Полупроводниковый детектор (ППД)

Рис.9 Эквивалентная схема

Полупроводниковый детектор работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния и германия. В кристалле за счет наличия областей с n - и p -проводимостями создается область, обедненная носителями (в ней электроны и дырки рекомбинируют). p -слой подсоединяется к отрицательному электроду, n -слой к положительному. Все носители оттягиваются от переходного слоя, диод заперт. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора. Заметим, что в действительности, положительно заряженные дырки не могут двигаться в кристаллическом твердом теле. На самом деле происходит следующее: дырки заполняются соседними электронами, которые движутся в противоположном направлении, оставляя позади новые дырки. Таким образом, кажется, что перемещаются дырки.

Энергия, затрачиваемая на образование пары электрон-дырка в полупроводниковом детекторе, меньше энергии образования пары электрон-ион в газах примерно в 10 раз. Следовательно, при полном торможении одной и той же частицы в импульсной камере и полупроводниковом детекторе амплитуда импульса в последнем примерно в 10 раз больше.

Рис.10 Спектр γ-излучения, полученный на a) сцинтилляционном детекторе и b) полупроводниковом

Подвижность электронов и дырок, а, значит, время собирания их на электродах детектора отличаются не более чем в 3 раза. Это позволяет осуществить полное собирание, как электронов, так и дырок. Время собирания электронов и дырок в ППД составляет 20-100 нс и значительно меньше времени собирания ионов в ИК. Поэтому ППД обладают хорошим быстродействием или малым разрешающим временем.

Благодаря малой энергии образования пары электрон-дырка ППД обладают очень хорошим энергетическим разрешением, для германиевых детекторов порядка 0.1%. На рис.10 результат измерения спектра γ -излучения ¹³³Ba сцинтилляционным детектором и полупроводниковым.

Рис.11 Устройство кремниевого микрострипового детектора

Для точного определения координат частиц используют полупроводниковые микростриповые детекторы. Они представляют собой пластины монокристалла кремния, на одну из поверхностей которых наносятся тонкие электроды (стрипы), отстоящие друг от друга на расстоянии ~20 мкм, а другая покрывается металлическим слоем (рис.11). В зависимости от места попадания заряженной частицы сигнал снимается с разных стрипов. Пространственное разрешение микростриповых детекторов достигает 10 мкм. Временное разрешение – 10^-8 с.

Недостатком ППД является малый размер чувствительной области, это не позволяет применить их для измерения частиц высоких энергий.

 

Характерные свойства счетчиков излучений можно свести в таблицу.

Характеристики счетчиков
	Эффективность, %	Энергетическое разрешение, %	Разрешающее время
Импульсная ионизационная камера	< 10	1÷3	10-5
Пропорциональный счетчик	< 10	~ 1	10-6
Счетчик Гейгера	~ 5	—	10-4
Сцинтилляционный детектор	~ 100	5÷10	10-9
Полупроводниковый детектор	~ 100 10 для γ-излучения	0.1	10-8

Следовые детекторы

В следовых детекторах фиксируется трек, оставляемый региструемой частицей в рабочем веществе. По геометрии треков устанавливается число заряженных частиц, участвовавших в реакции, и направления их движения. Толщина следа определяется потерями энергии частицы на единице пути, которые зависят от заряда и скорости частицы. Если трек умещается в рабочем объеме детектора, то по длине следа определяют пробег частицы, зависящий от энергии частицы, ее заряда и массы. Среднеквадратичный угол рассеяния зависит от заряда, скорости и импульса частицы. И, наконец, если детектор помещен в магнитное поле, по радиусу кривизны следа определяют отношение импульса к заряду частицы. Богатая информация о свойствах частицы позволяет определить не только характеристики, но и тип зарегистрированной частицы.

Существуют несколько типов следовых детекторов:

· Ядерные фотоэмульсии

· Камера Вильсона

· Пузырьковая камера

· Искровая камера

· Многопроволочная пропорциональная камера

·...

Ядерные фотоэмульсии

В фотографической эмульсии заряженные частицы оставляют видимые следы, которые после проявления можно детально изучать. Значительная плотность эмульсии (около 3.8 г/см³) позволяет остановить в ней частицы довольно высокой энергии. Вследствие малых размеров проявленных зерен фотоматериала (~0.6 мкм) эмульсия позволяет получить отличное угловое и пространственное разрешение.

История использования фотоэмульсий для регистрации ядерных частиц началась с наблюдения Беккерелем в 1896 году почернения фотопластинок в присутствии урановых соединений, приведшего к открытию явления радиоактивности (см. лекцию). Ядерные эмульсии отличаются от обычных большой толщиной чувствительного слоя - до нескольких сотен микрон. Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3 мкм. Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующем проявлении в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до ~1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.

С 1945 по 1955 методом ядерных фотоэмульсий были сделаны важные открытия: зарегистрированы π -мезоны и последовательности распадов протонов и мюонов, а также обнаружены ядерные взаимодействия антипротонов и К^--мезонов. Методом ядерных фотоэмульсий был исследован состав первичного космического излучения, кроме протонов в нём были обнаружены ядра Не и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe.

Сложность использования ядерных фотоэмульсий связана с их сложным составом (неопределенностью ядра-мишени). К настоящему времени ядерные фотоэмульсии вытесняется пузырьковыми и искровыми камерами и электронными трековыми детекторами частиц.

Камера Вильсона

В камере Вильсона след частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. В 1927г. Ч. Вильсону присуждена Нобелевская премия: