Материал: Бушуев Методы и приборы измерений ядерных материалов 2011

плутония. Быстрый прогресс в разработке новой аппаратуры и программного обеспечения ведет к повышению точности результатов гамма-спектрометрических измерений, увеличению возможностей для применения этого метода. Открываются перспективы его использования не только для подтверждающих, но и для учетных измерений, не только изотопного состава, но и массы образцов. В результате может снизиться потребность в другой более дорогостоящей аппаратуре и в специалистах, владеющих альтернативными методами, что откроет возможность расширить и усилить контроль за ЯМ.

Спектрометрия с использованием полупроводниковых детекторов

Для измерений ядерных материалов (ЯМ) широко используются спектрометрические методики, основанные на применении полупроводниковых детекторов (ППД) ионизирующих излучений. В практикум "Методы измерений ядерных материалов" входят шесть лабораторных работ, в которых используется спектрометрия гам- ма-, альфа- и рентгеновского излучений с помощью германиевых и кремниевых детекторов различных типов. Ниже приведены краткие сведения о ППД и спектрометрической аппаратуре, поскольку не все студенты, проходящие практикум, обладают необходимым минимумом знаний в этой области.

Полупроводниковые детекторы. Важнейшей частью спектромет-

ра является детектор излучений, а важнейшими параметрами – энергетическое разрешение и эффективность. Наиболее часто для контрольных измерений ЯМ применяют полупроводниковые детекторы (ППД), обладающие самой высокой разрешающей способностью по сравнению с детекторами других типов. Высокое разрешение достигается за счет охлаждения ППД.

ППД можно разделить на три группы:

требующие постоянного охлаждения (и при работе, и при хранении). В эту группу входят дрейфовые Ge(Li)-детекторы;

требующие охлаждения во время работы. Это детекторы из особо чистого германия (HPGe);

6

работающие и хранящиеся при комнатной температуре: поверх- ностно-барьерные SiAu-детекторы и детекторы на основе теллури-

да кадмия (CdZnTe, CdTe).

Для охлаждения ППД обычно применяют жидкий азот. Необходимость постоянного охлаждения затрудняет работу с Ge(Li)- детекторами, поэтому в настоящее время для спектрометрии гамма- и рентгеновского излучений используют HPGe-детекторы разных конструкций и размеров. Их разрешающая способность может составлять 300-400 эВ при энергии излучения 59 кэВ, 600-700 эВ при 122 кэВ и 1,7-1,9 кэВ при 1332 кэВ. Для альфа-спектрометрии применяют SiAu-детекторы с разрешением 15-20 кэВ при энергии

5,5 МэВ.

Существует ряд задач, решение которых не допускает или ограничивает применение охлаждения азотом. К их числу относятся измерения в не обслуживаемых персоналом помещениях с особо опасными условиями работы (производство МОХ-топлива) или измерения в стесненных условиях, требующие постоянных перемещений аппаратуры (контроль отложения ЯМ в технологическом оборудовании). Для спектрометрических анализов в подобных условиях разработаны HPGe-детекторы с электроохлаждением. Спектрометры с компактными и легкими электрохолодильниками разных типов все шире применяются на практике.

Полупроводниковые детекторы относятся к группе ионизационных детекторов. В детекторах этого типа для регистрации частицы используется ионизационный эффект, в результате которого в веществе детектора образуются носители электрического заряда. В полупроводниковых детекторах носителями заряда являются электроны и дырки, которые под действием электрического поля собираются на электродах.

ППД имеют важные преимущества перед газовыми ионизационными камерами:

плотность вещества в чувствительном объеме приблизительно в 103 раз выше, поэтому выше эффективность регистрации излучений;

более высокая разрешающая способность.

Другие достоинства ППД: линейная связь между энергией регистрируемого излучения и амплитудой электрического сигнала, короткий фронт сигнала.

7

При выборе материала для ППД руководствуются следующими требованиями:

малый расход энергии на создание пары носителей заряда; минимальная вероятность процессов рекомбинации и захвата

носителей заряда; большие и близкие по величине подвижности носителей заряда;

высокое удельное сопротивление.

