"Detekcja i detektory promieniowana gamma oraz pomiary energii fotonów"

Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma ma największą częstotliwość, ze wszystkich rodzajów promieniowania elektromagnetycznego, a co za tym idzie najmniejszą długość fali. Za odkrywcę uznawany jest Francuz Paul Villard(na zdięciu). Pracował on w Paryżu w tym samym czasie co Marie i Pierre Curie.[9]

Z fizycznego punktu widzenia. ..

Są to kwanty promieniowania elektromagnetycznego o długość fali zawierającej się w granicach od około 1*10^-12 m do 1*10^-15 m.

Innymi słowy, promieniowanie gamma jest to strumień kwantów gamma, który w otaczającym nas środowisku, istnieje jako naturalne tło promieniowania gamma, którego źródłem są pierwiastki promieniotwórcze zawarte w skorupie ziemskiej oraz promieniowanie kosmiczne.

Emisja promieniowania gamma nie powoduje zmiany  liczby protonów i neutronów w jądrze w związku z czym, nie zmienia się liczba masowa atomu, a co za tym idzie,  położenie pierwiastka w układzie okresowym.[8]

Źródła i sposoby wytwarzania

Promienie gamma powstają w wyniku anihilacji elektronów ujemnych i pozytonów, a także z rozpadu mezonów (stąd ich obecność w promieniowaniu kosmicznym).

Promieniowanie gamma towarzyszy również rozpadom alfa oraz beta, a sama emisja promieniowania gamma jest jednym ze sposobów pozbycia się przez jądro nadmiaru energii, zwanej energią wzbudzenia. 

Wzbudzone jądro atomowe które emituje promienioniowanie gamma. Typową wielkością energii promieniowania jest 1eV.  Promieniowanie gamma jest wyjątkowo niebezpieczne dla wszystkich istot żywych w tym ludzi ponieważ długość fali promieniowania jest porównywalna ze średnicą jądra atomowego i transmutacja pierwiastków jest wysoce prawdopodobna kiedy to promieniowanie pada na materię (przekład własny [12])

 [12]

Anihilacja par polega na zamianie pary cząstka-antycząstka na inne cząstki będące kwantami pola elektromagnetycznego. Np.: w wyniku anihilacji pary pozyton-negaton powstają 2 kwanty pola elektromagnetycznego (foton), pary proton-antyproton - kwanty pola sił jądrowych (mezony p). Emisja promieniowania gamma może zaistnieć w wyniku rozpadu β. Emitując ten rodzaj promieniowania, nie ulegając przemianie, jądro wyrzuca na zewnątrz nadmiar energii.

 Natura i własności

Fale gamma są jednymi z najbardziej przenikliwych promieni elektromagnetycznych. Promienie gamma jako kwanty o energii E=h*v rzędu 1 MeV podobne są do bardzo twardych promieni rentgenowskich (h - stała Planca,v - częstotliwość fali odpowiadającej kwantowi gamma w opisie falowym, równa ilorazowi prędkości światła i długości fali).

Oddziaływanie promieniowania gamma z materia:

Oddziaływanie promieniowania  gamma z materią jest bardzo złożone, jako że w grę może wchodzić wiele różnych procesów, w których fotony oddziałują z elektronami, jądrami w obecności pola elektromagnetycznego.

Elektrycznie obojętne promieniowanie gamma podczas reakcji z materią przekazuje całą swoją energię elektronom. Procesy oddziaływania promieniowania gamma z materią

Promieniowanie gamma oddziałuje zarówno z elektronami jak i z jądrami. Samo oddziaływanie może prowadzić do absorbcji lub sprężystego bądź niesprężystego rozpraszania.

Elektrycznie obojętne promieniowanie gamma reagując z materia przekazuje część albo całość swojej energii naładowanym cząstkom  dzięki czemu możliwa jest detekcja. 

Najważniejszymi procesami, w których biorą udział kwanty gamma  to:[2],(przekład własny [17])

- zjawisko fotoelektryczne -  foton promieniowania gamma wybija jeden z elektronów  z wewnętrznych,  powłok atomowych. Puste miejsce po wybitym elektronie (tzw. dziura) jest prawie natychmiast zastępowane przez jeden z elektronów z wyższych powłok elektronowych co powoduje emisję promieniowania X. Zjawisko fotoelektryczne na ogromne znaczenie w przypadku oddziaływania gamma o niskiej energii.   W tym przypadku foton oddziałując z materią przekazuje całą swoją energię elektronowi. Energia kinetyczna  foto-elektronu jest równa energii padającego fotonu gamma pomniejszoną o energię wiązania elektronu z atomem.

