvojiti tri etape. Da bi bilo detektovano zračenje mora da dospije u efikasnu (osjetljivu) zapreminu detektora. Poslije prolaska zračenja dolazi do promjena u ovoj sredini koja može biti u gasnom, tečnom ili čvrstom agregatnom stanju. Otuda i jedna od podjela detektora na gasne, tečne ili čvrste. Treća etapa i krajnji rezultat detekcije je stvaranje indikacije o zračenju. Zbog navedenog karaktera interakcije neutrona sa materijom i činjenice da oni nisu direktno jonizujuće zračenje, detekcija neutrona zahtijeva da kroz svoju interakciju sa materijom oni prvo izazovu neki proces u kome proizvedu naelektrisane čestice, koje se zatim detektuju u običnim jonizacionim detektorima. U tu svrhu mogu da posluže i procesi elastičnog rasijanja, kada se ustvari detektuju uzmična jezgra, ali i razni neelastični procesi u kojima se proizvode ili gama zračenje, ili protoni, ili alfa čestice, ili nešto četvrto. Dok su još brzi, neutroni se najbolje detektuju pomoću procesa elastičnog rasijanja, a kada se uspore onda se za to koriste pojedinačni konkretni neelastični procesi.

U zavisnosti koji fizički proces je u osnovi njihovog rada , oni se mogu podijeliti u tri grupe :

detektore koji rade na principu jonizujućeg dejstva zračenja;

scintilacioni brojači;

nuklearne emulzije.

Polazna tačka za detekciju zračenja je je efekat koji ono proizvodi prolazeći kroz neku sredinu. Taj efekat je mali, jer je energija radioaktivnog zračenja veoma mala. Beta i gama zraci imaju energiju do nekoliko MeV-a dok alfa zraci mogu imati energiju do desetak MeV-a. Jedan MeV iznosi 1,6×10-16 vati, a to je nedovoljno da pokrene kazaljku ili cifru na brojčaniku. Zbog toga je potrebno pojačanje. Početni efekat služi u stvari kao okidač kojim započinje proces pojačavanja početnog signala koji treba dovoljno da naraste da bi mogao da pokrene urađaj za registraciju. Kod nekih vrsta detektora početni signal može da se pojača već u detekcijonoj sredini. Međutim, kod većine detektora pojačanja se vrši u elektronskim urađajima na koje se prenosi signal iz detektora.

Prolazom zračenja kroz detekcionu sredinu može doći do veoma raznovrsnih procesa. Najopštije rečeno, zračenje prolazeći kroz detekcionu sredinu troši energiju na jonizaciju i ekcitaciju atoma i molekula. Jonizacijom je jedan dio neutralnih sistema, kao što su atomi i molekuli, razdvojen u naelektrisane sisteme jona. Energija je utrošena na dobijanje izvjesne količine elektriciteta, pozitivnog i negativnog u podjednakoj količini. Pod izvjesnim uslovima taj elektricitet može da se usmjeri na dobijanje električnog impulsa, koji se onda pojačava,mjeri i registruje. Način dobijanja impulsa zavisi od prirode detekcione sredine. Današnji detektori koriste neke gasove i neke vrste čvrstih tijela. Procesi u gasovima su nešto jednostavniji jer se joni slobodnije kreću nego u čvrstim tijelima. Otuda široka upotreba gasnih detektora koji se po načinu funkcionisanja mogu da podele u tri grupe: jonizacione komora, proporcionalni brojač, Geiger-Milerovi brojači. U gasne detektore zasnovane na jonizaciji, također spada Vilsonova komora. Međutim, ona se danas ne upotrebljava za mjerenja zračenja niske energije kakvu emituju radioaktivni izotopi. Neke vrste čvrstih tijela, kao što su poluprovodnici, mogu

