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Los secretos de los detectores de semiconductores: ¿cómo miden la radiación con tanta precisión?
En el contexto tecnológico actual, que cambia rápidamente, los detectores de semiconductores desempeñan un papel importante en el campo de la medición de la radiación gracias a su excelente rendimiento. Estos dispositivos se basan en materiales semiconductores (normalmente silicio o germanio) y son capaces de detectar y medir los efectos de las partículas cargadas incidentes, o fotones. Estos detectores se utilizan ampliamente en protección radiológica, espectroscopia de rayos gamma y rayos X y como detectores de partículas, donde han demostrado su valor irremplazable.
La esencia de los detectores de semiconductores radica en la detección de portadores de carga libres, que se basa en portadores excitados por la radiación.
Mecanismo de detección
En un detector de semiconductores, cuando la radiación ionizante ingresa al detector, excita los electrones libres y los huecos de electrones dentro del material de detección. El número de estos portadores libres es proporcional a la energía de la radiación. Esto significa que el número de pares electrón-hueco inducidos por evento de radiación se puede utilizar para medir la energía de la radiación que se está probando.
Bajo la influencia del campo eléctrico, los electrones y los huecos se mueven hacia los electrodos respectivamente, generando así pulsos mensurables en el circuito externo. Este proceso se describe mediante el teorema de Shockley-Ramo. En comparación con los detectores de gas, los detectores de semiconductores requieren energía relativamente baja para generar pares electrón-hueco, lo que resulta en una baja variación estadística en la amplitud del pulso y una resolución energética mejorada. Además, debido a la alta velocidad del movimiento de los electrones, su resolución temporal también es excelente.
Tipos de detectores
Detector de silicioLa mayoría de los detectores de partículas de silicio se fabrican dopando una tira estrecha de silicio, convirtiéndola en un diodo y luego polarizándola en sentido inverso. Cuando las partículas cargadas pasan a través de estas tiras, inducen una pequeña corriente de ionización, que puede detectarse y medirse. Este diseño permite que los detectores de silicio, miles de ellos desplegados alrededor del punto de colisión de un acelerador de partículas, representen con precisión las trayectorias de las partículas.
Detector de diamantesLos detectores de diamante comparten muchas similitudes con los detectores de silicio, pero se espera que ofrezcan ventajas significativas en términos de alta dureza de radiación y corriente de deriva muy baja. También son adecuados para la detección de neutrones. En la actualidad, el costo de fabricación de los detectores de diamantes es alto y la producción es difícil.
Detector de germanioLos detectores de germanio se utilizan principalmente en espectroscopia gamma y espectroscopia de rayos X en física nuclear. Su espesor de capa sensible puede alcanzar varios centímetros, lo que los hace capaces de actuar como detectores de absorción completa para rayos gamma. Los detectores de germanio deben mantenerse a la temperatura del nitrógeno líquido para lograr una buena eficiencia de trabajo espectral. Esto se debe a que a temperaturas más altas, los electrones pueden cruzar fácilmente la banda de energía prohibida, lo que introduce demasiado ruido eléctrico, lo que también limita su aplicación.
Detectores de telururo de cadmio y de telururo de zinc-cadmioSe han desarrollado detectores de telururo de cadmio (CdTe) y telururo de cadmio y zinc (CZT) para su uso en espectroscopia de rayos X y rayos gamma. La alta densidad de estos materiales los hace eficaces para bloquear los rayos X y los rayos gamma superiores a 20 keV, que son indetectables para los sensores tradicionales basados en silicio. Debido a que ambos materiales tienen amplios intervalos de banda, pueden operar a temperatura cercana a la ambiente, lo que les otorga una mayor flexibilidad en las aplicaciones.
Sistemas integrados
Los detectores de semiconductores a menudo se integran en sistemas más grandes para diversas aplicaciones de medición de radiación. Por ejemplo, a menudo se requieren espectrómetros gamma que utilizan detectores de germanio de alta pureza para medir trazas de radionucleidos gamma en un entorno de bajo nivel de fondo. A medida que la tecnología ha avanzado, se han desarrollado sistemas de muestreo automatizados transparentes para mover muestras automáticamente dentro de un blindaje de plomo cerrado.
ConclusiónA medida que los detectores de semiconductores se utilizan cada vez más en la medición de la radiación, su continua innovación y mejora tecnológica promoverán aún más el desarrollo de la física nuclear y la protección radiológica. ¿Cómo cambiarán estos detectores de alta tecnología nuestra comprensión de la radiación en aplicaciones futuras?
