ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5817
Скачиваний: 1
151
световода происходит полное внутреннее отражение. Это условие
удовлетворяется выбором формы боковой поверхности световода в
случае, когда размер фосфора меньше размеров ФЭУ. Световоды
часто изготовляют в виде усеченных конусов, диаметры оснований
которых соответственно равны диаметрам фосфора и ФЭУ. Боковую
поверхность световода покрывают отражателем света (окисью
магния, тефлоном). Опытным путем подбирают оптимальное
соотношение между диаметром и высотой световода, при котором
потери света в нем минимальны. Если диаметр фосфора больше
диаметра фотокатода ФЭУ, то свет передается по световоду с
большими потерями, так как невозможно обеспечить полное
внутреннее отражение света на боковой поверхности световода. В
длинных световодах потери света достигают 80—90% и более.
В сцинтилляционном счетчике жесткие требования предъявляют к
усилителю выходных импульсов с ФЭУ и источнику питания ФЭУ.
Так как передний фронт выходного импульса с ФЭУ очень крутой,
что обеспечивает хорошее разрешающее время сцинтилляционного
счетчика,
то
усилитель
таких
сигналов
должен
быть
широкополосным. Кроме того, он должен иметь стабильный
коэффициент усиления порядка 5000 с максимальной выходной
амплитудой импульса 100 в. Особое значение имеет стабильность
высокого напряжения, подаваемого на ФЭУ. Стабильность
напряжения поддерживается с погрешностью до 0,01%, так как
коэффициент усиления ФЭУ с каждого каскада в отдельности весьма
сильно зависит от потенциала электродов ФЭУ. Сигналы с ФЭУ на
усилитель передаются через высокочастотный кабель типа РК-20 или
РК-50. Применение высокочастотного кабеля уменьшает искажение
формы выходного импульса с ФЭУ.
10.3.1 Особенности регистрации излучений
Регистрация заряженных частиц. Для регистрации заряженных
частиц сцинтилляционным счетчиком пригодны почти все фосфоры.
Более удобны твердые фосфоры типа органических монокристаллов
или пластиков. Основная трудность, возникающая при регистрации
заряженных частиц и особенно тяжелых – это обеспечение ввода
частиц в фосфор. Фосфоры, как правило, упаковывают в
металлический контейнер, сквозь стенки которого частицы могут не
пройти. Поэтому тяжелые частицы обычно регистрируют более
простыми
детекторами–ионизационной
камерой
или
152
пропорциональным
счетчиком.
Электроны
регистрируют
сцинтилляционными счетчиками в тех случаях, когда требуется
хорошее разрешающее время. Основными фосфорами обычно
являются органические монокристаллы антрацена, стильбена или
пластики.
Эффективность
регистрации
заряженных
частиц
сцинтилляционным счетчиком близка к 100%.
Регистрация
γ-излучения.
Сцинтилляционные
счетчики
используют особенно широко для регистрации γ-излучения. Кроме
хорошего разрешающего времени такой детектор обладает
значительно
большей,
чем
счетчик
Гейгера–Мюллера,
эффективностью к γ-квантам. В некоторых случаях удается
обеспечить почти 100%–ю регистрацию γ–излучения.
Эффективность сцинтилляционного счетчика к γ–квантам зависит
от материала и толщины фосфора. Взаимодействие γ–квантов с
веществом фосфора определяется плотностью электронов и энергией
γ-квантов.
Поэтому
наиболее
эффективно
γ–излучение
регистрируется сцинтилляционными счетчиками с фосфорами,
имеющими большую плотность и высокий порядковый номер Z. К
таким фосфорам относятся неорганические монокристаллы NaI(Tl),
CsI(Tl), KI(T1). Значения эффективности регистрации γ-излучения,
полученные численным методом для фосфора NaI(Tl) диаметром 3,8
см и высотой 5,1 см для различных энергий γ-квантов и различных
расстояний h от источника до фосфора, находятся в пределах от
100% до 10 % для энергий γ-квантов 0.1 и 4.0 МэВ, соответственно.
С меньшей эффективностью γ-излучение регистрируется жидкими
фосфорами и пластиками.
Эффективность регистрации γ-квантов узкого пучка, падающего
на фосфор толщиной d, определяется соотношением:
ε = [1–ехр(–μd)]
100%,
(10.7)
где μ, – линейный коэффициент ослабления.
153
11 Полупроводниковые детекторы
11.1 Зонная теория проводимости
11.2 Примесные полупроводники
11.3 Поверхностно–барьерные детекторы
11.4 Диффузионно-дрейфовые детекторы
11.1 Зонная теория проводимости
Поиски более совершенных счетчиков привели к созданию
полупроводниковых
детекторов
(ППД),
наиболее
широко
используются германиевые и кремниевые счетчики. Принцип их
действия, подобен принципу действия ионизационных камер.