također da obezbjede stvaranje električnog impulsa poslije prolaza zračenja. Zvaćemo ih poluprovodnički detektori. Njihovo izučavanje počelo je tek u posljednje vrijeme. Ekscitacija predstavlja prenos energije na atomske sisteme koji se poslije izvjesnog vremena mogu da emituju u formi elektromagnetskog zračenja. U ovom slučaju elektromagnetsko zračenje može da posluži kao početni signal. Pojačanje se najefektnije vrši posebnim elektronskim cijevima, nazvanim fotomultiplikatorima. Oni su osjetljivi na elektromagnetsko zračenje iz vidljivog spektra. Otuda kao detektori služe one vrste kristala koji svetlucaju(scintiluju) i nazivamo ih scintilacioni brojači. Kod izvjesnih vrsta čvrstih tijela, ekscitacija može da dovede do trajnih promjena u strukturi kristala. Sad se više ne radi o kratkotrajnom signalu vezanom za prolaz čestice, jer promjene trajno ostaju i izučavaju se tek kasnije. Treba napomenuti da je i u ovom slučaju efekat mali, tako da se promjene kasnije vještački pojačavuju prije nego što se priđe izučavanju traga koji je zračenje ostavilo.

Ustvari, ono što je izneseno odnosi se na fotografski efekat zračenja, a detektori zasnovani na njemu zovu se nuklearna emulzija.

1.1 Tipovi detektora

Detektori mogu biti električni i neelektrični, u zavisnosti od toga koji konačni efekti služe kao indikacija prolaska zračenja. Neelektričnim detektorima se informacije o zračenju dobijaju preko hemijskih, toplotnih ili svjetlosnih promjena izazvanih zračenjem. Za razliku od njih, električnim detektorima informacije o zračenju dobijaju se kao kontinualna struja ili kao niz električnih impulsa.

Detektori koji daju pojedinačne informacije o prolasku jonizujećeg zračenja kroz efikasnu zapreminu nazivaju se brojači. Brojači direktno broje čestice zračenja koje su interagovale sa detekcionom sredinom bez obzira na njihovu energiju. Najčešće su u upotrebi gasni detektori koji imaju tri područja rada, koja zavise od jačine električnog polja u njima. Na slici 1 je prikazana karakteristična zavisnost jačine električnih impulsa prilikom detekcije zračenja, od jačine polja. Prvi plato je područje rada jonizacione komore, a drugi GM(Gajger-Milerovog) brojača. Između spomenutih platoa je proporcionalno područje u kojem je broj impulsa znatno pojačan, ali uz zadržavanje proporcionalnosti sa brojem primarno stvorenih jonskih parova. Treba uočiti da u GM području nema razlike između signala od alfa čestice i elektrona.

Slika 1

Kao najpoznatiji detektor u upotrebi, gotovo sinonim i najpoznatiji uređaj za osnovnu detekciju zračenja su GM brojači. GM brojač je cilindričan sud ispunjen gasom (najčešće nekim od plemenitih gasova: helijumom, argonom ili neonom). Zidovi cilindra predstavljaju negativnu elektrodu (katodu), a anoda je tanka žica koja prolazi kroz sredinu cilindra. GM brojači su veoma osjetljivi i mnogo se koriste zato što mogu da detektuju bilo koje zračenje koje izvrše jonizaciju u detektoru. Proizvode se u velikom broju različitih oblika i veličina. Izlazni signal im je toliko jak da nije neophodno njegovo pojačanje. Cijena im je povoljna zato što su, kao i elektronska instrumentacija koja ih prati,

jednostavne konstrukcije. GM brojači ne mogu da odrede energiju detektovanog zračenja.

Detektori koji pored toga što broje čestice mogu i da odrede njihovu energiju nazivaju se spektrometri. Ovdje spadaju scintilacioni, poluprovodnički, siliciujmski i germanijumski detektori.

