Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

ность регистрации становится практически неприемлемой при энергии свыше 30—50 кэВ. В то же время германии, имеющий па полтора-два порядка более высокий линейный коэффициент ослабления, чем кремний, оказывается пригодным для регист­ рации ^-излучения в широком энергетическом диапазоне. Поэто­ му кремний можно использовать для регистрации квантового излучения с низкой энергией, а его малые Z и плотность обеспе­ чивают возможность создания детекторов с «тонким» входным окном. Что касается заряженных частиц и особенно протонов и «-частиц, то их пробег в кремнии при умеренных энергиях до­ статочно мал. Детекторы для этого вида излучения изготовля­ ют обычно только из кремния. «Тонкое» входное окно кремние­ вых ППД в этом случае играет еще большую роль.

Все сказанное показывает, что сложность реальной струк­ туры полупроводникового материала обусловливает многообра­ зие причин, влияющих на сбор носителей заряда в кремнии и германии. Не касаясь подробно этого вопроса, детально рас­ смотренного в ряде специальных статей и монографий [18—20], укажем лишь на основные физические моменты процесса сбора заряда и образования импульса.

Рекомбинацией носителей заряда в момент их образования можно пренебречь во всех случаях, кроме тех, когда регистри­ руется тяжелый заряженный ион и плотность носителей в треке велика. Образованные носители под действием электрического поля дрейфуют в кристаллической решетке материала к соот­ ветствующим электродам со скоростью, определяемой их по­ движностью и напряженностью электрического поля в обед­ ненной области.

Кристалл содержит ловушки различного рода, неоднородно­ сти структуры, локальные электрические поля, а также харак­ теризуется-подвижностью электронов и дырок, их временем жизни, длиной свободного пробега и сечением захвата. Поэто­ му величина заряда, собранного на электродах, испытывает флуктуацию, по величине и времени собирания часто значи­ тельно превышающую дисперсию, обусловленную статистиче­ ским характером образования носителей заряда.

Все это приводит к ухудшению энергетического и времен­ ного разрешения ППД. К сожалению, до настоящего времени не имеется ясного представления о параметрах полупроводни­ кового материала, необходимых для изготовления из него вы­ сококачественных ППД.

Малая ширина запрещенной зоны в кремнии и особенно в германии требует, как было показано, значительного охлажде­ ния этих материалов для уменьшения в них концентрации сво­ бодных носителей. Это в заметной степени усложняет эксплуа­ тацию таких детекторов, снижает их надежность и долговеч­ ность.

27

Вразное время делались попытки использовать другие полу­ проводниковые материалы для изготовления ППД; арсенид и фосфид галлия, а также сульфид и теллурид кадмия, карбид кремния, амтимонид индия и др.

Варсениде галлия ширина запрещенной зоны равна 1,35 эВ

ив ряде случаев он может быть использован для изготовления ППД, работоспособных при комнатной температуре. Дополни­ тельное охлаждение улучшает параметры ППД из этого мате­

Фосфид галлия имеет очень большую ширину запрещенной зоны—-2,25 эВ, однако времена жизни носителей н их подвиж­ ность в этом материале очень низки. Не имеется сведений об изготовлении ППД из этого материала.

Наибольший интерес представляет теллурид кадмия, по­ скольку из-за широкой запрещенной зоны его собственная про­ водимость даже при комнатной температуре пренебрежимо мала, а высокий атомный номер Z (около 48) делает его чрез­

§ 1.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ

Как и всякий детектор ионизирующего излучения, выходной сигнал которого пропорционален поглощенной энергии, ППД осуществляет линейное преобразование информации, переноси­ мой регистрируемым излучением, в выходной электрический сигнал.

Непосредственный результат взаимодействия излучения дан­ ной энергии с материалом ППД — возникновение в его чувстви­ тельной области более или менее определенного числа дырок и электронов. Число образовавшихся носителей или наличие элек­ трического заряда, приведенные к единице поглощенной энер­ гии, определяют коэффициент преобразования энергии излуче­ ния в электрический сигнал п являются характеристикой точ­ ности этого преобразования и соответственного энергетического разрешения ППД. Значение коэффициента преобразования свидетельствует о потенциальных, предельных возможностях детектора данного типа. Практически это значение оказывается несколько ниже, а его флуктуации, однозначно связанные с энергетическим разрешением ППД, в большинстве случаев не­ сколько превышают полученное из рассмотрения идеализиро­ ванной модели значение. Это вызывается рядом причин, кото­ рые в итоге ухудшают спектрометрические качества ППД и спектрометров. Одна из них — статистический характер преоб­

28

разования энергии частицы в электрический сигнал — является фундаментальной и определяет предельное энергетическое раз­ решение детектора. Другие причины не принципиальны и зави­ сят в основном от совершенства технологии, качества исходного сырья и со временем могут быть сведены к минимуму. К таким причинам относят главным образом совершенство и однород­ ность исходного материала, время жизни неосновных носите­ лей, их подвижность и пр. '

Собственное энергетическое разрешение идеального полупро­ водникового детектора полностью определяется статистическими флуктуациями образования носителей при полном поглощении энергии ионизирующей частицы или кванта в объеме детектора.

