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Die Geheimnisse der Halbleiterdetektoren: Wie messen sie Strahlung so genau?
Im heutigen, sich rasch verändernden technologischen Kontext spielen Halbleiterdetektoren aufgrund ihrer hervorragenden Leistung eine wichtige Rolle im Bereich der Strahlungsmessung. Diese Geräte basieren auf Halbleitermaterialien (normalerweise Silizium oder Germanium) und können die Auswirkungen einfallender geladener Teilchen oder Photonen erkennen und messen. Diese Detektoren werden häufig im Strahlenschutz, in der Gammastrahlen- und Röntgenspektroskopie sowie als Teilchendetektoren eingesetzt, wo sie ihren unersetzlichen Wert unter Beweis gestellt haben.
Die Essenz von Halbleiterdetektoren liegt in der Erkennung freier Ladungsträger, die auf durch Strahlung angeregten Ladungsträgern beruht.
Erkennungsmechanismus
Wenn in einem Halbleiterdetektor ionisierende Strahlung in den Detektor eindringt, werden im Detektionsmaterial freie Elektronen und Elektronenlöcher angeregt. Die Anzahl dieser freien Träger ist proportional zur Energie der Strahlung. Dies bedeutet, dass die Anzahl der pro Strahlungsereignis induzierten Elektron-Loch-Paare zur Messung der Energie der untersuchten Strahlung verwendet werden kann.
Unter dem Einfluss des elektrischen Felds bewegen sich Elektronen und Löcher jeweils zu den Elektroden und erzeugen so messbare Impulse im externen Schaltkreis. Dieser Prozess wird durch den Shockley-Ramo-Satz beschrieben. Im Vergleich zu Gasdetektoren benötigen Halbleiterdetektoren relativ wenig Energie zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren, was zu geringen statistischen Schwankungen der Pulsamplitude und einer verbesserten Energieauflösung führt. Darüber hinaus ist aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Elektronenbewegung auch die Zeitauflösung hervorragend.
Detektortypen
Siliziumdetektor
Die meisten Silizium-Partikeldetektoren werden hergestellt, indem ein schmaler Streifen Silizium dotiert, in eine Diode umgewandelt und dann in Sperrrichtung vorgespannt wird. Wenn geladene Teilchen durch diese Streifen hindurchgehen, induzieren sie einen kleinen Ionisierungsstrom, der erkannt und gemessen werden kann. Dieses Design ermöglicht es Siliziumdetektoren – von denen Tausende rund um den Kollisionspunkt eines Teilchenbeschleunigers verteilt sind –, die Flugbahnen der Teilchen genau abzubilden.
Diamantdetektor
Diamantdetektoren haben viele Gemeinsamkeiten mit Siliziumdetektoren, dürften aber erhebliche Vorteile hinsichtlich der hohen Strahlungshärte und des sehr geringen Driftstroms bieten. Sie eignen sich auch zur Neutronendetektion. Derzeit sind die Herstellungskosten von Diamantdetektoren hoch und die Produktion ist schwierig.
Germanium-Detektor
Germaniumdetektoren werden vor allem in der Gammaspektroskopie und Röntgenspektroskopie in der Kernphysik eingesetzt. Ihre empfindliche Schichtdicke kann mehrere Zentimeter betragen, wodurch sie als vollständige Absorptionsdetektoren für Gammastrahlen fungieren können. Germaniumdetektoren müssen auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff gehalten werden, um eine gute spektrale Arbeitseffizienz zu erreichen. Dies liegt daran, dass bei höheren Temperaturen Elektronen leicht die Energiebandlücke überschreiten können, was zu viel elektrisches Rauschen verursacht, was auch ihre Anwendung einschränkt.
Cadmiumtellurid- und Zink-Cadmiumtellurid-Detektoren
Cadmiumtellurid- (CdTe) und Cadmiumzinktellurid-Detektoren (CZT) wurden für den Einsatz in der Röntgen- und Gammastrahlenspektroskopie entwickelt. Aufgrund ihrer hohen Dichte blockieren diese Materialien wirksam Röntgen- und Gammastrahlen über 20 keV, die von herkömmlichen Sensoren auf Siliziumbasis nicht erkannt werden können. Da beide Materialien große Bandlücken aufweisen, können sie bei Temperaturen nahe der Raumtemperatur betrieben werden, was ihnen eine größere Anwendungsflexibilität verleiht.
Integrierte Systeme
Halbleiterdetektoren werden häufig in größere Systeme für verschiedene Strahlungsmessanwendungen integriert. Beispielsweise werden häufig Gammaspektrometer mit hochreinen Germaniumdetektoren benötigt, um Spurenmengen von Gammaradionukliden in einer Umgebung mit geringer Hintergrundstrahlung zu messen. Mit dem technischen Fortschritt wurden transparente, automatisierte Probenahmesysteme entwickelt, die die Proben automatisch innerhalb einer geschlossenen Bleiabschirmung transportieren.
AbschlussDa Halbleiterdetektoren zunehmend in der Strahlungsmessung eingesetzt werden, werden ihre kontinuierliche technologische Innovation und Verbesserung die Entwicklung der Kernphysik und des Strahlenschutzes weiter vorantreiben. Wie werden diese High-Tech-Detektoren unser Verständnis von Strahlung in zukünftigen Anwendungen verändern?