1.2 Osobine i karakteristike detektora

Detektore dijelimo na one koji samo služe da utvrde prolaz čestice, i na one koji pored toga daju i energiju čestice,pa se zovu spektrometrima. Detektor može biti u stanju da odbrojava jednu po jednu česticu,a ima ih koji to nisu u stanju, već daju neki srednji efekat. Takav je slučaj kod jonizacionih komora, gdje prve zovemo impulsnim, a druge integralnim. Foto ploče takođe mogu da daju pojedinačne tragove ili integralno zračenje. Kod pojedinačnog odbrojavanja važna je brzina sa kojom detektor može da broji. Svaka detekcija traje izvjesno konačno vrijeme i ukoliko je kraća, utoliko će detektor moći brže da broji. Važna karakteristika detektora je efikasnost kojom on detektuje pojedine vrste zračenja. Geiger-Milerovi brojači mogu se dotjerati da detektuju skoro 100% naelektrisano zračenje,ali efikasnost detekcije prodornog gama zračenja je reda veličine jednog procenta.

1.2.1 Osnovne osobine detektora su:

1. Osjetljivost

Važna osobina detektora je osjetljivost, tj. sposobnost detektora da proizvede koristan signal za dato zračenje i energiju. Nijedan detektor ne može biti osjetljiv za svo zračenje i energije. Detektori se prave namjenski za dati tip zračenja i za datu oblast energija.

Osjetljivost detektora za dati tip zračenja određene energije zavisi od nekoliko faktora:

a) presjek za jonizujuće reakcije u detektoru

b) detektorska masa

c) inherentni detektorski šum

d) zaštitni materijal koji opkoljava osjetljivu zapreminu detektora

Presjek i detektorska masa određuju verovatnoću da se energija ili dio energije upadnog zračenja pretvori u jonizaciju unutar detektora. Jonizujući signal mora biti jači od srednjeg šuma detektora kako bi bio od koristi. Materijal koji opkoljava detektor određuje donju granicu energije koja može biti detektovana.

2. Odziv detektora

Pored detekcije prisutnog zračenja, većina detektora je u stanju da obezbijedi neke informacije o energiji tog zračenja. Količina jonizacije je proporcionalna gubitku energije zračenja unutar osjetljive zapremine detektora. Ako se energija upadnog zračenja u potpunosti predala na jonizaciju unutar detektora, onda je mjera količine jonizacije u stvari informacija o energiji upadnog zračenja. Uopšte izlazni signal električnih detektora ima formu strujnog signala. Količina jonizacije se tada ogleda u stvorenoj količini naelektrisanja. Veza između energije zračenja i visine izlaznog signala predstavlja u stvari odziv detektora. Idealno bi bilo da je ova veza linearna. Za mnoge detektore odziv detektora jeste linearan ili bar aproksimativno u određenom intervalu energija.

1.2.2 Osnovne karakteristike detektora

Osnovna karakteristika svakog detektora je njegova efikasnost. Detekciona efikasnost pokazuje koji se dio od svih zračenja koja stižu do efikasne zapremine detektora detektuje. Zavisi od vrste zračenja i njihove energije.

Mrtvo vrijeme je vremenski interval tokom koga je brojač nesposoban da registruje sljedeću česticu. Vrijeme razlaganja je najveći vremenski interval u kojem se mogu dva uzastopna zračenja detektovati odvojeno.

Ne postoji univerzalni detektor koji bi mogao da detektuje sve vrste zračenja. Zato postoje detektori koji su optimalni za pojedine vrste zračenja i za odgovarajuće opsege energija.

Alfa zračenje ima jako male domete u čvrstim materijalima i zbog toga ne može da prodre u efikasnu zapreminu mnogih detektora. Zato je veliki broj detektora potpuno neosjetljiv na alfa zračenje. Detektori za alfa zračenje moraju imati specijalno tanke „prozore“ kroz koje alfa čestice mogu da stignu do detekcione sredine. Kada alfa čestica stigne do detektora efikasnost njene detekcije je praktično 100%. Za mjerenje alfa zračenja koriste se instrumenti sa cinksulfidnim scintilacionim detektorom i vrlo tankim prozorom ili sa protočnim proporcionalnim brojačem.

