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I segreti dei rilevatori a semiconduttore: come riescono a misurare le radiazioni con tanta precisione?
Nell'attuale contesto tecnologico in rapida evoluzione, i rilevatori a semiconduttore svolgono un ruolo importante nel campo della misurazione delle radiazioni grazie alle loro eccellenti prestazioni. Questi dispositivi si basano su materiali semiconduttori (solitamente silicio o germanio) e sono in grado di rilevare e misurare gli effetti delle particelle cariche incidenti, o fotoni. Questi rilevatori sono ampiamente utilizzati nella radioprotezione, nella spettroscopia a raggi gamma e a raggi X e come rilevatori di particelle, dove hanno dimostrato il loro valore insostituibile.
L'essenza dei rilevatori a semiconduttore risiede nel rilevamento di portatori di carica liberi, che si basa su portatori eccitati dalla radiazione.
Meccanismo di rilevamento
In un rilevatore a semiconduttore, quando la radiazione ionizzante entra nel rilevatore, eccita elettroni liberi e lacune elettroniche all'interno del materiale di rilevamento. Il numero di questi portatori liberi è proporzionale all'energia della radiazione. Ciò significa che il numero di coppie elettrone-lacuna indotte per evento di radiazione può essere utilizzato per misurare l'energia della radiazione sottoposta a test.
Sotto l'influenza del campo elettrico, gli elettroni e le lacune si spostano rispettivamente verso gli elettrodi, generando così impulsi misurabili nel circuito esterno. Questo processo è descritto dal teorema di Shockley-Ramo. Rispetto ai rilevatori di gas, i rilevatori a semiconduttore richiedono un'energia relativamente bassa per generare coppie elettrone-lacuna, con conseguente bassa variazione statistica nell'ampiezza dell'impulso e migliore risoluzione energetica. Inoltre, grazie all'elevata velocità di movimento degli elettroni, anche la sua risoluzione temporale è eccellente.
Tipi di rilevatori
Rilevatore di silicio
La maggior parte dei rilevatori di particelle di silicio vengono realizzati drogando una stretta striscia di silicio, trasformandola in un diodo e quindi polarizzandola inversamente. Quando le particelle cariche attraversano queste strisce, inducono una piccola corrente di ionizzazione, che può essere rilevata e misurata. Questa progettazione consente ai rilevatori al silicio, migliaia di essi dispiegati attorno al punto di collisione di un acceleratore di particelle, di rappresentare con precisione i percorsi delle particelle.
Rilevatore di diamanti
I rivelatori a diamante presentano molte somiglianze con i rivelatori al silicio, ma si prevede che offrano notevoli vantaggi in termini di elevata resistenza alle radiazioni e bassissima corrente di deriva. Sono adatti anche per la rilevazione dei neutroni. Attualmente, i costi di produzione dei rilevatori di diamanti sono elevati e la loro produzione risulta difficile.
Rilevatore al germanio
I rivelatori al germanio sono usati principalmente nella spettroscopia gamma e nella spettroscopia a raggi X nella fisica nucleare. Lo spessore del loro strato sensibile può arrivare fino a diversi centimetri, rendendoli in grado di agire come rivelatori ad assorbimento completo per i raggi gamma. I rivelatori al germanio devono essere mantenuti alla temperatura dell'azoto liquido per ottenere una buona efficienza di lavoro spettrale. Questo perché a temperature più elevate, gli elettroni possono facilmente attraversare il gap di banda energetico, introducendo troppo rumore elettrico, che ne limita anche l'applicazione.
Rilevatori di tellururo di cadmio e tellururo di zinco cadmio
Sono stati sviluppati rilevatori di tellururo di cadmio (CdTe) e di tellururo di cadmio e zinco (CZT) per l'impiego nella spettroscopia a raggi X e gamma. L'elevata densità di questi materiali li rende efficaci nel bloccare i raggi X e i raggi gamma superiori a 20 keV, che non sono rilevabili dai tradizionali sensori al silicio. Poiché entrambi i materiali presentano ampi gap di banda, possono funzionare a temperature prossime a quella ambiente, il che conferisce loro una maggiore flessibilità nelle applicazioni.
Sistemi Integrati
I rilevatori a semiconduttore vengono spesso integrati in sistemi più grandi per varie applicazioni di misurazione delle radiazioni. Ad esempio, gli spettrometri gamma che utilizzano rilevatori al germanio ad alta purezza sono spesso necessari per misurare tracce di radionuclidi gamma in un ambiente a basso fondo. Con il progresso della tecnologia, sono stati sviluppati sistemi di campionamento automatizzati trasparenti per spostare automaticamente i campioni all'interno di una schermatura di piombo chiusa.
ConclusionePoiché i rilevatori a semiconduttore sono sempre più utilizzati nella misurazione delle radiazioni, la loro continua innovazione tecnologica e il loro miglioramento promuoveranno ulteriormente lo sviluppo della fisica nucleare e della protezione dalle radiazioni. In che modo questi rilevatori ad alta tecnologia cambieranno la nostra comprensione delle radiazioni nelle applicazioni future?
