Энергетическое разрешение полупроводникового детектора

Энергетическое разрешение детектора — это мера его способности различать (разрешать) два результата отклика детектирующей системы на воздействие двух потоков дискретного энергетического излучения близкого друг к другу по энергии.

При облучении детектора пучком моноэнергетических частиц, т. е. частиц, имеющих одинаковую энергию E₀, в полупроводниковом детекторе создается N ± ?N электронно-дырочных пар. Дисперсия (?N)² зависит от переданной энергии и материала детектора. Она меньше дисперсии, соответствующей закону Пуассона, на фактор F, называемый фактором Фано, т. е.

(9).

Обычно при спектрометрических измерениях вместо среднеквадратичного отклонения пользуются так называемой «шириной» линии FWHM (ширина линии на половине высоты). Величина FWHM связана со среднеквадратичным отклонением у соотношением.

(10).

Таким образом, энергетическое разрешение равно.

(11).

где W — энергия, которая затрачивается на образование электронно-дырочной пары.

Проводимость переходной области полупроводника, к которой приложено напряжение смещения, отлична от нуля. Поэтому через нее протекает ток, который принято называть током утечки. Флуктуации количества носителей заряда в этой области, возникающие при тепловой генерации, приводят к флуктуациям тока. Кроме того, из-за разной концентрации электронов и дырок в n — и p — областях возникает диффузионный ток через (n — p) — переход. Последний примерно на два порядка меньше тока генерации.

Энергетическое разрешение детектора, определяемое флуктуацией числа пар созданных носителей, является теоретическим пределом. Однако, на разрешение детектора оказывают влияние и другие факторы, основными из которых являются шумы детектора. Шумы детектора обусловлены существованием в чувствительной области детектора неосновных носителей, которые под действием приложенного напряжения создают в нем так называемый «обратный» ток.

Флуктуации этого тока (шумы детектора) дают дополнительный разброс в амплитуду выходных импульсов. При больших значениях обратного тока (тока утечки детектора) шумы детектора вносят основной вклад в энергетическое разрешение.

Для того, чтобы детектор эффективно регистрировал ядерное излучение, должны выполняться следующие условия:

• — трек частицы должен полностью укладываться в чувствительной области детектора (т.е. в области сильного поля);
• — неравновесные заряды, генерированные частицей, должны полностью собираться на электроды, что обеспечивает пропорциональность электрического сигнала поглощенной энергии;
• — флуктуации выходного сигнала должны быть минимальны, чтобы обеспечить высокую разрешающую способность по энергии.

В зависимости от параметров и технологии изготовления полупроводниковые электронно-дырочные детекторы делятся на поверхностно-барьерные (например, Au-Si); диффузионные с (n — p), (pn) переходами; диффузионно-дрейфовые с (nip) переходами. К последнему типу относятся также детекторы из особо чистого германия (HpGe), которые иногда выделяют в отдельную группу.

По сравнению с другими детекторами, работающими на том же принципе, например, с ионизационной камерой, полупроводниковый детектор обладает рядом преимуществ. Например, в полупроводниковом счетчике на образование одной пары носителей заряда требуется в ~10 раз меньше энергии, чем в газонаполненных счетчиках. Также высокая плотность вещества счетчика позволяет получить существенно больший заряд на единице пути частицы в счетчике.

Среди других достоинств полупроводниковых детекторов следует указать:

• — линейность в широком диапазоне энергий;
• — малое время нарастания импульса;
• — относительную простоту и небольшие размеры;
• — нечувствительность к магнитным полям.

Полупроводниковые детекторы можно классифицировать различными способами, например:

• — по типу используемого полупроводника, на основе которого создаются детекторы;
• — по способу их изготовления (поверхностно-барьерные, диффузионные, ионно-легированные, литий-дрейфовые, эпитаксиальные и др.);
• — по их температурному режиму работы (охлаждаемые и неохлаждаемые);
• — по типам частиц, для измерения которых они предназначены (детекторы рентгеновского излучения, г-излучения, осколков деления, б-частиц и др.);
• — по их функциональным возможностям (определение энергии частиц и квантов, удельных ионизационных потерь, координат и времени прихода частиц в детектор и др.).