Detektori beta zračenja prave se od lakih materijala i njihove radne zapremine su veće nego za alfa zračenje.

Za detekciju X zračenja koriste se detektori sa tankim prozorima i sa relativno malim detekcionim zapreminama. Obično se materijali niskog radnog broja pogodni za detektorsku sredinu.

Gama zračenje zbog svoje velike prodornosti zahtijeva detektorsku sredinu od što težeg materijala i što veće radne zapremine.

Energetska rezolucija

Za detektore koji su tako napravljeni da mjere energiju upadnog zračenja, najvažniji faktor je energetska rezolucija. Energetska rezolucija detektora govori o tome koliko detektor može razlikovati dve linije bliskih energija. Upošte, energetska rezolucija se može odrediti slanjem monoenergetskog zračenja ka detektoru, a zatim se posmatra dobijeni spektar. Idealan slučaj bi bio da se dobije oštra delta funkcija. U realnosti ovo nikad nije slučaj, dobija se složeni vrh sa nekom konačnom širinom, obično Gausovog oblika (Slika 2). Širina ovog vrha raste sa fluktuacijama u jonizacijama i ekscitacijama. Rezolucija je obično data u smislu totalne širine na polovini visine vrha (FWHM-full width at half maximum). Energije koje se nalaze bliže nego što iznosi, vrijednost FWHM se obično ne razmatraju. Ako širinu linije izrazimo kao ∆E, onda je relativna rezolucija na energiji E data sa:

Rezolucija= ∆E/E

Rezolucija izražena ovom formulom je obično data u procentima. Germanijumski detektori imaju rezoluciju reda veličine 0.1%. Uopšte rezolucija je funkcija energije deponovane unutar osjetljive zapremine detektora, koja se poboljšava sa rastom energije. U stvari je pronađeno da je srednja energija jonizacije konstantan broj, w, i zavisi samo od materijala. Za deponovanu energiju E, srednji broj jonizacija je J=E/w. Kako energija raste, raste i broj jonizacija, a relativne fluktuacije se smanjuju.

Slika 2

Funkcija odziva

Za snimanje energetskog spektra, važan faktor koji se treba razmotriti je funkcija odziva detektora za tip detektovanog zračenja. Funkcija odziva detektora se može definisati kada detektor izlažemo datim tipom monoenegretskog zračenja. Idealno bi bilo da se u spektru dobije Gausova kriva. U slučaju da se detektor izlaže gama zracima, oblik krive možemo predvidjeti poznavajući kako elektromagnetno zračenje interaguje sa materijom od koga je izrađen detektor. Da bi energija gama kvanta bila detektovana, ona mora proizvesti naelektrisane čestice unutar osetljive zapremine detektora. Mehanizmi koji ovo omogućuju su fotoelektrični efekat, Komptonovo rasijanje i proizvodnja elektron-

pozitron para. Fotoelektroni dobijeni od monoenergetskog zračenja imaju iste energije, te doprinose Gausovom obliku krive u spektru. Komptonovi elektroni imaju kontinualnu raspodjelu, kao takvi predstavljaju smetnju u snimljenom spektru. Par efekat takođe nepovoljno utiče na dobijenu sliku o monoenergetskom zračenju usmjerenom ka detektoru. Ako detektor koristimo za mjerenje spektra gama zračenja, distribucija broja registrovanih gama kvanata u funciji energije biće data sa:

N(E) = ∫ S(E′)R(E,E′)dE′

gdje je R(E,E’) odzivna funkcija detektora na upadnoj energiji E’ , a S(E’) je energetski spektar gama zračenja. Da bi poznavali spektar gama zračenja iz distribucije pikova neophodno je poznavati odzivnu funkciju detektora R(E,E’).

