Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

Глава 5

СПЕКТРОМЕТРИЯ ЖЕСТКОГО у-ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 5.1. ППД ДЛЯ у-СШЗКТРОМ ё т р и и

Физические процессы, лежащие в основе взаимодействия у-квантов с веществом, достаточно полно рассмотрены в фун­ даментальных работах [1, 2]. Поэтому в настоящем разделе мы не будем подробно касаться этих вопросов.

Процесс регистрации у-квантов в большинстве типов ди­ скретных детекторов основан на передаче энергии кванта элек­ трону, который «образуется» в результате этого взаимодейст­ вия. (Строго говоря, электрон не всегда образуется в результате взаимодействия у-кванта с веществом, так как при фотоэффекте и комптоновском рассеянии энергия у-кванта передается уже существующему электрону. Лишь при эффекте образования пар (при Е у> 2 т 0с2) происходит «рождение» электрона и пози­ трона. Тем не менее для упрощения дальнейшего изложения мы будем использовать не совсем корректное выражение «образо­ ванный электрон», понимая под этим сказанное выше.) Вероят­ ность образования электрона при взаимодействии у-кванта с веществом определяется сечениями фотоэлектрического погло­ щения, комптоновского рассеяния и эффекта образования элек- трон-позитронных пар.

В результате передачи путем ионизационных потерь энергии электрона веществу детектора выходной сигнал последнего может иметь дисперсию. Дисперсия выходного сигнала детек­ тора определяется статистической природой передачи энергии электрона веществу детектора.

Следует учитывать, что образованный в результате взаимо­ действия у-кванта с веществом электрон —■единственный но­ ситель информации об энергии у-кванта. Вероятностный харак­ тер передачи энергии у-кванта электрону уже определяет неоднозначность связи энергии образованного электрона с энер­ гией у-кванта. Поэтому на этой первой ступени процесса пере­ дачи информации электрон — вторичный носитель информации об энергии у-кванта (первичной информации). Вторая ступень передачи информации — процесс создания сигнала в детекторе. Искажения первичной информации, сопутствующие первой и второй ступеням ее передачи, приводят к тому, что аппаратур-

178

ныи спектр (распределение сигналов детектора) существенна отличается от истинного (распределения энергий у-квантов).

Указанные процессы необходимо точно учитывать при рас­ смотрении . особенностей спектрометрии у-квантов полупровод-

Рис. 5.1. Сечения взаимодействия у-квантов с полупровод­ никовыми материалами.

никовым детектором. Наиболее широко используют для этой цели детекторы на основе кремния и германия. Сечения взаимо­ действия у-квантов с этими материалами приведены нарис. 5.1. На этом же рисунке показаны зависимости пробега электронов в данных материалах от энергии. Таким образом, зная пробег

179

электрона в . полупроводниковом материале, .можно выбрать минимальные размеры толщины чувствительной области ППД, в пределах которой может произойти полная передача энергии электрона материалу детектора. Увеличение размеров чувстви­ тельной области ППД приводит к повышению макросечений взаимодействия у-квантов с веществом, т. е. к повышению эф­ фективности регистрации.

Выбирая материал для ППД, нужно учитывать, что только при фотопоглощении у-квант передает свою энергию полностью электрону! Поэтому для изготовления ППД целесообразно ис­ пользовать материал с большим эффективным атомным номе­ ром, поскольку сечение фотовзаимодействия пропорционально Z5;.,ф. С этой точки зрения германий по сравнению с кремнием — более предпочтительный материал для изготовления ППД.

Приведенные выше рассуждения относились к так называе­ мому одноэлектронному процессу взаимодействия у-кванта с веществом. Численные значения вероятности тех или иных про­ цессов взаимодействия для германия приводятся в табл. 5.1. Реальные детекторы имеют конечные значения объема чувстви­ тельной области, и одноэлектроппая модель взаимодействия применима для них только в первом приближении. Это положе­ ние хорошо иллюстрируется расчетными и экспериментальными данными,, приведенными в работах [3—5]. Полная потеря энер­ гии первичного у-кванта в чувствительном объеме ППД может происходить вследствие многократного комптоновского рассея­ ния с последующим фотопоглощением рассеянного у-кванта. Этот процесс экспериментаторы называют комптоновской пере­ качкой [6, 7].

Следует учитывать, что вероятность полного поглощения энергии у-кванта определяется не только эффективным атом­

чувствительной области ППД. В табл. 5.2 приведены плотность и линейные коэффициенты ослабления некоторых веществ, ко­ торые могут использоваться для изготовления детекторов у-нз- лучения. Из этой таблицы следует, что, несмотря на существен­ ные различия Z3C], у германия и йодистого натрия, значение коэффициентов ослабления у них отличаются лишь в 1,5 раза при энергии около 1 МэВ. На рис. 5.2 показано значение удель­ ных коэффициентов ослабления для некоторых материалов [8]. Нетрудно заметить, что наиболее перспективны так называемые тяжелые материалы, к которым относятся теллурид кадмия, йодистая ртуть, антимоннды галлия и индия, а также арсенид индия [9, 10].

Известно, что искажения на второй ступени передачи ин­ формации рассмотренной выше модели определяются коэффи­ циентом преобразования материала детектора, т. е. количест­ вом образованных носителей информации в материале детек-

180

Т а б л и ц а 5.1

Относительная вероятность фотопоглощения, образования пар

икомптоновского рассеяния для первого взаимодействия у квантов

вGe (Ы)-детекторе

181