Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Полупроводниковые детекторы радиоактивности



Наилучшей разрешающей способностью среди современных детекторов ради­ационных излучений обладают полупроводниковые датчики. В полупровод­никовых материалах основными носителями информации являются пары элек­трон-дырка, создаваемые вдоль траектории полета заряженной частицы через детектор. Заряженная частица может быть либо первичным излучением, либо вторичной частицей. Пары электрон-дырка в некотором отношении являются аналогами ионных пар в газовых детекторах. Когда к полупроводниковому ма­териалу приложено электрическое поле, созданные носители зарядов начина­ют перемещаться в определенных направлениях, что означает возникновение электрического тока. Датчики, построенные на этом принципе, называются твердотельными или полупроводниковыми диодными детекторами. Принцип действия таких детекторов аналогичен принципу полупроводниковых детек­торов светового излучения. Он базируется на перемещении электронов с од­ного энергетического уровня на другой при получении или потере энергии (см. раздел 14.1 главы 14).

При прохождении заряженной частицы сквозь полупроводник по пути ее следования возникает много пар электрон-дырка (см. рис. 14.1 главы 14). Про­цесс образования пар может быть как прямым, так и косвенным, при котором частица участвует в формировании электронов высоких энергий, постепенно теряющих свою энергию на создание новых пар электрон-дырка. Интересно отметить, что вне зависимости от механизма формирования пар электрон-дыр­ка на создание одной пары первичная заряженная частица затрачивает одина­ковую среднюю энергию, которую часто по аналогии с газоразрядными детек­торами называют «энергией ионизации». Основное достоинство полупровод­никовых детекторов заключается в очень малой величине этой энергии. Ее зна­чение для кремния и германия составляет порядка 3 эВ, тогда как в газовых детекторах энергия, необходимая для создания ионной пары, равна 30 эВ.


Поэтому при одной и той же мощности исходного излучения в полупроводни­ковых детекторах возникнет в 10 раз большее количество носителей зарядов.

Для получения твердотельного детектора в полупроводниковом материа­ле необходимо сформировать, по крайней мере, два электрода. В процессе де­тектирования выводы этих электродов подсоединяются к источнику напряже­ния, обеспечивающего протекание в цепи электрического тока. Однако на практике материалы из чистого кремния или германия не используются, что связано с довольно большими токами утечек, вызванных относительно низ­ким удельным сопротивлением этих полупроводников (например, для крем­ния оно составляет около 50 кОм-см). При приложении к электродам такого детектора внешнего напряжения, в цепи может возникнуть ток, в 3...5 раз пре­вышающий величину тока, индуцированного излучением. Поэтому детекто­ры этого типа реализуются на основе р-n переходов с обратным смещением, что позволяет значительно снизить токи утечек. Фактически, детектор явля­ется полупроводниковым диодом, проводящим ток (имеющим низкое удель­ное сопротивление) при подключении анода (р-зоны перехода) к положитель­ному выводу источника питания, а катода (п-зоны) - к отрицательному выво­ду. При обратном подключении ток через диод практически не течет (т.е. он обладает высоким удельным сопротивлением). При сильном обратном смеще­нии диода (значительно превышающем допуски производителя) происходит его пробой, что приводит к резкому увеличению тока утечки; это вызывает ка­тастрофическое ухудшение рабочих характеристик детектора или даже выход его из строя.

В настоящее время выпускаются кремниевые диоды нескольких конфигу­раций: диоды с диффузионным переходом, диоды с поверхностным запираю­щим слоем, ионно-имплантированные детекторы, детекторы с эпитаксиальным слоем и др. Первые два указанных типа детекторов широко применяются при детектировании «-частиц и других слабопроникающих излучений. Хорошие по­лупроводниковые детекторы радиоактивных излучений должны обеспечивать:

1. отличную передачу заряда

2. линейность между мощностью излучения и количеством пар электрон-дырка

3. отсутствие свободных носителей зарядов (низкий ток утечки)

4. генерацию максимального числа пар электро-дырка на единицу излучения

5. высокую эффективность детектирования

6. хорошее быстродействие

7. большую зону сбора зарядов

8. низкую стоимость

Во время эксплуатации полупроводниковых детекторов необходимо учиты­вать следующие их особенности: наличие зоны нечувствительности и воз­можность радиационного повреждения устройства. При попадании в детек­тор тяжелые заряженные частицы или другие слабопроникающие излучения могут потерять значительную часть своей энергии еще до того, как они дос­тигнут чувствительной зоны датчика. Энергия теряется на металлическом электроде, а также в довольно толстом слое кремния, расположенном непос­редственно под электродом. Самый простой и распространенный способ борь-