Vrijeme odziva

Veoma važna karakteristika detektora je vrijeme odziva. Ovo je vrijeme potrebno da se generiše signal nakon pristizanja zračenja u detektor. To je veoma bitno za vremensku karakteristiku detektora. Poželjno je da ovo vrijeme bude što je moguće kraće. Vrijeme trajanja signala je takođe važna karakteristika. U toku ovog perioda, drugi događaj ne može biti registrovan jer detektor nije osjetljiv na zračenje, ili će se drugi događaj sumirati sa prvim. Ako se drugi događaj sumira sa prvim onda signal mijenja oblik. Ovakve signale je moguće odbaciti odgovarajućim kolom. Efekat se zove nasumično sumiranje. Ovo doprinosi takozvanom mrtvom vremenu brojača i ograničava da stvaran broj upadnih fotona bude registrovan.

Efikasnost detektora

Efikasnost se u eksperimentalnoj fizici, uopšte, definiše kao odnos reakcije nekog instrumenta i vrijednosti fizičke veličine koja se mjeri. U spektrometriji fotona ta fizička veličina je brzina emisije fotona date energije, a mjerena veličina je brzina brojanja.

U gama spektrometriji uobičajni su sledeći pojmovi vezani za efikasnost:

Relativna efikasnost je nominalna performansa detektora koja predstavlja odnos efikasnosti gama zraka od 1332 keV iz 60 Co prema efikasnosti standardnog scintilacionog detektora sa kristalom NaI(Tl).

Apsolutna efikasnost vrha ukupne energije je odnos površine vrha ukupne energije u mjerenom spektru

prema broju gama zraka emitovanih iz izvora. Iz nje se određuje aktivnost radionuklida u izvoru, a ona, pored ostalog, zavisi i od geometrijske postavke izvor-detektor.

Apsolutna totalna efikasnost je odnos odbroja na ma kom mjestu u spektru prema broju gama zraka emitovanih iz izvora. Ovdje se uzima u obzir vrh ukupne energije i sve nekompletne apsorpcije predstavljene komptonskim kontinuumom.

Sopstvena efikasnost je odnos odbroja u spektru prema broju gama zraka koji padnu na detektor. Može se definisati kao sopstvena efikasnost vrha ukupne energije ili kao sopstvena totalna efikasnost. Ova efikasnost je osnovnu parametar detektora i nezavisna je od geometrije izvor-detektor.

Mrtvo vrijeme

To je konačan interval vremena potreban da detektor procesira događaj koji je obično jednak vremenu trajanja signala. U zavisnosti od tipa detektora, detektor može biti ali i ne mora biti osjetljiv u intervalu mrtvog vremena. Germanijumski spektrometri nisu osjetljivi u intervalu mrtvog vremena, tj. svaka informacija o fotonu koji upadne u detektor u toku mrtvog vremena je izgubljenа.

2. Poluprovodnički detektori

Poluvodički detektori su najmlađa vrsta detektora od gore spomenutih. Prvi komercijalno dostupni primjerci se pojavljuju krajem šezdesetih. Napravljeni su od poluvodiča, materijala koji su temelj današnje moderne elektronike. Poluvodiči su materijali koji pri sobnim uvjetima ne vode električnu struju kao metali. Ali povećanjem temperature ili primjenom jačeg električnog polja to mogu napraviti za razliku od izolatora. Kod njih je energetski procijep, koji dijeli područje energija valentnih (vezanih u atomu) elektrona i vodljivih (slobodnih) elektrona negdje između izolatora i vodiča. Ako elektron preskoči iz atomskog stanja (valentne vrpce) u kvazi-slobodno stanje (vodljiva vrpca) tada struju može voditi i elektron i šupljina u valentnoj vrpci, nastala nedostatkom elektrona. Dakle, imamo dva tipa nosioca naboja u poluvodičima: elektrone (negativni naboj) i šupljine (pozitivni naboj). Pri normalnim uvjetima čisti poluvodič ima vrlo malo slobodnih elektrona i šupljina. Međutim, ako im se dodaju određeni elementi oni im mogu promijeniti svojstva. Tako dodavanjem elementa (donori) koji otpuštaju elektrone dobivamo n-tip poluvodiča. U takvim poluvodičima većinski nosioci struje su slobodni elektroni. Ako atomi dodanog elementa (akceptori) uzimaju elektrone iz valentne vrpce pri tome se stvaraju šupljine. Takav poluvodič se zove p-tip. U njemu su šupljine većinski nosioci naboja (struje). Posebno je interesantan spoj p- i n-tipa poluvodiča. Takav spoj se zove dioda. Osnovno svojstvo diode je da pri jednom polaritetu priključenog stalnog napona vodi struju praktički bez otpora, a promjenom polariteta napona, dioda daje vrlo veliki električni otpor. Dioda je temeljni elektronički element. Pojavljuje se samostalno ili u kombinacijama tvoreći druge elementa kao npr. tranzistor. U današnjim modernim mikroprocesorima kao Pentium ili Pentium II nalazi se više miliona dioda (u obliku tranzistora), a u memorijskim čipovima i više desetaka miliona. I dok mikročipovi sadrže najmanje diode na svijetu (manje od 1 mm), poluvodički detektori su najveće. Rade u zapornom režimu, tj. kada je polaritet napona takav da dioda (detektor) ima veliki električni otpor. Primjenjuju se visoki naponi