Efekt fotoelektryczny jest uważany za główny mechanizm przekazywania energii promieniowania x oraz gamma dla energii promieniowania poniżej 50keV, lecz jest ma znacznie mniejsze znaczenie dla  wyższych energii. (przekład własny [17])

- rozpraszanie Comptona - rozpraszanie wysokoenergetycznego promieniowania gamma (lub rentgenowskiego) na słabo związanych elektronach, których energia wiązania jest dużo mniejsza od energii kwantów (można je uznać za elektrony swobodne). Prawdopodobieństwo rozpraszania Comptonowskiego spada wraz z rosnącą energią fotonu gamma. Rozpraszanie Comptona jest zachodzi dla średnich energii fotonów (od 10heV do 10MeV). Rozpraszanie Comptona raczej nie jest zależne od liczby atomowej absorbenta.    (przekład własny [17])

W efekcie zjawiska Comptona, kwant promieniowania zmniejsza swoją energię i zmienia kierunek swego ruchu. Elektron otrzymuje zatem część pędu i energii padającego kwantu, przez co rozproszony kwant promieniowania ma mniejszą energię (większą długość fali).

           UWAGA! Zjawiska tego nie można wyjaśnić na gruncie klasycznej fizyki. 

- tworzenie par elektron-pozyton (konwersja kwantów gamma) – gdy energia kwantu gamma przekracza dwukrotnie energię masy spoczynkowej elektronu, możliwie jest zamiana fotonu promieniowania na parę elektron-pozyton. Stworzona para przejmuje nadwyżkę energii jako swoją energię kinetyczną. Po spowolnieniu w materiale absorbenta pozyton anihiluje z napotkanym elektronem, w efekcie czego następuje emisja dwóch cząstek gamma.

Kreacja par elektron-pozyton jest możliwa dla energii kwantu gamma przekraczającego 1.022MeV. Dla mniejszych energii większe jest prawdopodobieństwo zajścia zjawiska fotoelektrycznego lub zjawiska Comptona.

Proces tworzenia par elektron-pozyton może zajść wyłącznie w obecności trzeciej cząstki, zwykle w pobliżu jądra atomowego, rzadziej (dla wysokich energii fotonu)   w obecności elektronu. Tak więc opisane powyżej procesy nie mogą  zaistnieć w próżni.  

We wszystkich wymienionych procesach kwant gamma znika bądź w istotny sposób zmienia swoją energię oraz kierunek co powoduje, że zostaje on wyeliminowany z wiązki. 

Detekcja promieniowania

Jako układ detekcyjny będziemy rozumieli połączenie dwóch części:

 - Detektora - który jest miejscem, gdzie zachodzi zjawisko oddziaływania promieniowania na materię.

- Przyrządu pomiarowego – który jest połączony z wyjściem detektora i służy do realizacji pomiaru.

Różne typy detektorów charakteryzują się rodzajem wzajemnego oddziaływania promieniowania i detektora. Niektóre z nich działają na zasadzie jonizacji wnętrza detektora przy przejściu cząstek naładowanych jak byłoby to w przypadku promieniowania alfa. W związku z faktem iż promieniowanie gamma jest strumieniem kwantów gamma nie posiadających ładunków, cząstki naładowane, które są rejestrowanie przez detektor, powstają w wyniku reakcji promieniowanie z materią na zasadach  opisanych powyżej.

Zatem w ostatecznym rachunku cząstki obojętne, takie jak kwanty gamma, są również wykrywanie dzięki jonizacji jaką wywołują cząstki naładowane.

Liczniki grupowane są często w zespoły i łączone są ze sobą tak aby rejestrowane były tylko zdarzenia wykrywane były równocześnie w kilku detektorach, bądź też wręcz przeciwnie, tylko przez jeden z nich.

Zatem o zespole liczników pracujących w układzie, w którym kilka detektorów ma wykryć jedną cząstkę mówimy, że pracują one w układzie koincydentalnym.                            

Natomiast liczniki, które są ustawione tak aby tylko jeden z nich wykrył przelot cząstki, mówimy że pracują w układzie antykoincydentalnym.