Чем меньше расход энергии w на создание пары носителей, тем больше число образующихся носителей, больше величина сигнала, и тем меньше относительная флуктуация величины сигнала, от которой зависит разрешающая способность детектора. У ППД средняя энергия образования пары носителей заряда приблизительно в 10 раз меньше, чем у газовых ионизационных камер, и в 100 раз меньше, чем у сцинтилляционных детекторов.

Чем выше подвижность носителей заряда, тем лучше временные характеристики детектора. Если подвижности электронов и дырок равны, то амплитуда сигнала не зависит от места образования носителей в объеме детектора.

Любой материал имеет некоторую электропроводность. При подаче напряжения на детектор в кристалле возникает постоянный ток, величина которого флуктуирует; в результате появляется шум, мешающий измерениям полезных сигналов. Требуемое значение удельного сопротивления материала детектора > 1010 Ом/см.

Всем вышеперечисленным требованиям лучше всего удовлетворяют кристаллические кремний (Si) и германий (Ge). Так как их удельные сопротивления ниже требуемых значений (у Si 104 Ом/см, у Ge 10 Ом/см), необходимо во много раз повысить их удельное сопротивление.

Свойства полупроводников. Согласно законам квантовой физики, энергия электронов в твердом теле не может быть произвольной. В одиночном атоме энергия электрона принимает дискретные значения, при сближении атомов возникает их взаимодействие, приводящее к расщеплению уровней энергии. В кристалле вместо отдельных разрешенных значений энергии существуют зоны разрешенных и запрещенных энергий электронов.

Электроны с внутренних оболочек не взаимодействуют с соседними атомами, для электронов с внешних оболочек вероятность

8

взаимодействия велика, и ширина разрешенной зоны составляет около 1 эВ. Электроны с такими энергиями принадлежат всему кристаллу.

При воздействии электрического поля на кристалл электроны в заполненных зонах не изменяют своего распределения по энергиям, не участвуют в переносе заряда и не дают вклада в электропроводимость. Твердое тело со всеми заполненными разрешенными зонами является диэлектриком, а с частично заполненными – полупроводником. У металлов зоны разрешенных значений энергии перекрываются, и при любой температуре электроны могут под действием внешнего электрического поля участвовать в электропроводимости.

Вполупроводнике часть электронов в результате теплового движения может переходить в зону проводимости; вероятность такого перехода экспоненциально увеличивается с уменьшением ширины запрещенной зоны. После ухода электрона остается незаполненная вакансия – "дырка", благодаря которой другие электроны получают возможность перемещаться под действием электрического поля, внося вклад в электрический ток. Если электроны и дырки образуются только в результате тепловых переходов через запрещенную зону, то их число одинаково, и тело называют "идеальным" кристаллом.

Вреальных кристаллах имеются дефекты и примеси, а в запрещенной зоне существуют уровни, принадлежащие этим дефектам и примесям. Вероятность переходов через эти уровни намного превышает вероятность прямого перехода через запрещенную зону. Ионизация приводит либо к переводу электронов с уровня в зону проводимости (донор), либо к переходу электрона из нижележащей зоны на уровень (акцептор). Донорные уровни располагаются вблизи верхнего края запрещенной зоны, акцепторные – вблизи нижнего края. Полупроводники электронного типа (или n-типа) называют донорными, полупроводники дырочного (или p-типа) – акцепторными (рис. В1.1).

Влюбом полупроводнике могут присутствовать и донорные, и акцепторные примеси, которые частично компенсируют друг друга. Ток, обусловленный дрейфом носителей заряда под действием

9

внешнего поля, определяет удельное сопротивление ρ полупроводника:

где p – плотность дырок; n – плотность электронов; μ+ – подвижность дырок; μ- – подвижность электронов.

Запрещенная

зона

Зона проводимости

Рис. В1.1.Типы полупроводниковых кристаллов

Плотность носителей заряда зависит от температуры T и ширины запрещенной зоны εg:

т.е., если число электронов увеличивается, то число дырок уменьшается.

10