(~ 2000 V). Takav napon stvara između p- i n-poluvodiča široko područje osiromašenja naboja. U tom području su prisutni samo manjinski nosioci naboja kojih je vrlo malo (šupljine u n-tipu i elektroni u p-tipu). Ako zračenje prođe kroz područje osiromašenja naboja ono stvara parove elektron-šupljina. Ti se parovi pod utjecajem snažnog električnog polja razdvajaju. Elektroni se odvode u n-tip poluvodiča a šupljine u p-tip. Dolazi to naglog porasta struje tj. do električnog impulsa. Dakle, princip rada poluvodičkog detektora je analogan radu ionizacijske komore. Primijetimo da je osjetljivi volumen detektora samo područje osiromašenja naboja, a ne cijela dioda. Zbog toga se teži da to područje bude što veće. Najpopularniji poluvodički detektori su germanijevi (Ge) i silicijevi (Si) detektori. Ge

detektori su vrlo pogodni za detekciju fotona u X i g fotona. Si detektori, zbog manjeg rednog broja Z , su pogodniji za elektrone te niže energijsko X-zračenje. Neki od maje upotrebljavanih su CdTe i HgI2 detektori. Većina današnjih tipova poluvodičkih detektora se moraju hladiti, a neki (nešto stariji tipovi) nikad se ne smiju zagrijati više nego na sobnu temperaturu. To je ipak nedostatak, jer detektor zajedno s pretpojačalom mora biti u posebnom kućištu koje je spojeno s posudom u kojoj je tekući azot radi hlađenja. Takva konstrukcija može smetati ili onemogućiti neke eksperimente. Osim toga, u posudu se povremeno mora dolijevati azot, što zahtijeva kontinuirano održavanje takvih detektora.

Prednost poluprovodničkih detektora je to što je srednja energija potrebna da kreira par elektron - šupljina oko deset puta manja nego za stvaranje jonizacionog para unutar gasa. Zbog veće gustine samog materijala imaju veću zaustavnu moć.

Na slici je prikazan presjek tipičnog koaksijalnog germanijmskog detektora.

Kristal germanijuma se nalazi u vakuumu. Kućište je od aluminijuma tipične debljine 1.5 mm. Sa unutrašnje strane je P+ kontakt debljine oko 0.3 μm, dok je N+ kontakt deblji i iznosi 0.9 mm.