 Detektory gazowe:

 Podstawą detektorów gazowych jest komora wypełniona gazem. Dużą zaletą tego typu detektorów jest to, że mogą mieć one praktycznie dowolne rozmiary i geometrie, ponieważ ich czułość może być regulowana poprzez zmianą ciśnienia gazu.

W zależności od wielkości napięcia polaryzacji detektora gazowego, możemy wyróżnić kilka trybów pracy detektora gazowego:

-       tryb rekombinacyjny

-       tryb komory jonizacyjnej

-       tryb licznika proporcjonalnego (od ok. 220V do 550V)

-       tryb ograniczonej proporcjonalności

-       tryb licznika Geigera-Mullera (od ok. 800V do 1000V)

[6] str. 6

Jak widzimy na powyższym rysunku, wielkość impulsu wyjściowego jest uzależniona od energii padającej cząstki w każdym z wyżej wymienionych obszarów pracy z wyjątkiem obszaru pracy licznika Geigera-Mullera, gdzie wielkość impulsu nie jest proporcjonalna do energii jaką posiada cząstka. (przekład własny [6])

Licznik Geigera-Mullera

Licznik Geigera  został wynaleziony przez niemieckiego fizyka jądrowego Hansa Wilhelma Geigera. Jego wynalazek został później udoskonalony przez innego fizyka niemieckiego, Walthera Mullera.

Licznik G-M ma zwykle kształt cylindrycznej rurki metalowej, wewnątrz której, wzdłuż jej osi symetrii, jest umieszczony cienki drut wolframowy, którego średnica wynosi około 0.1 mm. Wzdłuż komory gazowej znajduje się dobrze odizolowana od ścianki, centralna elektroda. Pomiędzy ścianki a elektrodę centralną, doprowadzane jest napięcie. Cylindryczna rurka nazywana jest katodą, ponieważ potencjał na jakim pracuje jest zawsze potencjałem niższym względem drutu, czyli anody.

[12]

Sama rurka jest napełniona odpowiednią mieszaniną gazów i jest zamknięta w naczyniu próżniowym.Licznik Geigera-Mullera (G-M) zaliczany jest do grupy detektorów jonizacyjnych. Zasadą działania detektora jest rejestracja prądu jonowego, wytworzonego w przestrzeni detektora.

Promieniowamie gamma powoduje zjonizowanie gazu w komorze. W momencie przejścia fotonu gamma przez wnętrze komory, wyzwalają się pary dodatnich i ujemnych jonów które poruszają się odpowiednio w kierunku ścianek komory oraz elektrody centralnej w sposób narzucony przez polaryzację pola elektrycznego, dzięki czemu mu elektrony te są dodatkowo przyspieszane. Elektrony pędząc w kierunku anody powodują kolejne procesy jonizacji.  

Przechodzące przez licznik cząstki powodują wyładowania elektryczne w gazie zawartym w detektorze. Przepływające impulsy prądu między anodą i katodą, zasilaczem i oporem R wytwarzają na oporniku R krótkie impulsy napięcia. Impulsy te są doprowadzane na siatkę lampy wzmacniacza impulsów, po czym są wzmacniane i liczone przez układ zliczający.

[15]

W przypadku rejestracji kwantów gamma stosuje się liczniki grubościenne, gdyż  większe jest prawdopodobieństwo, że kwant gamma oddziałując ze ścianką detektora wybije z niej elektron, który dostanie się do przestrzeni detektora i wywołując jonizację zostanie zarejestrowany.

Warunkiem detekcji promieniowania gamma przez licznik Geigera-Mullera jest wytworzenie w efekcie promieniowania elektronów wtórnych. Elektrony wtórne mogą powstać w następstwie oddziaływania promieniowania na dowolną cześć licznika, byleby tylko mogły dotrzeć do obszaru czynnego licznika dla zapoczątkowania wyładowania.

Opisywany instrument otrzymał miano licznika, ponieważ obecność kwantu gamma, która wniknie w jego wnętrze powoduje pojawienie się  impulsu elektrycznego, dzięki czemu cząsteczka ta może zostać policzona. Jednakże, wspomniany impuls nie mówi nic o rodzaju cząsteczek bądź też o ich energii, oprócz tego, że była ona wystarczająco duża aby przejść przez ścianki licznika.

