Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Основные характеристики детекторов

Энергетическое разрешение. Прохождение ионизирующей частицы в чувствительном объёме детектора приводит к образованию большого числа электронно-дырочных пар. Допустим, что частица с энергией Е полностью потеряла свою энергию в чувствительном слое детектора. Тогда число образовавшихся пар будет равно N=E/E_и, где Е_и – энергия ионизации. Если все носители будут собраны на соответствующих электродах, то величина импульса тока во внешней цепи будет пропорциональна энергии Е. Неполный сбор заряда приведёт к меньшим сигналам и ухудшит разрешающую способность вследствие неравномерности сбора. При использовании детекторов, охлаждённых до температуры жидкого азота, эффекты захвата весьма существенны, так как время, проведённое носителями в ловушке, увеличивается с понижением температуры. Рекомбинация важна на первой стадии процесса образования пар, когда электрон и дырка находится вблизи места их образования. Особенно заметен этот эффект при регистрации тяжёлых заряжённых частиц с высокой плотностью ионизации. Основное ограничение на разрешающую способность детектора накладывают флуктуации числа электронно-дырочных пар, образованных частицей или ­ g - квантом. Если вероятность образования числа пар N будет распределена по закону Пуассона, то среднеквадратичная флуктуация будет равна (N)^1/2. Относительная полуширина такого распределения составит

2,35 (N) ^1/2(1/ N) =2,35/(N)^1/2. (4)

Распределение Пуассона можно ожидать в том случае, если вероятность образования пар электрон – дырка мала по сравнению с другими путями передачи энергии кристаллу (например, нагревание решётки). С другой стороны, если единственным механизмом потери энергии падающей частицы является образование пар электрон – дырка, то флуктуации числа N вообще не будет. Реальный случай находится между этими крайними вариантами. Статическая теория подобной ситуации в газовых ионизационных камерах была разработана Фано. В этих работах наблюдаемое среднеквадратичное отклонение выражается в виде NF, где F – фактор Фано. Для ионизационных камер F =0,09; для кремниевых детекторов F = 0,10…0,15; для германиевых – F = 0,16. Ввиду того, что на разрешающую способность детектора влияют другие факторы, приведённые значения F следует рассматривать как нижние пределы. Например, при регистрации тяжелых заряжённых частиц некоторая доля энергии частицы передаётся ядрам отдачи без образования электронно-дырочных пар. Этот эффект приводит к дополнительному уширению a-линии на Δ Ε = 6 кэВ при энергии a -частиц Е_a = 6 МэВ.

Шумы детекторов. В реальных установках весьма существенны шумы детектора, возникающие в результате флуктуаций тока утечки. Для того чтобы приблизить к статическому пределу, эти шумы надо свести к минимуму. Различают два вида токов утечки: объёмные и поверхностные. Объёмный ток возникает главным образом из-за тепловой генерации пар в объёме детектора. В германиевых детекторах этот ток настолько велик, что они могут использоваться только при низкой температуре. Величина тока утечки зависит от объёма детектора и может достигать нескольких микроампер. Среднеквадратичная амплитуда объёмного шумового тока равна:

`i ²=2 е·I· Δ f, (5)

где I -ток утечки, е - заряд электрона.

Поверхностные токи возникают там, где на поверхность детектора подаётся высокое напряжение. В тех случаях, когда детектор мал и охлаждён, поверхностные токи играют основную роль и накладывают ограничения на величину высокого напряжения, прикладываемого к детектору. Основная компонента этого шума обратно пропорциональна чистоте

``i²~ (I²· Δ f) / f. (6)

Поверхностный ток утечки можно уменьшить с помощью охранного кольца, разделяющего цепи сигнала и утечки. Для предохранения поверхности кристалла от загрязнения влаги детекторы часто помещают в вакуум.

Имеются ещё составляющие шума за счёт входных электрических цепей (в нагрузочном сопротивлении, в сопротивлении смещения, за счёт проводящих контактов и т. д.). Следует отметить, что в настоящее время найдены методы снижения шумов в детекторах до минимума и разрешающая способность лучших детекторов близка к статическому пределу.

Толщина окна детектора. Частица, входящая в детектор извне, должна сначала пройти нечувствительный слой вещества, который называется мёртвым слоем. В экспериментах с тяжёлыми заряжёнными частицами толщина этого слоя имеет большое значение, так как в мёртвом слое частица может потерять большую часть своей энергии. Если частицы будут падать в детектор под разными углами, то их потери будут неодинаковыми, что приведёт к ухудшению разрешения.

В диффузных детекторах окно соответствует глубине диффузного слоя, который в кремниевых детекторах составляет ~ 1 мкм. В поверхностно-барьерных детекторах окном является слой металла толщиной 50 мкг/см² (~0,05 мкм), нанесённого на окисный слой пренебрежимо малой толщины. Поэтому такой тип детектора выгодно использовать в опытах с тяжёлыми заряжёнными частицами или электронами низких энергий (Е_е £100 кэВ).

В дрейфовых детекторах толщина мёртвого слоя обычно велика (~100 мкм) и они чаще используются для регистрации g -лучей и быстрых электронов (Е_е ³100 кэВ). Однако существуют специальные методы, позволяющие получить более тонкие мёртвые слои в дрейфовых детекторах. Например, осуществляют дрейф лития в материале р -типа, затем на противоположной поверхности кристалла образуют барьерный слой, что приводит к образованию мёртвого слоя толщиной 0,5 мкм. Такие детекторы используют для регистрации мягкого g-излучения рентгеновских лучей.