Электрическое поле создается в среде с низкой проводимостью. При
проникновении заряженной частицы в эту среду происходят
соударения и образуются либо пары ионов, либо электронно–
дырочные пары. В идеальном случае заряды должны разделяться
электрическим полем и собираться на границах, производя
электрический импульс, который можно усилить и записать.
Известно, что электроны в атоме занимают определенные
энергетические уровни. Энергетические уровни электронов каждой
оболочки атома в совокупности составляют разрешенные зоны.
Между разрешенными зонами отдельных оболочек располагаются
запрещенные зоны, на которых электроны находиться не могут.
В кристаллах, образующихся в результате сближения большого
количества отдельных атомов, происходит смещение энергетических
уровней, причем оно больше для внешних (валентных) электронов,
чем для внутренних, обладающих большей энергией связи с ядром. В
результате каждый электрон в кристалле имеет определенный
энергетический уровень, отличающийся от уровня, занимаемого
электроном в изолированном атоме. Отдельные энергетические
уровни в кристалле, незначительно отличающиеся друг от друга,
сливаются в непрерывные разрешенные энергетические зоны,
разделенные запрещенными зонами. Для перемещения электрона из
одной разрешенной зоны в другую необходимо сообщить ему
определенную энергию, чтобы он мог преодолеть запрещенную зону.
Энергетические свойства кристалла зависят от структуры
энергетических зон и степени заполнения их электронами.
Энергетические уровни внешних валентных электронов образуют
154
заполненную валентную зону, в которой электроны находятся в
связанном состоянии. Для удаления электрона из этой зоны на более
высокий энергетический уровень (в свободное состояние или зону
проводимости) необходимо сообщить ему определенную энергию.
Зона проводимости расположена выше валентной зоны и отделена от
нее запрещенной зоной. В металлах запрещенная зона отсутствует,
поэтому электроны свободно переходят из валентной зоны в зону
проводимости под действием слабого электрического поля. Если
зона проводимости отделена от валентной зоны широкой
запрещенной областью, электроны не могут попасть в зону
проводимости. Электрическая проводимость такого вещества
ничтожно мала. Вещества, имеющие запрещенную зону шириной 1–
2 эВ, принято называть полупроводниками, шириной более 2 эВ –
диэлектриками.
Для теоретического рассмотрения совокупность электронов не
полностью
занятой
валентной
зоны
удобно
дополнить
совокупностью квазичастиц–дырок, имеющих положительный заряд.
Число дырок равно числу свободных энергетических уровней. При
приложении к полупроводнику внешнего электрического поля
носители тока электроны и дырки могут перемещаться. Например,
электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости
(рисунок 11.1). Такая проводимость носит название собственной
проводимости. Концентрация носителей тока электронов и дырок
одинакова (n
i
= p
i
) и при заданной температуре зависит только от
ширины запрещенной зоны ΔΕ
3
и массы носителей. При t=20°C у
кремния ΔΕ
3
= 1,11 эВ, n
i
= 1,5
10
10
, p
i
= 2
10
5
Ом см; у германия
ΔΕ
3
=0,72 эВ, n
i
=2
10
13
, p
i
= 47 Ом см.
—
+
—
—
—
—
—
+
+
+
+
+
—
+
E
Д
E
а
E
З
Зона проводимости
Запрещенная зона
Валентнаяная зона
155
Рисунок 11.1 – Структурная схема полупроводника
11.2 Примесные полупроводники
Кроме собственной проводимости, существует примесная
проводимость, получаемая при введении в кристаллическую решетку
полупроводника других атомов. Введение посторонних атомов
приводит к созданию дополнительных энергетических уровней,
называемых донорными и акцепторными (Е
А
и Е
а
). Эти уровни
располагаются в запрещенной энергетической зоне полупроводника.
При введении в кристаллическую решетку полупроводников
(кремния или германия) пятивалентных атомов (мышьяка, сурьмы и
др.)
происходит
замещение
четырехвалентных
атомов
полупроводника пятивалентными атомами. На рисунке 11.2, а, б дано
плоскостное
изображение
части
кристаллической
решетки
полупроводника при введении пятивалентного атома, который
замещает один из атомов полупроводника, образуя при этом связи и
обмениваясь электронами с близлежащими четырьмя атомами
кристалла.
4
+
4
+
4
+
4
+
4
+
4
+
4
+
4
+
5
+
4
+
4
+
4
+
4
+
4
+
4
+
4
+
4
+
3
+
Атом
галлия
(индия)
Атом
мышьяка
(сурьмы)
Атом
кремния
(германия)
Электрон
—
Дырка
+
а)
б)
Рисунок 11.2 – Плоскостное изображение кристаллической решетки
полупроводника
В образовании связей принимают участие один из электронов
внешней оболочки атома полупроводника и один из электронов
внешней оболочки атома примеси. Таким образом, пятый валентный
электрон атома примеси оказывается лишним. Под внешним
воздействием этот электрон отрывается от атома, превращая его в
положительный ион, и переходит в зону проводимости (рисунок 11.2