W przypadku promieniowania o małej energii (około 20keV) współczynnik absorpcji jest tak duży, że znaczna część fotonów może jej ulec bezpośrednio w gazie wypełniającym. Z drugiej jednak strony, fotony o dużej energii ulegają absorpcji w gazie w minimalnym stopniu i warunkiem, aby proces detekcji był dostatecznie wydajny jest oddziaływanie promieniowania na ścianki licznika.

Licznik Geigera zlicza impulsy. Po każdym z nich napięcie musi powrócić do odpowiedniego poziomu przed tym, aby następny impuls  mógł być zliczony. W związku z tym w każdym detektorze tego typu istnieje okres zwany „martwym czasem”   w trakcie którego, promieniowanie nie może być zdetekowane.

Długość tego czasu zależy od rodzaju użytego gazu oraz od stopnia zaawansowania układu elektronicznego. 

CD V-700 Electro-Neutronics Geiger Counter [13]	Licznik Geigera-Mullera ("zestaw młodego elektronika" i "zestaw kluczykowy" do stałego monitoringu osobistego[13]

Licznik proporcjonalny:

Liczniki proporcjonalne są z powodzeniem używane w spektrometrii niskoenergetycznego promieniowania gamma. Detekcja opiera się na całkowitym pochłanianiu elektronów wybijanych przez padający foton w procesie fotoelektrycznym. Energia zarejestrowanego w ten sposób fotoelektronu jest w sposób bezpośredni związana z energią padającego kwantu promieniowania gamma. Przykładowo detektor o grubości ok. 5cm, wypełniony argonem, pozwala na efektywną rejestrację fotonów o energiach do około 20keV. 

Detektory scyntylacyjne:

Działanie liczników scyntylacyjnych w przypadku detekcji promieniowania gamma oparte jest na tym, że cząstka naładowana jaka została wyzwolona przez kwant gamma, przelatując przez  materię powoduje nie tylko jonizację, ale i wzbudzenie atomów, które powracając do stanu podstawowego emitują światło widzialne. Substancje w których to cząstki naładowane wywołują zauważalne błyski światła czyli tzw. scyntylacje nazywamy scyntylatorami.

Licznik scyntylacyjny składa się z:

-    scyntylatora – materiał który emituje światło (widzialne lub w zakresie bliskim widzialnemu) pod wpływem promieniowanioa jonizującego. Świecenie nazywamy luminiecencją. Scyntylator jest przeźroczystym materiałem, który dokonuje konwersji energii jonizacji, wywołanej przez oddziaływanie promieniowanie gamma na materię,  na błyski świetlne.

Cząstka gamma przechodząc przez scyntylator wybija elektrony, które powodują jonizację napotkanych na swej drodze cząstek. oraz ich wzbudzenie.  Cząstki przechodząc do stanu podstawowego emitują światło w ilości proporcjonalnej do energii pierwotnego kwantu gamma. Wzbudzone atomy scyntylatora powracając do stanu podstawowego emitują fotony, które przechodząc przez światłowód (zapewniający kontakt optyczny między scyntylatorem, a fotokatodą fotopowielacza) wybijają z niej elektrony.

Do detekcji kwantów gamma używa się materiałów scyntylacyjnych  o jak największej liczbie atomowej Z.

      -    fotopowielacza – służy do rejestracji błysków światła, zamienia on błysk światła pochodzący ze scyntylatora na prąd elektryczny. Impulsy pojawiające się na wyjściu fotopowielacza są zliczane. Również amplituda impulsów jest mierzona jako, że jest ona proporcjonalna do natężenia błysków światła.

- światłowodu - Zadaniem światłowodu jest przekazywanie światła z scyntylatora do fotopowielacza

      -     układu zasilającego 

[12]

Scyntylator (scintilator) jest materiałem który emituje fotony pod wpływem wysokoenergetycznych cząstek elementarnych lub fotonów o wysokiej energii (high energy particle or photon). Fotonu uderza metalową płytkę (metal plate). Wyrzucone z niej elektrony są odciągane w kierunku anody (100V). Elektroda ta jest pokryta materiałem łatwo-jonizującym który uwalnia kilka elektronów.

Padające na scyncylator promieniowanie powoduje wzbudzenie atomów scyntylatora bezpośrednio, gdy cząstki padającego promieniowania są cząstkami naładowanymi, bądź pośrednio jak to ma miejsce w przypadku elektrycznie obojętnego promieniowania gamma, kiedy to kwanty promieniowania gamma wybijają elektrony.