бы с этим явлением заключается в изменении угла попадания излучения в детектор [2]. Когда направление излучения перпендикулярно поверхности де­тектора (угол падения равен нулю), потери мощности в мертвой зоне опре­деляются выражением:


 

(15.4)


где t — толщина мертвой зоны. Если угол попадания излучения в детектор станет равным в, выражение, описывающее потери энергии, примет вид:


 

(15.5)


Уравнение для нахождения разности между измерениями, полученными при раз­ных углах попадания излучения в детектор имеет вид:


 

(15.6)


Из этого выражения видно, что меняя угол 0 во время проведения серии изме­рений, можно получить зависимость Е' от (1/cos q)-l в виде прямой линии с наклоном, равным DЕ0. Используя табличные данные для dE0/dx, по уравне­нию (15.4) можно определить толщину мертвой зоны.

Любое превышение эксплуатационных режимов может привести к разру­шению решетки кристаллической структуры из-за явлений пробоя, связанных с прохождением через кристалл измеряемых излучений. Такие повреждения сравнительно редко встречаются при работе с легкими ионизирующими излу­чениями (b-частицы и g-лучи), однако при исследовании тяжелых частиц они могут стать серьезной проблемой. Например, длительное воздействие на де­тектор компонентов ядерного синтеза приводет к значительном росту тока утечки, а, следовательно, и сильному ухудшению разрешающей способности датчика. При серьезных радиационных повреждениях в спектре исследуемых моноэнергетических частиц могут появиться дополнительные пики.

Как отмечалось ранее, диоды с диффузионным переходом и диоды с по­верхностным запирающим слоем не подходят для детектирования проникаю­щего излучения. Причина этого заключается в узкой активной зоне таких де­текторов, которая редко превышает 2...3 мм, что недостаточно для проведе­ния, например, у-лучевой спектроскопии. Для работы с проникающими вида­ми излучений необходимо применять полупроводниковые детекторы с дрей­фующими ионами. В таких детекторах формируется дополнительный толстый слой со сбалансированным количеством примесей, добавляющих полупровод­никовому материалу свойства того или иного типа проводимости (р или п). Цель легирования — получение полупроводника, которому не присущи свойства ни­какого типа проводимости. Однако на практике идеальный р-n баланс достичь никогда не удается. Проводимость материалов из чистого кремния


 
(А)
(Б)
Рис. 15.6.Детектор с PIN переходом: А — структура де­тектора, Б — коаксиальная конфигурация детектора

и германия чаще бывает р-типа. Поэтому для получе­ния сбалансированного ма­териала в него необходимо ввести атомы доноров. В качестве донора чаще все­го используется литий, ато­мы которого методом диф­фузии вводятся в кристалл р-типа. При этом количе­ство введенных атомов ли­тия намного превышает число исходных акцепто­ров, что соответствует созданию рядом с чувствительной поверхностью зоны проводимости n-типа. После этого температура повышается и на переход по­дается напряжение обратного смещения. Это приводит к тому, что литий на­чинает медленно дрейфовать в сторону зоны р-проводимости. Таким образом достигается нейтрализация исходной проводимости кристалла. Этот процесс может длиться в течение нескольких недель. Для последующего поддержания полученного баланса детектор должен храниться при низкой температуре, на­пример, для германия эта температура равна 77 К. Поскольку кремний обла­дает очень низкой подвижностью ионов, детекторы, реализованные на его ос­нове, могут храниться и работать при комнатной температуре. Однако атом­ный номер кремния (14) намного ниже атомного номера германия (32), что означает его более низкую эффективность при детектировании у-лучей, по­этому кремниевые детекторы редко используются в у-спектроскопии.

На рис. 15.6А показана упрощенная схема детектора, реализованного на основе полупроводникового материала, легированного литием. Он состоит из трех зон, кристалл с «нейтральной» проводимостью расположен посередине. Для увеличения рабочего объема детектор иногда изготавливают в форме ци­линдра (рис. 15.6Б). Таким образом были реализованы Ge(Li) детекторы с ра­бочим объемом до 150 см3.

