Halvlederdetektor

Halvlederdetektor for gammastråling. Høyrent germanium- enkeltkrystall inne i saken er rundt 6 cm i diameter og 8 cm i lengde

En halvlederdetektor er en stråle- eller partikkeldetektor der spesielle elektriske egenskaper til halvledere brukes til å oppdage ioniserende stråling . Strålingen genererer gratis ladningsbærere i halvlederen som migrerer til metallelektroder. Dette nåværende signalet forsterkes og evalueres. Halvlederdetektorer brukes for eksempel i spektroskopi , kjernefysikk og partikkelfysikk .

Arbeidsprinsipp

Enkelt sagt, detektoren er en diode som en DC-spenning påføres i motsatt retning, slik at det normalt ikke strømmer. Hvis den innfallende strålingen genererer elektronhullpar i materialet , dvs. gratis ladningsbærere, migrerer disse i det elektriske feltet til elektrodene og kan måles som en strømpuls.

Hvor mange elektronhullpar en partikkel eller kvante av den innfallende strålingen frigjør, avhenger, i tillegg til energien, i stor grad av båndgapsenergien til materialet som brukes. Avhengig av typen ioniserende stråling, oppstår ladeskyene som genereres i detektoren på forskjellige måter og fordeles forskjellig i volumet. En ladet partikkel skaper et ioniseringsspor langs banen. En foton , derimot, kan bruke fotoeffekten til å frigjøre hele ladningen som tilsvarer energien praktisk talt på et tidspunkt ved å frigjøre den til et sekundært elektron . I konkurranse med fotoeffekten oppstår Compton-effekten ved høyere fotonenergi , der bare en del av energien overføres til elektronet og blir avsatt i detektoren.

applikasjon

Halvlederdetektorer brukes på grunn av deres høye energioppløsning og - med passende strukturering - deres plasseringsfølsomhet (posisjonsfølsomme detektorer). De brukes z. B. i røntgenfluorescensanalyse , gammaspektroskopi , alfaspektroskopi og partikkelfysikk . Et eksempel på sistnevnte er Semiconductor Tracker (SCT) til ATLAS- detektoren .

Elektromagnetisk stråling

Med absorpsjon av høyenergi ultrafiolett stråling ( vakuum UV , ekstrem UV ) samt røntgen- og gammastråling , løftes et primærelektron først fra valensbåndet til ledningsbåndet . Dens kinetiske energi er veldig høy, og det er derfor det dannes mange sekundære elektroner og fononer . Generering av sekundære partikler er en statistisk prosess. Med samme startenergi oppstår ikke alltid samme ladebærere. Rekkevidden for sekundærpartiklene er relativt kort. Sammenlignet med ioniseringsprosessene som er forårsaket av ladede partikler, genereres ladningsbærerne i et veldig lite område.

For å oppnå høy deteksjons sannsynlighet, brukes halvledere med høyt atomnummer som germanium , galliumarsenid eller kadmium tellurid for gammastråling . I tillegg er det nødvendig med en relativt stor tykkelse av enkeltkrystallet . Halvlederdetektorer laget av germanium, som den viste HP-Ge-detektoren , må avkjøles til temperaturen på flytende nitrogen (77 K) fordi de har en veldig høy lekkasjestrøm ved romtemperatur, noe som vil ødelegge detektoren ved den nødvendige driftsspenningen. De tidligere brukte litiumdrevne germaniumdetektorene (vanlig navn: Ge (Li) detektor ) samt litiumdrevne silisiumdetektorer (Si (Li) detektor) som fremdeles er vanlige i dag, må til og med avkjøles kontinuerlig, fordi lagring ved romtemperatur betyr at litium Ville ødelegge diffusjon . Kjøling reduserer også iboende støy.

Se også røntgenbildesensor .

Alpha-stråling

Den penetrasjonsdybden av alfa-partikler som er forholdsvis liten ved ca. 25 pm, som deres ionisering kapasiteten er meget høy. I følge Bethe-Bloch-ligningen avhenger ioniseringstapet av ladede partikler av Z ² / v ², så det øker med et høyere atomnummer og lavere hastighet . Tettheten til elektronhullparene øker derfor med dybden fordi alfapartikkens hastighet avtar når den trenger inn. Den har et klart maksimum ved endepunktet ( Bragg-kurven ).

Betastråling

Sammenlignet med alfapartikler har elektroner en størrelsesorden mindre masse og halvparten av den elektriske ladningen . Deres ioniseringskapasitet er derfor mye lavere. Relativistisk (høyenergi) betastråling trenger derfor betydelig dypere inn i detektoren eller trenger helt inn i den og skaper en jevn tetthet av elektronhullpar langs dens bane. Hvis det meste av energien deres frigjøres, skjer - i likhet med alfapartikler - en høyere ionisering ved endepunktet av bane. Ekstremt lavenergielektroner genererer ikke lenger ladningsbærere og samhandler primært med fononer .

Andre typer partikler

Ladede partikler med høy energi ( pioner , kaoner osv.) Trenger inn i detektoren med nesten konstant hastighet og genererer elektronhullpar med en jevn tetthet langs veien. Denne tettheten er nesten uavhengig av energien til partiklene og proporsjonal med kvadratet av deres elektriske ladning. I motsetning til dette genererer protoner og (ladede) kjerner en ioniseringstetthet som også er proporsjonal med kvadratet av ladningen, men omvendt proporsjonal med energien.

Nøytroner eller veldig raske protoner kan også generere signaler i halvlederdetektorer ved f.eks. B. kolliderer med en atomkjerne, som igjen genererer elektronhullpar. Sannsynligheten for dette er imidlertid lav. Av denne grunn er halvlederdetektorer mindre egnet for å oppdage disse partiklene.

Se også

litteratur

  • Gerhard Lutz: Semiconductor Radiation Detectors . Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999, ISBN 978-3-540-71678-5 .
  • Glenn F. Knoll: Strålingsdeteksjon og måling. John Wiley & Sons, New York 1979, ISBN 0-471-49545-X .

weblenker

Individuelle bevis

  1. ↑ Se også RD50 (Radiation hard semiconductor devices for very high luminosity colliders), en internasjonal forskningsforening ved CERN som utvikler strålingsharde halvlederdetektorer for fremtidige eksperimenter på akseleratorer med høyest lysstyrke.
  2. ↑ Rudolf Nicoletti, Michael Oberladstätter og Franz König: Metrology and Instrumentation in Nuclear Medicine: An Introduction . facultas.wuv Universitätsverlag, 2010, ISBN 978-3-7089-0619-5 , s. 69 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book-søk).