Полупроводниковые детекторы ядерного излучения основаны на способности ионизирующего излучения создавать в полупроводниковом материале пары электрон–дырка. Эти носители заряда под действием внешнего электрического поля дрейфуют к соответствующим электродам, создавая измеримый электрический сигнал. В отличие от газонаполненных детекторов, в которых энергия излучения тратится на ионизацию газа, полупроводниковый кристалл обладает значительно большей плотностью и меньшей энергией ионизации (≈3–5 эВ против ≈30 эВ у газа), что позволяет достичь высокой чувствительности и энергетического разрешения.
Типичный материал, используемый в таких детекторах, — это кремний (Si) или германий (Ge), причем последний предпочтителен при детектировании γ-излучения высокой энергии благодаря своей более высокой атомной массе.
1. p–n-переход Это базовая структура, образованная соединением двух областей полупроводника с различной проводимостью. При наложении обратного смещения в области перехода возникает обеднённый слой, практически свободный от носителей заряда. Именно в этом объёме регистрируются взаимодействия ионизирующего излучения. Создание этого слоя и поддержание стабильного поля в нем являются основой работы большинства полупроводниковых детекторов.
2. Обеднённый детектор (или диодный детектор) В этом типе детектора создается достаточно толстый обеднённый слой с помощью высокоомного легированного полупроводника и приложенного высокого обратного напряжения (до нескольких кВ). Его толщина может достигать нескольких миллиметров, что позволяет эффективно регистрировать β- и γ-излучение.
3. Литиево-дрифтовые детекторы (Li-drifted) Для получения больших объёмов чувствительного слоя, особенно в детекторах на основе Ge, применяют технологию литиевой компенсации. Дифундированный в кристалл литий компенсирует примеси, расширяя обеднённый слой на значительную глубину. Такие детекторы обозначаются как Ge(Li) или Si(Li). Однако они требуют охлаждения до температуры жидкого азота (77 К), так как при комнатной температуре происходит быстрая диффузия лития и деградация характеристик.
4. HPGe-детекторы (High-Purity Germanium) В отличие от Ge(Li), эти детекторы изготавливаются из экстремально чистого германия, что позволяет добиться больших обеднённых слоев без легирования литием. Такие детекторы также работают при криогенных температурах и применяются в спектрометрии γ-излучения благодаря отличному энергетическому разрешению.
Энергетическое разрешение Одним из ключевых достоинств полупроводниковых детекторов является превосходное энергетическое разрешение. Оно определяется флуктуациями числа генерируемых пар электрон–дырка и, как правило, составляет порядка 0,1–0,3% для γ-лучей с энергией около 1 МэВ. Для сравнения, у сцинтилляционных детекторов оно составляет около 5–10%.
Полнота сбора заряда Эффективность детектора зависит от способности полностью собирать все заряды, образованные ионизацией. Недостатки, связанные с ловушками и рекомбинацией носителей, могут привести к искажению спектра. Современные технологии позволяют минимизировать эти эффекты за счёт высокого качества кристаллов и оптимизации электрических полей.
Толщина чувствительного слоя От толщины чувствительного слоя зависит вероятность взаимодействия излучения с веществом детектора. Для α- и β-частиц достаточны тонкие слои (десятки – сотни мкм), тогда как для γ-квантов требуются миллиметровые толщины. В HPGe-детекторах толщина может достигать нескольких сантиметров.
Температурные ограничения Из-за низкой ширины запрещённой зоны германий особенно чувствителен к тепловым возбуждениям, что требует охлаждения до криогенных температур для подавления фонового тока. Кремниевые детекторы обладают несколько большей шириной запрещённой зоны (1,1 эВ против 0,67 эВ у Ge) и могут работать при более высоких температурах, но всё равно ограничены в применении при комнатной температуре для задач с высоким разрешением.
γ-спектрометрия HPGe-детекторы являются стандартом для высокоточной спектроскопии γ-излучения, например, в радиационном контроле, аналитической химии, ядерной медицине и ядерной астрофизике. Их способность различать близко расположенные по энергии γ-линии делает их незаменимыми в ряде научных и прикладных задач.
α- и β-спектрометрия Тонкие кремниевые детекторы применяются для регистрации и анализа α- и β-частиц. Например, в дозиметрии, при исследовании радиоактивных выбросов, в радиохимических лабораториях.
Трековые детекторы Полупроводниковые детекторы, собранные в виде пиксельных или стриповых матриц, используются в качестве координатных трекеров в экспериментальной физике высоких энергий (например, в экспериментах на Большом адронном коллайдере). Они позволяют с высокой точностью восстанавливать траектории частиц.
Медицинская и космическая диагностика Сенсоры на основе CdTe, CdZnTe, Si и других полупроводников применяются в системах ПЭТ, КТ, детекторах в рентгеновской астрономии и γ-астрономии благодаря хорошему разрешению и компактности.
Шум и тёмный ток Собственные шумы детектора (термогенерация пар электрон–дырка, утечки и поверхностные токи) ограничивают его чувствительность. Они особенно критичны при регистрации слабых сигналов и требуют эффективного охлаждения, экранирования и применения малошумящих усилителей.
Рекомбинация и захват зарядов Примеси и дефекты кристаллической решётки могут служить ловушками для носителей заряда, снижая эффективность регистрации. Качественная очистка и контроль технологического процесса — важнейшие факторы в производстве детекторов.
Повреждение излучением Полупроводниковые детекторы чувствительны к радиационному повреждению: излучение создает дефекты в решётке, которые ухудшают подвижность носителей, увеличивают шум и уменьшают срок службы детектора. В условиях высокой радиационной нагрузки (например, в ускорительных экспериментах) используются специальные радиационно-стойкие конструкции и регулярная калибровка.
Электроды и корпусировка Детекторы заключаются в герметичные корпусы, часто вакуумные или заполненные инертным газом, с окном из тонкой фольги (например, бериллиевой), прозрачной для нужного типа излучения. Электроды изготавливаются методом напыления тонких слоёв металла (золота, алюминия и др.), обеспечивая контакт с чувствительным объёмом без существенного ослабления сигнала.
Охлаждение Часто используется охлаждение жидким азотом, особенно в HPGe-детекторах. При этом детектор устанавливается в криостат, соединённый с сосудом Дьюара, где поддерживается температура около 77 К. Это позволяет резко уменьшить шумовые токи и увеличить срок службы.
Предусилитель Для регистрации слабого сигнала требуется малошумящий предусилитель, размещаемый вблизи детектора. Обычно применяются зарядовые чувствительные предусилители, работающие в импульсном режиме. Выходной сигнал затем подаётся на спектрометрическую электронику (анализатор формы импульса, АЦП и др.).
Современные исследования направлены на создание:
Развитие технологии эпитаксиального роста, наноструктурирования и новых компаундов (например, перовскитов) открывает возможности создания новых типов детекторов с повышенной чувствительностью и разрешением, пригодных для широкого спектра задач ядерной физики и смежных областей.