Несмотря на популярность кремниевых и германиевых детекторов, они яв­ляются далеко неидеальными с определенных точек зрения. Например, для сни­жения токов утечек германиевые детекторы должны работать при криогенных тем­пературах; а кремниевые детекторы, в свою очередь, не эффективны при обнару­жении у-излучений. Существуют и другие полупроводниковые материалы, кото­рые могут использоваться для детектирования радиоактивных излучений при ком­натной температуре. Среди них: CdTe, HgI2, GaAs, Bi2S3 и GaSe. Характеристики некоторых полупроводниковых материалов приведены в таблице 15.2

Самым популярным полупроводником для изготовления детекторов радиоак­тивных излучений в настоящее время является теллурид кадмия. Он обладает до­вольно высоким атомным номером (48 и 52), а также относительно большой шири­ной зоны запрещенных энергий (1.47 эВ), поэтому детекторы на его основе могут работать при комнатной температуре. Современная технология позволяет


выращивать кристаллы CdTe очень высокой чистоты, из которых изготавливают­ся детекторы с PIN переходом. Для компенсации излишка акцепторов здесь так­же может использоваться метод введения сбалансированных примесей; в данном случае роль донора выполняет хлор. Выпускаемые в настоящее время CdTe детек­торы имеют диаметр 1...50 мм и работают при температурах до 50°С без значи­тельного увеличения шума. Существуют два типа CdTe детекторов: с легировани­ем хлором и без него. Второй тип имеет высокое объемное удельное сопротивле­ние (до 1010Ом-см), однако его разрешающая способность невелика. Разрешение детекторов с легированием гораздо выше, но их удельное сопротивление, к сожа­лению, ниже (108 Ом-см), что ведет к увеличению тока утечки. К тому же они скло­ны к поляризации, что может существенно ухудшить их рабочие характеристики.

 

Таблица 15.2. Энергетические свойства некоторых полупроводниковых материалов
Материал (рабочая температура в К) Z Ширина зоны запрещенных энергий, эВ Энергия на создание одной пары электрон-дырка, эВ
Si(300) 1 12
Ge(77) 0 74 2 98
CdTe(300) 48-52 1 47 4 43
Hgl2(300) 80-53 2 13
GaAs(300) 31-33 1 43

В твердотельных детекторах также возможно добиться эффекта фотоумно­жения, как в газовых датчиках. Аналог пропорционального счетчика, называе­мый лавинным детектором, применяется для мониторинга излучений низких энер­гий. Коэффициент усиления таких детекторов обычно лежит в диапазоне несколь­ких сотен. Для получения такого усилительного эффекта внутри полупроводни­кового материала создается сильное электрическое поле. На основе детекторов ридиактивных излучений также возможно построение позиционно-чувствитель-ных датчиков, принцип действия которых аналогичен преобразователям, работа­ющим в ближнем ИК диапазоне спектра, описанным в разделе 7.5.6 главы 7.

Литература

1 Evans, RD The Atomic Nucleus McGraw-Hill, New York, 1955

2 Knoll, G F Radiation Detection and Measurement 3rd ed , John Wiley & Sons, New York, 1999


ГЛАВА 16

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

Когда ученый думает над проблемой, он задает вопрос,—«Почему?» Когда инженер решает задачу, он спрашивает, —«А почему нет ?»

В доисторические времена тепло было для людей основой их жизни, поэтому даже тогда они пытались оценить его интенсивность, измеряя температуру. Возможно самым простым и самым распространенным способом определения температуры является измерение теплового расширения различных веществ. На этом принци­пе реализованы все жидкостные стеклянные термометры. В электрических пре­образователях применяются несколько другие принципы детектирования. В на­стоящее время широко распространенны следующие датчики температуры: рези-стивные, термоэлектрические, полупроводниковые, оптические и пьезоэлектри­ческие детекторы.

Измерение температуры всегда заключается в передаче небольшой порции тепловой энергии от объекта к датчику, который должен преобразовать эту энер­гию в электрический сигнал. Когда контактный детектор (зонд) помещается внутрь объекта или на него, между объектом и зондом происходит передача тепла за счет теплопроводности. При этом чувствительный элемент, входящий в состав зонда, либо разогревается, либо охлаждается. То же самое происходит и при передаче тепла при помощи излучения: тепловая энергия в виде ИК излучения либо по­глощается датчиком, либо выделяется им в зависимости от температуры объекта и типа оптической связи. Любой датчик, независимо от его размеров, вносит воз­мущение в зону измерения, что приводит к возникновению ошибок при опреде­лении температуры. Это касается любых способов детектирования: и радиацион­ных, и конвективных и теплопроводных. Таким образом, разработчик должен все­гда стремиться минимизировать погрешность измерений, применяя соответству­ющие конструкции датчиков и методы компенсации погрешностей.