U radnim su uvjetima poluvodički detektori spojeni na visok napon u zapornom smjeru, kojim se postiže električno polje u osjetljivom sloju detektora. Teži se u izradi i upotrebi tih detektora da se postignu što je moguće manje zaporne struje, jer se time smanjuje šum brojača i poboljšava razlučivanje. Prolaskom električki nabijene čestice kroz osjetljivi sloj detektora (iz kojeg su zapornim električnim poljem uklonjeni pokretni nosioci naboja) stvaraju se pokretni nosioci, elektroni u vodljivoj vrpci i šupljine u valentnoj vrpci, koji se pod djelovanjem električnog polja kreću prema pozitivnoj, odnosno negativnoj elektrodi detektora. Stvara se električni signal, koji je proporcionalan gubitku energije čestice u osjetljivom sloju detektora.

2.1 Vrste poluvodičkih detektora

U upotrebi je mnogo vrsta poluvodičkih detektora, a najzastupljeniji su silicijski detektor s površinskom barijerom, silicijski detektor s povlačenim litijem ili Si(Li) detektor, germanijski detektor s povlačenim litijem ili Ge(Li) detektor i detektor od germanija posebno visoke čistoće ili HPGe detektor (HP skraćenica od engl. high purity).

2.1.1 Silicijski detektor s površinskom barijerom

Silicijski detektor s površinskom barijerom izrađuju se od monokristala silicija tipa n, na kojemu se oksidacijom stvara sloj tipa p. Kontakt na sloju p napravljen je naparavanjem zlata ili rodija, a na osnovnom sloju n naparavanjem aluminija. Priključivanjem detektora na zaporni napon (tip n na pozitivan, a tip p na negativan priključak naponskog izvora) stvara se uz spoj n-p osjetljivi sloj iz kojeg su uklonjeni pokretni nosioci naboja. Ukoliko se želi postići veća debljina osjetljivog sloja, potreban je silicij veće čistoće (električni otpori u području 10 do 100 Ohmmetar), te kvalitetna obrada i izolacija, kako bi se mogao primijeniti visok zaporni napon. Za neke primjene, kao što je otkrivanje teških iona, kojima je doseg relativno kratak, upotrebljavaju se detektori male debljine osjetljivog sloja.

2.1.2 Si(Li) detektor

Si(Li) detektor se izrađuje s većom debljinom osjetljivog sloja i poboljšanim energetskim razlučivanjem. Osnovni postupci u izradi tih detektora su: nanošenje metalnog litija na monokristal silicija tipa p, zagrijavanje radi pospješivanja difuzije litijevih iona u monokristal, te povlačenje litijevih iona kroz kristal na temperaturi oko 400 ºC, primjenjujući snažno električno polje.

Posljednji postupak je važan, jer se pri povlačenju litijevih iona kroz monokristal postiže kompenzacija akceptorskih stanja (litijevi ioni vežu se uz ta stanja) i postignuti sloj debljine oko 5 mm ima svojstva

intrinsičnog silicija. Kada se na monokristal, nakon ugradnje u detekcijski sustav, priključi zaporni napon, u cijeloj debljini sloja kroz koji je povlačen litij javlja se električno polje. Tako se postižu debljine osjeljivih slojeva oko 5 mm. Zbog veće debljine osjetljivog sloja smanjuje se kapacitet detektora, a ako se hladi (obično na temperaturu tekućeg azota – 77 K), bitno se smanjuje zaporna struja. Rezultat je znatno smanjenje šuma i izvanredno visoko energetsko razlučivanje.

Za energije upadnih fotona 5,9 keV (manganovo rendgensko zračenje K-alfa se upotrebljava kao standard za ispitivanje) postiže se razlučivanje bolje od 150 eV. Primjenom tih detektora veoma se napredovalo u mjerenjima fotonskih spektara u području energije od 1 do 30 keV. Ta metoda je izvanredno osjetljiva i vrlo brzo dobiva se rezultat. Si(Li) detektori upotrebljavaju se isto za detekciju elektrona, protona i drugih električki nabijenih čestica.