(Schemat działania fotopowielacza) ([16], str.3)

Fotopowielacz stanowi cylinder szklany zakończony z jednej strony płaskim szklanym dnem, na którego wewnętrznej powierzchni jest napylona fotokatoda, a z drugiej strony umieszczona jest anoda. Wewnątrz fotopowielacza znajduje się kilka, zwykle około 10-14 elektrod, które nazywamy dynodami.

Do dynod właśnie, doprowadza się za pomocą oporowego dzielnika napięcia (około 100V). Elektrony przyspieszane w polu elektrycznym między fotokatodą z pierwszą dynodą uderzając w jej powierzchnię wybijają elektrony( każdy elektron wybija z powierzchni dynody kilka elektronów, które po przyśpieszeniu w polu elektrycznym między pierwszą a drugą dynodą, wybijają z kolei z jej powierzchni następne elektrony. Proces ten powtarza się między następnymi dynodami.

Zbierany na anodzie ładunek spływa przez opór R powodując na nim krótkotrwały spadek potencjału, czyli impuls napięcia, który po wzmocnieniu jest rejestrowany.

Alternatywą dla fotopowielacza jest półprzewodnikowa fotodioda. Takie rozwiązanie oferuje większą wydajność kwanową (większa rozdzielczość energetyczna), mniejsze zużycie mocy oraz małe gabaryty.  

Przykładowo zaletą CsI(Tl) jest to nie jest to materiał higroskopijny, nie rozszczepia światła i w dodatku kolor wyemitowanego światła  zgadza się z spektralną odpowiedzą krzemowych fotodiod. Tak skonstruowane detektory nie wymagają również dużego napięcia zasilającego i mogą działać również w obecności wysokich pól magnetycznych.(przekład własny[6])

Do rejestracji kwantów gamma stosuje się kryształy nieorganiczne, ze względu na ich dużą gęstość i dużą liczbę atomową, zwykle jodek aktywowany talem NaI(Tl), BaF2 lub BGO, jak również kryształy organiczne  takie jak naftalen, terfenyl, antracen oraz wiele innych. Wśród scyntylatorów nieorganicznych zawierających  domieszki na uwagę zasługują: NAJ(Tl), CsJ(Na), ZnS(Ag), jako że cechują się  bardzo dobrymi właściwościami w zakresie niskich energii promieniowania gamma.

Kryształ NaI(Tl) jest silnie higroskopijny i musi być zamknięty w hermetycznej obudowie.

Wady i zalety liczników:

Natężenie błysku zależy od energii promieniowanie, dlatego też liczniki scyntylacyjne są używane  do pomiaru tej energii.

Dodatkową zaletą liczników tego typu jest fakt że rejestrują one kwanty gamma ze znacznie większą wydajnością, wynoszącą ok. 40% podczas gdy np.licznik Geigera-Mullera rejestruje je z wydajnością w granicach 1%.

Detektory scyntylacyjne są bardzo szybkie, zwłaszcza scyntylatory organiczne, włączając w nie detektory z tworzyw sztucznych. Fakt, iż czas narastania sygnału jest, w przypadku takich detektorów, rzędu ułamka nanosekundy, a stała zaniku jest równa ok. 2-3ns pozwala na osiąganie bardzo dużych czasowych zdolności rozdzielczych (ułamek nanosekundy).

Jednakże zdolność rozdzielcza liczników scyntylacyjnych jest dość słaba w efekcie statystycznych fluktuacji liczby nośników informacji o straconej w detektorze energii.

 Przykład:

Załóżmy, że kwant gamma o energii 0.5MeV, traci całą swoją energię w krysztale NaI(Tl). Wydajność scyntylacyjna mieści się w granicach 13% w związku z czym około 65keV energii zamieni się na energię fotonów światła. Każdy z fotonów posiada energie około 4eV, tak więc, co łatwo obliczyć, wystąpi około 15,000 fotonów.

Załóżmy, że jedynie 2/3 fotonów dotrze do fotokatody i wytworzy elektrony. Wydajność samej fotokatody sięga 20% zatem około 2,000 elektronów zostanie wybitych. Po przeliczeniu otrzymujemy, że zdolność rozdzielcza detektora wynosi 5.2% i powyższe rozumowanie potwierdza fakt, że scyntylatory NaI(Tl) mają rzeczywiście zdolności rozdzielcze tego rzędu.