Существует два основных метода измерения температуры: равновесный и про­гнозируемый. В равновесном методе измерение температуры проводится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом, находящимся в зонде, наступает тепловое равновесие, т.е. между датчиком и объектом измерения нет существенной разности температур. В методе прогнозирования в процессе


проведения измерений тепловое равновесие не наступает, а значение текущей тем­пературы определяется по скорости изменения температуры датчика. С момента размещения чувствительного элемента на объекте до наступления теплового рав­новесия между объектом и датчиком может пройти довольно много времени, осо­бенно, если контактные площадки сухие. Например, медицинский электронный термометр определяет температуру в ванне с водой за 10 секунд, в то время как для измерения подмышечной температуры требуется, по крайней мере, 3...5 минут.

Рассмотрим источники возможных ошибок при измерении температуры контактным способом. Одна из причин возникновения ошибок заключается в том, что датчик, как правило, соединяется не только с объектом, температуру которого он измеряет, но и с другими предметами. Другая причина кроется в использовании соединительных кабелей (рис. 16.1А). Чувствительный элемент, подсоединяемый к объекту с температурой ТB, обладает своей собственной тем­пературой Ts. Для проведения точных измерений необходимо достичь состоя­ния теплового равновесия, при котором эти две температуры станут практичес­ки равными. Один конец кабеля соединяется с зондом, а другой конец подвер­гается действию температуры окружающей среды Т0, которая может значитель­но отличаться от температуры объекта. Таким образом, соединительный кабель не только передает электрический сигнал датчика, но и часть тепла от элемента или к нему. На рис. 16.2Б показана тепловая схема, включающая в себя объект, датчик, окружающую среду и тепловые сопротивления r1 и r2которые отобра­жают способность вещества проводить тепловую энергию и определяются как величины, обратные коэффициентам теплопроводности, т.е. r=1/а. Если объект теплее окружающей среды, тепловой поток будет направлен туда, куда указыва­ет стрелка.


 
(Б)

(А)

Рис. 16.1. Датчик температуры имеет тепловые контакты как с объектом, так и с соединительным кабелем (А), эквивалентная тепловая схема (Б)

 


Схема на рис. 16.1Б напоминает электрическую схему, и для расчета ее пара­метров также применяются законы электрических цепей, такие как законы Кир­хгофа и Ома (Интересно отметить, что закон Кирхгофа был первоначально выве­ден не для электрической цепи, а для водопровода). Теплоемкость вещества, по аналогии с электрическими цепями, отображается в виде конденсатора. Считая, что все температуры уже вышли на определенный стационарный уровень, к этой системе можно применить закон сохранения энергии, из которого следует, что тепловая энергия, переданная объектом датчику, должна быть равна энергии,


отданной датчиком в окружающую среду. Исходя из этого, можно записать следу­ющее уравнение:


 

(16.1)


Из которого можно вывести выражение для температуры датчика:


 

(16.2)


где DT — разность температур между объектом и окружающей средой. Подроб­нее рассмотрим уравнение (16.2). Анализируя его, можно сделать несколько зак­лючений. Во-первых, температура датчика всегда отличается от температуры объекта. Исключение составляет случай, когда температуры окружающей сре­ды и объекта равны (т.е. DT=TB—T0=0). Во-вторых, при любом DT температура датчика будет приближаться к температуре объекта только в том случае, когда отношение r1/r2 стремится к нулю. Это означает, что для снижения погрешности измерения необходимо улучшать тепловую связь между объектом и датчиком и, по возможности, отделять датчик от окружающей среды, что часто очень нелег­ко выполнить.

Все вышесказанное справедливо для стационарных условий. Теперь рассмот­рим динамический процесс, когда температура меняется во времени. Такая ситу­ация происходит при изменении температуры окружающей среды или объекта, а также в момент присоединения датчика к объекту, когда его температура еще не успела стабилизироваться. При контакте чувствительного элемента с объектом между ними происходит теплообмен. Количество переданного при этом тепла определяется разностью температур элемента (Ts) и объекта (TB):

 

(16.3)

где а=1/r1 — теплопроводность в зоне контакта датчика и объекта. Если удельная теплоемкость датчика равна с, а масса — т, количество поглощенного им тепла можно найти из выражения:

 

(16.4)

Без учета тепловых потерь датчика в окружающую среду через соединительный кабель и вспомогательные структуры, т.е. предполагая, что r2=, на основе урав­нений (16.3) и (16.4) можно получить следующее дифференциальное уравнение первого порядка:

 

(16.5)

Определим тепловую постоянную времени как:


 

(16.6)


тогда дифференциальное уравнение (16.5) примет вид:


 

(16.7)


Решение этого уравнения можно записать как:

 

(16.8)

где предполагается, что первоначально датчик находится при температуре Тв. На рис. 16.2А показан переходный процесс установления температуры датчика, со­ответствующий уравнению (16.8). Постоянная времени tT определяется временем, за которое температура T достигает уровня, равного 63.2% от первоначальной раз­ности температур DT0, Чем меньше постоянная времени, тем быстрее датчик на­бирает требуемую температуру.


 

Рис. 16.2. Переходные характеристики чувствительного элемента: А — идеаль­ная связь датчика с объектом (нет тепловых потерь), Б — чувстви­тельный элемент отдает часть своего тепла в окружающую среду

 


Из уравнения (16.8) следует, что при t ® ¥, температура датчика становиться равной температуре объекта: Т=Т1 . Теоретически, для достижения полного теп­лового равновесия между объектом и датчиком требуется бесконечно большое время. Но поскольку обычно требуется проводить измерения с заданной точнос­тью, в большинстве случаев считают, что через интервал времени, равный 5...10 постоянным времени, наступает квазиравновесное состояние. Например, в мо­мент времени t=5t, температура датчика будет составлять 0.7% от DT0, а при t=10t, разница между температурами уже равна 0.005%.

Теперь рассмотрим ситуацию, при которой датчик теряет часть тепла в окружа­ющую среду, т.е. r2¹¥. В этом случае тепловая постоянная времени определяется как:


 

(16.9)


Переходный процесс выхода температуры на режим показан на рис. 16.8Б. Отме­тим, что в данном случае температура датчика никогда не станет равной темпера­туре объекта, сколько бы времени не прошло.


Типовой контактный датчик температуры состоит из следующих компо­нентов (рис. 16.ЗА):

1. Чувствительного элемента: материала, реагирующего на изменение его
собственной температуры. Хороший элемент обладает низкой удельной
теплоемкостью, малой массой, большой теплопроводностью, высокой и
прогнозируемой чувствительностью

2. Контактов: проводящих пластинок или проводов, связывающих чувстви­
тельный элемент с внешней электронной схемой. Контакты должны об­
ладать минимально возможными теплопроводностью и электрическим со­
противлением. Также они часто выполняют роль опорной конструкции.

3. Защитного корпуса: специальной оболочки или покрытия, физически раз­
деляющего чувствительный элемент от окружающей среды. Хороший кор­
пус имеет низкое тепловое сопротивление (высокую теплопроводность) и
хорошие диэлектрические свойства. Он должен быть влагонепроницае­
мым, чтобы вода и другие факторы окружающей среды не могли сказаться
на работе чувствительного элемента.


 
Рис. 16.3.Основные струк­туры датчиков температу­ры: А — контактный дат­чик, Б — бесконтактный датчик (детектор теплово­го излучения)

(А)

(Б)

 


На рис. 16.3Б показан бесконтактный датчик температуры, представляю­щий собой оптический детектор теплового излучения, подробно описанный в главе 14. В его состав также входит чувствительный элемент, реагирующий на изменение собственной температуры. Основное отличие контактных и бескон­тактных датчиков заключается в способе передачи тепла от объекта к элемен­ту: в контактных датчиках задействован механизм теплопроводности через фи­зический контакт, в бесконтактных тепло передается через излучение или оп­тическим методом.

Для улучшения быстродействия датчиков тепловых излучений толщину чувствительного элемента делают минимальной, в то время как для повыше­ния чувствительности увеличивают его площадь поверхности. В дополнение к чувствительному элементу в состав бесконтактного теплового датчика может входить оптическое окошко и встроенная интерфейсная схема. Внутренняя часть корпуса датчика обычно заполняется сухим воздухом или азотом.

Все датчики температуры можно разделить на два класса: абсолютные и относительные детекторы. Абсолютные датчики измеряют температуру отно­сительно либо абсолютного нуля, либо любой другой точки на температурной шкале, например, относительно 0°С (273.15°К), 25°С и т.д. Примерами абсо­лютных датчиков являются термисторы и резистивные детекторы температуры (РДТ). Относительные датчики измеряют разность температур двух объектов,


один из которых называется эталонным. Типичным представителем относи­тельных датчиков является термопара.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.