Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковые детекторы основаны на способности полупроводниковых материалов (кремний, германий, реже арсенид галлия и другие соединения) генерировать пары электрон–дырка при прохождении через них ионизирующих частиц. Когда заряженная частица проходит через кристалл, она теряет энергию на ионизацию и возбуждение атомов решётки. Эта энергия преобразуется в образование носителей заряда, которые под действием электрического поля дрейфуют к электродам, формируя измеримый электрический сигнал.

В отличие от газовых или сцинтилляционных детекторов, где образование измеряемого сигнала сопровождается значительными статистическими флуктуациями, в полупроводниках число создаваемых пар носителей определяется с высокой точностью, что обеспечивает высокое энергетическое и временное разрешение.

Энергетическая эффективность и статистика сигналов

Ключевым параметром является энергия, необходимая для образования одной пары электрон–дырка. В кремнии это примерно 3,6 эВ, тогда как в газах и сцинтилляторах для регистрации ионизации требуется десятки и сотни электронвольт. Таким образом, при одинаковой потерянной энергии частицы в кремнии формируется в 20–30 раз больше носителей заряда. Это приводит к:

  • улучшению статистики счёта и уменьшению относительных флуктуаций;
  • повышению энергетического разрешения;
  • возможности регистрации частиц с низкой энергией.

Энергетическое разрешение полупроводниковых детекторов может достигать долей процента, что значительно превосходит газовые камеры и фотомножительные системы.

Конструкция и материалы

Для изготовления полупроводниковых детекторов используют монокристаллы высокой чистоты. Наиболее распространены:

  • Кремниевые детекторы (Si): применяются для регистрации заряженных частиц, α-излучения, лёгких ионов; обладают хорошим разрешением и технологичностью производства.
  • Германиевые детекторы (Ge): отличаются низкой шириной запрещённой зоны (0,67 эВ), что требует работы при низких температурах (~77 K), но именно они обеспечивают рекордное энергетическое разрешение в γ-спектроскопии.
  • Арсенид-галлиевые и кадмий-теллуровые детекторы (GaAs, CdTe, CdZnTe): эффективны для регистрации жёсткого γ-излучения и рентгеновских квантов благодаря высокой атомной массе компонентов.

Основная конструкция – это p-n-переход, на который подаётся обратное смещение. В этом случае в области пространственного заряда создаётся электрическое поле, вытягивающее носители к электродам. Варьируя толщину и площадь кристалла, можно оптимизировать детектор под различные задачи.

Рабочие режимы

  1. Обратное смещение: обеспечивает разрядку носителей и минимизацию шумов. При высоком напряжении область пространственного заряда занимает весь объём кристалла, что увеличивает эффективность регистрации.
  2. Охлаждение: особенно важно для германиевых детекторов. Снижение температуры уменьшает тепловую генерацию носителей, которая создаёт фоновый шум.
  3. Полная деплеция: состояние, когда весь кристалл очищен от свободных носителей, и любая ионизация фиксируется максимально эффективно.

Преимущества

  • высокое энергетическое разрешение (до ~0,1 % для γ-квантов в Ge-детекторах);
  • компактность и возможность миниатюризации;
  • линейность отклика по энергии;
  • широкий диапазон регистрируемых частиц – от протонов и α-частиц до γ-квантов и нейтронов (при соответствующем преобразующем слое).

Ограничения и проблемы эксплуатации

  • необходимость охлаждения (особенно для Ge);
  • чувствительность к радиационным повреждениям, приводящим к накоплению дефектов в кристалле и росту токов утечки;
  • сравнительно высокая стоимость материалов и технологии производства;
  • ограниченная площадь и толщина чувствительного объёма (особенно у кремния).

Применение в физике космических лучей

Полупроводниковые детекторы широко используются в современных космических и наземных установках:

  • Спектрометрия γ-излучения: германиевые кристаллы позволяют исследовать спектры космических источников с высочайшей точностью, включая линии радиоактивного распада в межзвёздной среде.
  • Трековые детекторы: кремниевые пиксельные и стриповые структуры применяются для точного восстановления траекторий заряженных частиц в космических телескопах.
  • Идентификация частиц: измерение потерь энергии (dE/dx) в кремниевых пластинах даёт возможность различать частицы по заряду и массе.
  • Космические аппараты и спутники: малый вес, компактность и низкое энергопотребление делают такие детекторы идеальными для астрофизических миссий.

Современные технологии

  • Кремниевые трекеры: многослойные массивы тонких пластин с микроэлектродами, регистрирующие координаты пролёта частиц. Используются в детекторах AMS-02, PAMELA, DAMPE.
  • HPGe-детекторы: высокочистый германий (High Purity Germanium) обеспечивает исследование астрофизических источников γ-квантов, включая сверхновые и активные ядра галактик.
  • Пиксельные и матричные системы: позволяют совмещать высокое пространственное разрешение с возможностью работы в условиях высокой плотности событий.
Оглавление