Wydajność na rejestrację kwantów gamma jest skomplikowaną funkcją rozmiarów scyntylatora i geometrii układu źródło-detektor.  W praktyce detektor scyntylacyjny można charakteryzować poprzez podanie jego zdolności rozdzielczej dla kwantów gamma o energii 662keV ze źródła ¹³⁷Cs

  Scyntylatory organiczne:

Wśród związków organicznych posiadających zdolności scyntylacyjne są przede wszystkim niektóre węglowodory aromatyczne takie jak: antracen, naftalen, stilben.

Szeroką klasę scyntylatorów organicznych, stanowią detektory z tworzywa sztucznego, będące stałymi roztworami niektórych substancji o właściwościach scyntylujących w tworzywie sztucznym. Za powstawianie błysku scyntylacyjnego w związkach organicznych odpowiedzialne są swobodne elektrony, czyli tzw. elektrony walencyjne cząsteczek materiału organicznego. Elektrony te nie są związane z żadnym z atomów w cząsteczce i obsadzają tzw. orbity molekularne.

Co więcej, z każdym z poziomów energetycznych elektronu związana jest subtelna struktura odpowiadająca oscylacyjnym wzbudzeniom cząsteczki. Odstępy energetyczne pomiędzy poziomami elektronowymi są rzędu kilku eV, natomiast pomiędzy poziomami oscylacyjnymi rzędu dziesiątych części eV. Energia promieniowania jaka wnika w materiał wzbudza cząstki do stanów oscylacyjnych stowarzyszonych z wyższymi stanami elektronowymi. Powrót do pierwszego elektronowego stanu wzbudzonego następuje bez emisji fotonów w ciągu bardzo krótkiego czasu <10ps. Następny krok,  podczas którego emitowane są fotony odpowiedzialne za szybką część błysku scyntylacyjnego, to przejście do jednego ze stanów oscylacyjnych elektronowego stanu podstawowego, które następuje w ciągu kilku nanosekund. 

Energia promieniowania:

Jednym z ważniejszych właściwości detektora scyntylacyjnego jest dostarczenie danych o wartości energii padającego promieniowania.

Zastosowanie tego typu detektorów jako spektrometrów promieniowania gamma stało się możliwe dzięki dużym monokryształom NaJ(tl), jak również dzięki rozwojowi powielaczy fotoelektronowych o dużej zdolności rozdzielczej.

Kwanty promieniowania gamma padające na kryształy oddziałują z materią na trzy wspomniane wcześniej sposoby. W każdym z nich część pierwotnej energii fotonu gamma zamienia się na energię kinetyczną elektronów bądź pozytonów. Pozostała energia przechodzi na tzw. fotony wtórne.

Energia kinetyczna elektronu zużywana jest na wytworzenie światła gdy tylko oddziaływanie odbywa się w pobliżu powierzchni i elektron wybiega ze scyntylatora przed osiągnięciem stanu spoczynku.

Wytworzone fotony wtórne mogą powodować wyzwolenie dalszych elektronów i w ten właśnie sposób przekazywać scyntylatorowi energię zdolną do zamiany na energię świetlną.

Zatem jeśli powstaje światło, to sumuje  się ono ze światłem wzbudzonym przez elektrony wyzwolone w procesie pierwotnym i całkowity strumień świetlny jest proporcjonalny do pierwotnej energii fotonu padającego.

Co więcej, szybkość opisanych zjawisk jest dużo większa niż proces zaniku scyntylacji i w efekcie tego poszczególne strumienie światła nie są  rozróżnialne i zlewają się w jeden impuls.

Co do zjawiska Comptona to stosunkowo duża część energii pierwotnej może przekształcić się na rozproszone promieniowanie gamma. Stosunki ilościowe zależą od kąta rozpraszania oraz od energii pierwotnych kwantów gamma.[1],[2]

 Detektory półprzewodnikowe

Funkcjonalność detektorów półprzewodnikowych jest analogiczna do gazowych. Jednakże, gęstość materiału półprzewodnikowego jest 1,000 razy większa niż gazu, a w dodatku energia potrzebna do kreacji pary elektron dziura jest 10 razy niższa (3.7eV dla krzemu i 2.8eV dla germanu). Dzięki temu o jeden rząd wielkości zwiększa się liczba nośników ładunku co znacząco polepsza rozdzielczość energetyczna detektorów półprzewodnikowych.

