-A homogén detektorok közül a gyakorlatban a Si és a Ge egykristályból készültek a legelterjedtebbek.

Átírás

1 Félvezető detektorok - A legfiatalabb detektor család; a 1960-as évek közepétől kezdték alkalmazni őket. - Működésük bizonyos értelemben hasonló a gáztöltésű detektorokéhoz, ezért szokták őket szilárd ionizációs kamrák -nak is nevezni. Azonban a töltéshordozók e-ok és + lyukak, melyek szilárd kristályban keletkeznek (kisebb térfogat elegendő). -A homogén detektorok közül a gyakorlatban a Si és a Ge egykristályból készültek a legelterjedtebbek. -A neutron-sugárzás kivételével, minden fajta sugárzás (α, β, γ, rtg.) intenzitásának és energiájának mérésére használhatók.

2 Ismétlés: szilárd testek sávelmélete A szigetelőkben a tiltott sáv olyan széles, hogy e-ok azon keresztül nem juttathatók a vezetési sávba. A vezetőkben nincs tiltott sáv, a vegyérték és vezetési sávoknak van egy közös tartományuk. A félvezetők tiltott sávja elég keskeny ahhoz, hogy a vegyérték sávból α,β,γ sugárzás e-okat juttasson a vezetési sávba és elektromos jel keletkezzen.

3 Nagy fajlagos ellenállás: Si, Ge Homogén detektorok [Ref. 3.]

4 Nagy tisztaságú germánium detektor (High purity germanium detector, HPGe) Jó szigetelőképesség: -nagy tisztaság, (szennyezés koncentráció kb /cm 3) -alacsony hőmérséklet Kiürített tartomány létrehozása köv. dia

5 Az 5 vegyértékű anyag e többletet okoz, n-típusú szennyezés, a 3 vegyértékű +lyuk többletet, p-típusú szennyezés. (Ezeknek a szennyezéseknek a koncentrációja alacsony, néhány ppm.) A sávelmélet alapján ezek a szennyezések a tiltott sávon belül hoznak létre új, megengedett energia nívókat: az n-típusú szennyezők a vezetési sáv közelében (donor nívók), a p-típusúak a vegyértéksáv közelében (akceptor nívók). n-típusú kristály p-típusú kristály (donor szennyezés) (akceptor szennyezés) (As, P, Sb) (Ga, B, In)

6 A driftelt félvezető detektorokban egy n-típusú és egy p-típusú anyag érintkezik egymással. Ha erre záróirányú feszültséget kapcsolnak a két rész között létrejön egy elektromos töltésektől mentes kiürített tartomány. Ez a detektor érzékeny térfogata, mert ha a sugárzás ebben elnyelődik, +lyuk-e töltéshordozó párokat hoz létre és a detektorra kapcsolt feszültség ezeket összegyűjti, áram folyik, elektromos impulzust szolgáltat a detektor. A detektort úgy kell megválasztani, hogy érzékeny térfogata nagyobb legyen, mint a mérni kívánt részecske hatótávolsága! [Ref. 3.]

7 α-sugárzás mérése: Si alapú, felületi záróréteges detektor (n-típusú Si lap, p-típusú oldalon arany (Au) réteg, ennek vastagsága kb. 50 µg/cm 2, ez egyben elektromos kontaktus és fényzáró is.

8 1903. Crookes Szcintillációs detektorok A gáztöltésű detektorok megjelenése a módszert az 1940-es évekig feledtette. Ekkor Bay Z. kifejlesztette a fotoelektron-sokszorozó (photomultiplier=pmt) csövet és mások pedig a nagyméretű, tiszta, átlátszó egykristály (NaI(Tl) = nátriumjodid-tallium) gyártását, majd később az 1950-es években más fajta kristályokét is. Minden fajta sugárzás (α, β, γ, n) intenzitásának és energiájának mérésére alkalmas. Hátránya, hogy bonyolultabb és drágább, mint a gáztöltésű detektor. A szcintilláció fényfelvillanást jelent. A detektálás alapja, hogy bizonyos anyagokban, ún. szcintillációs kristályokban a radioaktív sugárzás részecskéi fényfelvillanást keltenek. Az energia mérés alapja, hogy a fényfelvillanás intenzitása a fotonok száma arányos a részecske energiájával.

9 Szcintillátorok A keletkező fotonok száma (n) időben változó (az en. átadás többlépéses): n=n össz (1-exp(-t/τ)) n össz : a folyamatban keltett fotonok teljes száma Lecsengési idő (τ): s Követelmények: Nagy fényhozam. Lineáris kapcsolat a leadott energia és a kibocsátott fényintenzitás között. Kis lecsengési idő. Átlátszó szcintillátor. Megfelelő törésmutató.

10 A szervetlen szcintillátorok legfontosabb sajátságai [Ref. 3.]

11 A szervetlen szcintillátorok működési elve [Ref. 3.]

12 Fénybegyűjtés [Ref. 3.]

13 Fotoelektronsokszorozó E = hν elektron E kilépési vákuum (áramlökés) [Ref. 3.]

14 A fotoelektronsokszorozó cső: a szcintillációs kristályból kilépő fényimpulzusokat elektromos jelekké alakítja át. A kristályban keletkezett fény a PMT fotokatódjára jut, onnan e-okat vált ki. Fotokatód jellemzői: kilépési munka, kvantumhatásfok, spektrális érzékenység. Az e-ok a csőre kapcsolt feszültség hatására becsapódnak az első dinódába, abból kiütnek 3-6-szor annyi e-t, mint amennyi becsapódott, a megnövekedett számú e ráfut a következő pozitívabb dinódára, onnan ismét több e lép ki, stb. Így az utolsó, legpozitívabb elektródra, az anódra, e lavina érkezik, mely átfolyva az anód-ellenálláson, kb. V amplitúdójú feszültségimpulzust jelent. Az amplitúdó nagysága arányos a radioaktív részecske energiájával, az impulzusok sűrűsége a forrás-aktivitással.

15 További jelfeldolgozás: előerősítő, főerősítő Az erősítők az anódról érkező feszültség impulzusokat formázzák, erősítik és juttatják a számlálóra (forrás-aktivitás mérés), vagy az analizátorra (részecske-energia mérés). A detektorból jövő jelek amplitúdója (magassága) arányos a detektorban leadott energiával. Spektrum: a részecskék energia szerinti eloszlása

16 Gamma-spektrum [Ref. 3.]

17 [Ref. 3.]

18 Alfa spektrum (félvezető záróréteges detektorral)

19 TLD termolumineszcens detektor

20

21 Radioaktív sugárzás hatásár e-ok jutnak a vegyérték sávból a tiltott sávon belül lévő lumineszcens centrumokba. Az eredeti kristály állapot melegítéssel visszaállítható, miközben fényt bocsát ki a detektor. A fényt fotoelektronsokszorozóval mérik. A fény mennyisége arányos a kristályt ért sugárzással. Leggyakrabban alkalmazott TL detektor anyagok: BeO+Li; CaF 2 +Mn.

22 Expanziós ködkamra Wilson

23 Diffúziós ködkamra [Ref. 3.]

24 Szilárdtest nyomdetektorok Ionrobbanásos elmélet [Ref. 3.]