Торможение быстрой частицы в каком-либо веществе — сложный процесс, в результате которого энергия частицы вызы­ вает возбуждение и ионизацию атомов, излучательные и безыз­ лучательные переходы между их энергетическими состояниями, увеличение теплозых колебаний кристаллической решетки в твердых телах и т. и.

Поскольку обычно эти процессы никак не коррелироваиы. распределение энергии, затраченной на какой-либо процесс диссипации энергии (например, ионизацию), можно описать на основании закона Пуассона. Нормальные статистические флук­ туации числа образовавшихся в таком случае ионов или элект­ ронов a„o!i могут быть определены по формуле а,ю„= (Е/е) 1/2,. где Е — полная энергия в веществе, а е-— средняя энергия, не­ обходимая для образования пары электрон — ион.

Чем больше число процессов, рассеивающих поглощенную энергию, тем точнее выполняется применительно к ним закон Пуассона. С другой стороны, если вся энергия затрачивается только на один процесс (например, ионизацию), то нормальные флуктуации отсутствуют, ибо число образовавшихся пар всегда постоянно и равно Е/е.

По современным представлениям из-за существования в по­ лупроводниковых материалах кремнии и германии резко огра­ ниченных энергетических зон, а также из-за малой вероятности излучательных переходов и других причин на долю процесса ионизации приходится около 30% всей энергии, поглощенной в детекторе. Поэтому акты ионизации нельзя рассматривать как полностью независимые, а нормальные статистические флуктуа­ ции, вытекающие из закона Пуассона, необходимо корректиро­ вать с помощью определенного коэффициента, введенного Фано [27]. Таким образом, в этом случае а,ю„= (ЕЕ/г)Ч2, где F — фактор Фано, — величина меньше единицы.

Величина фактора Фано при определении предельного энер­ гетического разрешения полупроводниковых детекторов всех типов играет определяющую роль. К сожалению, до настоящего времени не имеется четкого представления о физических явле­ ниях, па основании которых можно было бы теоретически опре­

29

делить его значение в различных полупроводниковых мате­ риалах.

Попытки моделировать процессы рассеяния энергии ППД и на этом основании рассчитать величину фактора Фано до сих пор не привели к убедительным результатам. Однако по мере совершенствования этих моделей расчетное значение фактора Фано за последние годы уменьшилось с 0,3 до 0,05 в кремнии

игермании.

Всвязи с этим особый интерес представляют попытки экспе­ риментального определения его величины на основании прямо­ го измерения энергетического разрешения ППД. Сложность этой задачи заключается в том, что полное энергетическое раз­ решение АЕ определяется главным образом следующими при­ чинами: а) статистическим характером регистрации и фактором Фано; б) неполным сбором образовавшихся носителей; в) шума­ ми электронной аппаратуры.

Значение F можно определить, если известны точно две по­ следние величины. Шумы электронной аппаратуры измеряются при помощи генератора импульсов точной амплитуды. Умень­ шения влияния сбора носителей достигают, используя детекторы малого размера и создавая в них высокое электрическое поле. Тем не менее полученное значение фактора Фано является лишь его верхним пределом, поскольку полной уверенности в 100%-ном сборе заряда не имеется.

В последнее время методику определения фактора Фано за­ метно улучшили. Статистический вклад определяют, экстрапо­ лируя график зависимости энергетического разрешения планар­ ного детектора (за вычетом аппаратурного шума) от обратной величины приложенного напряжения к его бесконечной величи­ не. Предполагают, что при этом наступает 100%-ный сбор заря­ да. Хотя имеется ряд обстоятельств, по которым линейный ха­ рактер экстраполяции нельзя считать доказанным, тем не менее полученные таким образом значения F рассматривают как наи­ более вероятные. Эта величина, измеренная указанным спосо­ бом, составляет 0,06 для германия и 0,07 для кремния [28].

Оценим предельное энергетическое разрешение полупровод­ никовых детекторов для нескольких энергий и значений £ = 0,05

поглощения па половине его высоты, выраженной в электрон-

по энергетическому разрешению на один-два порядка превосхо­ дят этот параметр у пропорциональных и сцинтнлляцнопных счетчиков. К сожалению, изготовляемые промышленностью ППД в настоящее время еще не достигли этого предела. Это

30