Detektor półprzewodnikowy stanowi dioda półprzewodnikowa spolaryzowana przez zewnętrzne napięcie w taki sposób, by nośniki większościowe odciągane były od warstwy przejściowej. W konsekwencji, w normalnym stanie dioda jest zatkana. Przejście fotonu gamma powoduje powstanie ładunków elektrycznych, które są odciągane przez elektrody.

Efektem mierzalnym jest pojawienie się impulsu elektrycznego, proporcjonalnego do liczby ładunków które zostały wytworzone.

Zasada działania detektorów półprzewodnikowych jest taka sama jak zasada działania detektorów gazowych. Cząstki  jonizujące wytwarzają pary elektron-dziura, analogicznie jak w przypadku detektorów gazowych pary elektron-jon, po czym cząstki te są zbierane na elektrodach.

Co więcej, ze względu na dużą gęstość materiałów półprzewodnikowych i w wyniku dużej zdolności absorbcyjnych promieniowania jądrowego rozmiary omawianych detektorów są niewielkie, a czas odpowiedzi bardzo krótki.

Cechy półprzewodników:

W półprzewodnikach całkowicie zapełnione pasmo podstawowe znajduje się w stosunkowa małej odległości od pustego pasma przewodnictwa. Pewna liczba elektronów może mieć energię termiczną wystarczającą do przejścia do pasma przewodnictwa. W materiale takim będzie istniało, aczkolwiek w normalnych warunkach bardzo małe przewodnictwo elektryczne.

 Detektory germanowe:

German jest materiałem używanym głownie do budowy detektorów promieniowania gamma ze względu na swoją dużą liczbę atomową Z_Ge = 32, podczas gdy na przykład Z_Si = 14. Przekrój czynny na efekt fotoelektryczny jest około 60 razy większy w przypadku germanu niż krzemu. Jednakże, ze względu na  mniejszą przerwę energetyczną pomiędzy pasmami germanu detektory germanowe mogą pracować jedynie w niskiej temperaturze.

1) Detektory dryfowane litem Ge(Li)

Aby otrzymać odpowiednio dużą objętość czułą, niezbędną do rejestracji kwantów gamma, pierwsze detektory germanowe zbudowano z germanu kompensowanego litem. Maksymalna grubość kompensowanego germanu wynosi 15-20mm.

(Schemat planarnego detektora Ge(Li), rysunek na wykonany na podstawie [1]) 

W związku w faktem, iż  taka grubość wystarczy jedynie do wydajnej rejestracji niskoenergetycznego promieniowania gamma, detektorów o geometrii planarnej używa się do detekcji kwantów gamma o energiach od kilku do około 150 keV.

Większe objętości czułe uzyskuje się poprzez zastosowanie geometrii cylindrycznej. Realizuje się to poprzez wprowadzenie do zewnętrznej powierzchni cylindrycznego kryształu germanu typu p. W wyniku tworzy się cylindryczna warstwa materiału skompensowanego, otaczająca centralny rdzeń, który pozostaje nieczuły.

(Schemat cylindrycznego detektora Ge(Li) rysuneki na wykonane na podstawie [1]) 

2) Detektory germanowe o wysokiej czułości (HPGe)

W ostatnich latach postęp technologii produkcji kryształów umożliwił otrzymywanie germanu o bardzo wysokim poziomie czystości. Zaletą takich detektorów jest to, że nie muszą one przebywać w niskiej temperaturze przez cały, czas a jedynie wtedy gdy na detektor podawane jest napięcie.

Inną zaletą takiego rozwiązania jest zastosowanie w nich półprzewodnika typu n zamiast p, jak miało miejsce w przypadku detektorów opisanych powyżej. Warstwa martwa na powierzchni takiego detektora jest bardzo cienka.

W przypadku pomiarów promieniowania kwantów o wyższych energiach konieczne jest chłodzenie detektora, zwykle ciekłym azotem, (tylko dla fotonów o niskich energiach może on pracować w temperaturze pokojowej).

Poniższy rysunek pokazuje położenie detektora gemanowego o wysokiej czystości (HPGe) w kapsule próżniowej. W ten sposób, kapsuła może być połączona bez konieczności użycia pompy próżniowej, to wielu różnych kriostatów, np. kriostatu Dewara.  (przekład własny [6])

( [6] str.12)

Czułość:

O czułości detektora półprzewodnikowego decyduje zarówno grubość warstwy martwej na jego powierzchni, jak i grubość warstwy czułej wewnątrz kryształu.

