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半導体検出器の秘密：放射線をいかに正確に測定するか？
急速に変化する今日の技術環境において、半導体検出器はその優れた性能により放射線測定の分野で重要な役割を果たしています。これらのデバイスは半導体材料 (通常はシリコンまたはゲルマニウム) に基づいており、入射する荷電粒子または光子の影響を検出および測定できます。これらの検出器は、放射線防護、ガンマ線およびX線分光法、粒子検出器として広く使用されており、かけがえのない価値を実証しています。
半導体検出器の本質は、放射線によって励起されたキャリアに依存する自由電荷キャリアの検出にあります。
検出メカニズム
半導体検出器では、電離放射線が検出器に入ると、検出材料内の自由電子と電子正孔が励起されます。これらの自由キャリアの数は放射線のエネルギーに比例します。これは、放射線イベントごとに誘発される電子-正孔対の数を使用して、テスト対象の放射線のエネルギーを測定できることを意味します。
電界の影響下で、電子と正孔がそれぞれ電極に移動し、外部回路で測定可能なパルスが生成されます。このプロセスはショックレー・ラモの定理によって説明されます。ガス検出器と比較すると、半導体検出器は電子正孔対を生成するのに比較的低いエネルギーしか必要としないため、パルス振幅の統計的変動が少なくなり、エネルギー分解能が向上します。また、電子の移動速度が速いため、時間分解能も優れています。
検出器の種類
シリコン検出器
ほとんどのシリコン粒子検出器は、シリコンの細いストリップにドーピングを施し、それをダイオードに変えて、逆バイアスをかけることによって作られています。荷電粒子がこれらのストリップを通過すると、小さなイオン化電流が発生し、それを検出して測定することができます。この設計により、粒子加速器の衝突点の周囲に数千個配置されたシリコン検出器が、粒子の進路を正確に描写できるようになります。
ダイヤモンド検出器
ダイヤモンド検出器はシリコン検出器と多くの類似点がありますが、高い放射線耐性と非常に低いドリフト電流の点で大きな利点を提供することが期待されています。中性子検出にも適しています。現在、ダイヤモンド探知機の製造コストは高く、生産は困難です。
ゲルマニウム検出器
ゲルマニウム検出器は、主に核物理学におけるガンマ分光法やX線分光法で使用されます。感度層の厚さは最大数センチメートルに達するため、ガンマ線の完全吸収検出器として機能します。ゲルマニウム検出器は、良好なスペクトル動作効率を実現するために、液体窒素温度に保つ必要があります。これは、温度が高いと電子がエネルギーバンドギャップを容易に越え、過剰な電気ノイズが発生し、これもまたその用途を制限するためです。
テルル化カドミウムおよびテルル化亜鉛カドミウム検出器
テルル化カドミウム (CdTe) およびテルル化カドミウム亜鉛 (CZT) 検出器は、X 線およびガンマ線分光法で使用するために開発されました。これらの材料は高密度であるため、従来のシリコンベースのセンサーでは検出できない 20 keV を超える X 線やガンマ線を効果的に遮断できます。どちらの材料もバンドギャップが広いため、室温近くで動作することができ、アプリケーションの柔軟性が向上します。
統合システム
半導体検出器は、さまざまな放射線測定アプリケーション用の大規模なシステムに統合されることがよくあります。たとえば、低バックグラウンド環境で微量のガンマ放射性核種を測定するには、高純度ゲルマニウム検出器を使用するガンマ分光計が必要になることがよくあります。技術の進歩に伴い、密閉された鉛シールド内でサンプルを自動的に移動する透明な自動サンプリング システムが開発されました。
結論半導体検出器は放射線測定にますます使用されるようになり、その継続的な技術革新と改善により、核物理学と放射線防護の発展がさらに促進されるでしょう。これらのハイテク検出器は、将来の応用において放射線に対する私たちの理解をどのように変えるのでしょうか?