2.1.3 Ge(Li) detektor

Ge(Li) detektor upotrebljava se za detekciju fotona u području energije od 3 keV do oko 3 MeV, te za detekciju različitih električki nabijenih čestica (npr. protona energije od 1 do 60 MeV, deuterija od 1 do 80 MeV). Germanij ima mnogo veću gustoću od silicija i mnogo veći atomski broj. Zato je apsorpcija fotona u germaniju, kao i zaustavljanje brzih iona, mnogo veća nego u siliciju. Povlačenjem litija u monokristalima germanija metodom koja se samo u detaljima razlikuje od opisane metode za izradu Si(Li) detektora, postižu se znatno deblji kompenzirani slojevi, debljine 10 do 15 mm. Osjetljivi sloj može biti različitog oblika, a dva su najčešća u upotrebi: planarni (pločica kao silicijski detektori) i koaksijalni (valjkasti). Koaksijalni oblik omogućuje izradu Ge(Li) detektora relativno velike zapremine

(do 100 cm 3 ), pa je njihova djelotvornost za detekciju fotona energije oko 1 MeV, usporediva s djelotvornosti standardnih NaI(Tl) scintilatijskih detektora. Ali energetsko razlučivanje Ge(Li) detektora je mnogo bolje. Nedostatak Ge(Li) detektora je u tome što se ne smiju zagrijati na sobnu temperaturu. Difuzija litijevih iona u germaniju na sobnoj temperaturi toliko je snažna da se u kratkom vremenu od samo nekoliko minuta uništi kompenzirani sloj. Stoga se ti detektori redovito drže u Dewarovim posudama s tekućim azotom.

2.1.4 HPGe detektor

HPGe (HPGe-High Purity Germanium) detektor se izrađuje od germanija visoke čistoće (primjese su u

tim monokristalima oko 1 : 1012, pa su to izrazito najčišće poznate tvari). Kako je njihova otpornost na temperaturi tekućeg dušika vrlo velika, na zapornim naponima 1000 V postižu se osjetljivi slojevi debljine oko 7 mm, a na 3 500 V i do 12 mm. Izvedbe HPGe detektora vrlo su slične izvedbama Ge(Li) detektora, a i njihova su detekcijska svojstva podjednaka. Mnogo su skuplji, ali se mogu (kada se duže vremena ne mjeri) zagrijati i držati na sobnoj temperaturi. Preporučuje se da se HPGe detektori ne zagrijavaju i ne hlade često zbog mogućih strukturnih oštećenja nosača monokristala, kontakata i slično. Besprimjesni germenijumski detektori imaju p-i-n strukturu u kome je i (intrinsic – besprimjesan) sloj osjetljiv na gama - i X - zračenje. pn - spoj je inverzno polarizovan te se na taj način kreira jako električno polje unutar besprimjesnog sloja. Kada foton dospije u besprimjesni sloj dolazi do interakcije sa elektronima besprimjesnog sloja. Ovdje se kreira veliki broj parova elektron -

šupljina, te se pod uticajem jakog električnog polja vrši preraspodjela naelektrisanja. Količina stvorenih parova elektron-šuplijna proporcionalna je energije upadnog fotona. Pod uticajem fotona stvara se strujni impuls koji se dalje vodi na pretpojačavač. Obično je sam pretpojačavač smješten u kućište detektora.

LITERATURA

[1] Debertin, K., Helmer, R.G.. Gamma- and X-ray Spectroscopy with Semiconductor Detectors.

North-Holland, Amsterdam(1988).

[2] Tomas Nemeš. Uticaj efekta pravog koincidentnog sumiranja na efikasnost poluprovodničkih

gama spektrometara-diplomski rad. Novi Sad, 2005.

[3] Wikipedia, The Free Encyclopedia. Semiconductor detector. Retrieved January 5., 2012 from

http://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_detector

[4] European Organization for Nuclear Research (2008). How a detector works. Retrieved January

5, 2012 from http://public.web.cern.ch/public/en/research/Detector-en.html

[5] Ergonomija. Mjerenje ionizirajućeg zračenja. Preuzeto 5. januara 2013. od

http://www.zpr.fer.hr/static/erg/2001/kovac/c1.html