Czułość detektorów używanych do detekcji promieniowania gamma determinowana jest przez również grubość warstwy martwej oraz grubość materiału kriostatu. W przypadku cylindrycznego detektowa Ge(Li) warstwa martwa jest dużo grubsza, a zatem rejestrowane mogą być kwanty o energiach większych od 10 keV.

Do detekcji promieniowania gamma o energii wyższej od 30 keV stosuje się prawie wyłącznie detektory germanowe ze względu na dużo większą zdolność absorbcyjną Ge (większe Z) w porównaniu z krzemem. Sprzyjają temu również stosunkowo duże objętości detektorów cylindrycznych, a w szczególności tych zbudowanych na bazie germanu o wysokiej czystości.  Umożliwiają one efektywną wydajność rejestracji kwantów gamma w przedziale od 10keV do kilku MeV .

Wydajność:

Wewnętrzna wydajność detektorów półprzewodnikowych na rejestrację cząstek naładowanych jest bliska 100%, ponieważ znakomita większość cząstek trafiających w warstwę czułą wytwarza sygnał wyższy od szumu.

Jednakże ze względu na charakter promieniowania gamma w oddziaływaniu z materią , wewnętrzna wydajność detektora kwantów gamma zależy bardzo silnie od rozmiarów kryształu oraz od energii kwantów.

Przyjęło się definiować wydajność detektorów germanowych używając linii gamma 1332 keV ze źródła ⁶⁰Co, umieszczonego w odległości 25 cm od czoła detektora i odnosząc się do wydajności scyntylatora Nai(Tl) o rozmiarach 3x3’’ mierzonej w analogicznej geometrii. Obecnie stosowane germanowe detektory cylindryczne o wysokiej czystości cechują się wydajnością od 10% to 150%.

Co detektorów planarnych, to ich wydajność nie jest opisywana procentowo. Podaje się raczej ich rozmiary czyli średnicę oraz przede wszystkim grubość determinującą przedział energii kwantów gamma które mogę zostać całkowicie pochłonięte w krysztale.

 Funkcja odpowiedzi:

W przypadku promieniowania gamma, monoenergetyczne kwanty gamma, oddziałując z detektorem będą mogły:

-          Stracić całą swoją energię wyniku zajścia efektu fotoelektrycznego. W takich przypadkach widmo sygnałów wyjściowych będzie miało kształt krzywej Gaussa.

-          Stracić część swojej energii w wyniku efektu Comptona. W widmie objawi się to poprzez dość płaski rozkład rozciągający się praktycznie do zera począwszy od energii traconej przez kwant gamma we wstecznym rozpraszaniu Comptona.

-          Wykreować parę elekton-pozyton. Wówczas energia zaabsorbowana w detektorze może być pomniejszona o energię jednego lub dwóch kwantów gamma powstałych w wyniku anihilacji pozytonu opuszczających detektor. W widmie powstają wtedy tzw. piki ucieczki

W rezultacie powyższych rozważań, funkcja odpowiedzi ma dość skomplikowany kształt. Charakteryzując detektor germanowy, podaje się często stosunek wysokości piku całkowitej absorbcji do średniej wysokości części comptonowskiej widma pomiędzy 1040keV i 1096 keV dla źródła ⁶⁰Co.

Czas odpowiedzi:

W detektorach dryftowych promieniowania gamma mamy do czynienia z czasami narastania rzędu od kilkunastu do kilkuset nanosekund. Czasowa rozdzielczość zależy od rozmiarów detektora i energii mierzonego promieniowania gamma. Przykładowo dla detektora gemanowego o wysokiej czystość, którego wydajność waha się w granicach 60% wynosi ona około 4ns dla energii promieniowania równej 1332keV oraz około 15ns dla energii równej 122keV.

 Źródła:

     [11] http://www.mezgazd-koszeg.sulinet.hu/kemia/DATA/Tudosok/data/geiger.html 

     [12] http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/nuclearphysics/nuclearphysics.html

     [13] http://www.radmeters4u.com/more.htm

     [14] http://www.hpwt.de/kern2e.htm

     [15] http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/nuctek/interactdetector.html

     [17] http://www.mega.nu:8080/nbcmans/8-9-html/part_i/chapter2.htm