RadSense - en Rad SolidState Gamma strålning detektor (2 / 11 steg)

Steg 2: Tekniska Primer

(Räkna legend: joniserande strålning bildar elektron-hål par i regionen inneboende vilket resulterar i en laddning puls.)

• SolidState detektorer

I många strålning upptäckt applikationer är användningen av en solid upptäckt medium stor fördel (alternativt kallas Halvledareavkännare diod eller halvledardetektorer). Kisel dioder är detektorerna val för ett stort antal tillämpningar, särskilt när tunga laddade partiklar är inblandade. Om mätning av energi inte krävs, tillåta utmärkta timing kännetecknen av kisel diod detektorer en noggrann inventering och spårning av laddade partiklar. För mätning av high-energy elektroner eller gamma-rays, kan detektor dimensioner hållas mycket mindre än alternativen. Användning av halvledarmaterial som strålning detektorer leder också till ett större antal bärare för en given infallande strålning, och därför en lägre statistisk gräns på energi upplösning än vad som är möjligt med andra detektor. Följaktligen, den bästa energi upplösningen kan uppnås idag realiseras med hjälp av sådana detektorer. Här, de grundläggande information bärarna är elektron-hål par skapat längs den väg som tas av laddade partiklar genom detektorn (se figur ovan). Genom att samla dessa elektron-hål par, mätt som avgifter vid elektroderna på sensorn, upptäckt signalen bildas och det fortsätter med att förstärkning och diskriminering. Ytterligare önskvärda funktioner halvledardetektorer är en kompakt storlek, relativt snabb timing egenskaper och en effektiv tjocklek (*). Som med någon detektor finns det nackdelar, bland annat begränsning för små storlekar och relativt hög känslighet för dessa enheter att genomgå prestandaförsämring från strålning-inducerad skada.

(*: Tunn sensorer minimera flera skärvor, medan tjockare sensorer generera mer avgifter när en partikel korsar substrat.)

• P−i−N dioder

Varje typ av strålning detektorn ger en karakteristisk utgång efter samspel med strålning. Växelverkan mellan partiklar och fråga kännetecknas av tre effekter: fotoelektrisk effekt (* 1), Compton scattering (* 2), och par-produktion (* 3). Den grundläggande principen om en planar kisel detektor är användningen av en PN-övergång där partiklar interagerar via dessa tre fenomen. Enklaste planar kisel sensorn består av en P dopade substrat och en N-implantat på ena sidan. Elektron-hål par skapas längs en partikel bollbana. I området i PN är korsningen där en regionsfri av laddningsbärare, kallas utfiskning zonen. Elektron-hål par skapade i denna region är åtskilda av ett omgivande elektriskt fält. Därför laddningsbärarna kan mätas på antingen P eller N-sidan av kisel materialet. Genom att tillämpa en omvänd-bias spänning till PN-övergången diod, utarmat zonen växer och kan täcka hela sensorn substratet. Du kan läsa mer om detta här: Wikipedia artikel PN-övergång.

En PiN diod har en inneboende jag region, mellan P och N korsningar, översvämmad med laddningsbärarna från P och N-regioner. Denna breda inneboende region innebär också dioden har en låg kapacitans när omvänd partisk. I en PiN diod finns utarmning regionen nästan helt inom regionen inneboende. Denna utarmning regionen är mycket större än med en vanlig PN-dioden. Detta ökar volymen där elektron-hål par kan skapas genom en infallande fotonen. Om ett elektriskt fält används i materiellt halvledaren, genomgå både elektroner och hål en migrering. PiN-dioden är omvänd partisk så att hela i-lagret är utfiskad av gratis bärare. Denna omvända bias skapar ett elektriskt fält över i-lagret så att elektronerna är sopat till P-lagret och hål, i N-skiktet (* 4). Detta flöde av bärare som svar på en puls av strålning, utgör den uppmätta pulsen. För att maximera detta nuvarande, i-regionen måste vara så stor som möjligt. Egenskaperna för korsningen är sådana att det genomför mycket lite aktuella när partisk i motsatt riktning. P-sidan av korsningen blir negativa med avseende på N-sidan och naturliga potentialskillnaden från ena sidan av korsningen till den andra förstärks. Under dessa omständigheter är det minoritet trafikföretag som lockas över korsningen och, eftersom deras koncentration är relativt låg, den omvända nuvarande över dioden är ganska liten. När en omvänd bias används till korsningen, visas praktiskt taget alla spänningen utarmning regionen, eftersom dess resistivitet är mycket högre än det normala N- eller P-typ materialet. Faktiskt accentuerar den omvända fördomar potentialskillnaden över korsningen. Tjockleken på utarmning regionen ökas också, utöka volymen som strålning-producerade laddningsbärarna är insamlade. När det elektriska fältet är tillräckligt högt, samlingen avgift blir komplett och puls höjden ändras inte längre med ytterligare höjningar av detektor bias spänning.

(* 1: elektroner i en atom bundna tillstånd slås ut av fotoner när energin av de infallande partiklarna är högre än den bindande energin.; * 2: interaktion som rör spridningen hos en partikel av en fri eller löst bundna elektronen och överföring av del av energin till den elektron.; * 3: produktion av en Elementarpartikel och dess anti partikel.; * 4. : Elektronerna dras i motsatt riktning till den elektriska fältet vektorn, medan hål röra sig i samma riktning som det elektriska fältet.)