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반도체 검출기의 비밀: 이것들은 어떻게 그렇게 정확하게 방사선을 측정하는가?
오늘날 급속한 기술 발전의 맥락에서 반도체 검출기는 뛰어난 성능으로 방사선 측정 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 이러한 장치는 일반적으로 실리콘 또는 게르마늄과 같은 반도체 재료를 기반으로 하며 유입되는 하전 입자 또는 광자의 효과를 감지하고 측정할 수 있습니다. 이 검출기는 방사선 보호, 감마선 및 X선 분광학에 널리 사용되며 입자 검출기로서 대체할 수 없는 가치를 입증했습니다.
반도체 검출기의 핵심은 방사선에 의해 여기된 캐리어에 의존하는 자유 전하 캐리어를 검출하는 것입니다.
감지 메커니즘
반도체 검출기에서는 전리 방사선이 검출기에 들어갈 때 검출 물질 내의 자유 전자와 정공을 여기시킵니다. 이러한 자유 캐리어의 수는 방사선 에너지에 정비례합니다. 이는 매번 방사선에 의해 유도되는 전자-정공 쌍의 수를 사용하여 테스트되는 방사선의 에너지를 측정할 수 있음을 의미합니다.
전기장의 영향을 통해 전자와 정공이 각각 전극으로 이동하여 외부 회로에서 측정 가능한 펄스를 생성합니다. 이 과정은 Shockley-Ramo 정리로 설명됩니다. 가스 감지기에 비해 반도체 감지기는 전자-정공 쌍을 생성하는 데 상대적으로 낮은 에너지가 필요하므로 펄스 진폭의 통계적 변화가 적고 에너지 분해능이 향상됩니다. 또한 전자는 빠르게 움직이기 때문에 시간 분해능도 뛰어납니다.
감지기 유형
실리콘 감지기
대부분의 실리콘 입자 탐지기는 좁은 실리콘 스트립을 도핑하여 이를 다이오드로 변환한 다음 역바이어스하는 방식으로 작동합니다. 하전 입자가 이러한 스트립을 통과할 때 감지 및 측정이 가능한 작은 이온화 전류를 유도합니다. 이 설계를 통해 입자 가속기의 충돌 지점 주변에 수천 개의 감지기와 함께 실리콘 감지기를 배치하여 입자 경로를 정확하게 매핑할 수 있습니다.
다이아몬드 탐지기
다이아몬드 감지기는 실리콘 감지기와 많은 유사점을 공유하지만 높은 방사선 경도와 극히 낮은 드리프트 전류에서 상당한 이점을 가질 것으로 예상됩니다. 동시에 중성자 탐지에도 적합합니다. 이 단계에서는 다이아몬드 탐지기의 제조 비용이 높고 생산이 어렵습니다.
게르마늄 검출기
게르마늄 검출기는 주로 핵물리학의 감마 분광학 및 X선 분광학에 사용됩니다. 민감한 층의 두께는 수 센티미터이므로 감마선의 완전한 흡수 검출기 역할을 할 수 있습니다. 게르마늄 검출기는 우수한 스펙트럼 효율을 달성하기 위해 액체 질소 온도에서 유지되어야 합니다. 이는 온도가 높을수록 전자가 쉽게 에너지 밴드 갭을 넘어 너무 많은 전기적 잡음을 발생시켜 적용이 제한되기 때문입니다.
카드뮴 텔루라이드 및 아연 카드뮴 텔루라이드 검출기
CdTe(카드뮴 텔루라이드) 및 CZT(아연 카드뮴 텔루라이드) 검출기는 X선 및 감마선 분광학용으로 개발되었습니다. 이러한 재료의 밀도가 높기 때문에 기존 실리콘 기반 센서가 감지할 수 없는 20keV 이상의 X선과 감마선을 효과적으로 차단할 수 있습니다. 두 재료 모두 밴드갭이 넓기 때문에 실온 근처에서 작동할 수 있어 응용 분야에서 더 큰 유연성을 제공합니다.
통합 시스템
반도체 검출기는 다양한 방사선 측정 응용 분야를 위해 대규모 시스템에 통합되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 고순도 게르마늄 검출기를 사용하는 감마 분광기는 배경이 낮은 환경에서 미량의 감마 방사성 핵종을 측정해야 하는 경우가 많습니다. 기술이 발전함에 따라 폐쇄형 리드 실드 내에서 샘플을 자동으로 이동시키는 투명한 자동 샘플링 시스템도 개발되었습니다.
결론
반도체 검출기가 방사선 측정에 점점 더 많이 사용됨에 따라 지속적인 기술 혁신과 개선은 핵 물리학 및 방사선 방호의 발전을 더욱 촉진할 것입니다. 이러한 첨단 기술 검출기는 미래 응용 분야에서 방사선에 대한 우리의 이해를 어떻게 변화시킬 것입니까?
