Language
Country/Area
No result found
Os segredos dos detectores de semicondutores: como eles medem a radiação com tanta precisão?
No contexto tecnológico de rápidas mudanças de hoje, os detectores de semicondutores desempenham um papel importante no campo da medição de radiação com seu excelente desempenho. Esses dispositivos são baseados em materiais semicondutores (geralmente silício ou germânio) e são capazes de detectar e medir os efeitos de partículas carregadas incidentes, ou fótons. Esses detectores são amplamente utilizados em proteção contra radiação, espectroscopia de raios gama e raios X e como detectores de partículas, onde demonstraram seu valor insubstituível.
A essência dos detectores de semicondutores está na detecção de portadores de carga livre, que depende de portadores excitados por radiação.
Mecanismo de detecção
Em um detector de semicondutores, quando a radiação ionizante entra no detector, ela excita elétrons livres e lacunas de elétrons dentro do material de detecção. O número desses portadores livres é proporcional à energia da radiação. Isso significa que o número de pares elétron-buraco induzidos por evento de radiação pode ser usado para medir a energia da radiação que está sendo testada.
Sob a influência do campo elétrico, elétrons e lacunas se movem para os eletrodos, respectivamente, gerando pulsos mensuráveis no circuito externo. Esse processo é descrito pelo teorema de Shockley-Ramo. Comparados aos detectores de gás, os detectores de semicondutores requerem energia relativamente baixa para gerar pares elétron-buraco, resultando em baixa variação estatística na amplitude do pulso e melhor resolução de energia. Além disso, devido à alta velocidade do movimento dos elétrons, sua resolução temporal também é excelente.
Tipos de detectores
Detector de silício
A maioria dos detectores de partículas de silício é feita pela dopagem de uma tira estreita de silício, transformando-a em um diodo e, então, polarizando-a reversamente. Quando partículas carregadas passam por essas tiras, elas induzem uma pequena corrente de ionização, que pode ser detectada e medida. Este projeto permite que detectores de silício, com milhares deles posicionados ao redor do ponto de colisão de um acelerador de partículas, descrevam com precisão os caminhos das partículas.
Detector de diamantes
Os detectores de diamante compartilham muitas semelhanças com os detectores de silício, mas espera-se que ofereçam vantagens significativas em termos de alta dureza de radiação e corrente de deriva muito baixa. Eles também são adequados para detecção de nêutrons. Atualmente, o custo de fabricação dos detectores de diamantes é alto e a produção é difícil.
Detector de germânio
Detectores de germânio são usados principalmente em espectroscopia gama e espectroscopia de raios X em física nuclear. A espessura de sua camada sensível pode ser de até vários centímetros, tornando-os capazes de atuar como detectores de absorção completos para raios gama. Detectores de germânio precisam ser mantidos em temperatura de nitrogênio líquido para atingir boa eficiência espectral de trabalho. Isso ocorre porque em temperaturas mais altas, os elétrons podem facilmente cruzar a lacuna de banda de energia, introduzindo muito ruído elétrico, o que também limita sua aplicação.
Detectores de telureto de cádmio e telureto de zinco-cádmio
Detectores de telureto de cádmio (CdTe) e telureto de cádmio e zinco (CZT) foram desenvolvidos para uso em espectroscopia de raios X e raios gama. A alta densidade desses materiais os torna eficazes no bloqueio de raios X e raios gama acima de 20 keV, que são indetectáveis por sensores tradicionais baseados em silício. Como ambos os materiais têm amplas lacunas de banda, eles podem operar em temperatura próxima à ambiente, o que lhes dá maior flexibilidade nas aplicações.
Sistemas Integrados
Detectores de semicondutores são frequentemente integrados em sistemas maiores para diversas aplicações de medição de radiação. Por exemplo, espectrômetros gama que usam detectores de germânio de alta pureza são frequentemente necessários para medir quantidades vestigiais de radionuclídeos gama em um ambiente de baixo ruído. Com o avanço da tecnologia, sistemas de amostragem automatizados transparentes foram desenvolvidos para mover amostras automaticamente dentro de uma blindagem de chumbo fechada.
ConclusãoComo os detectores semicondutores são cada vez mais usados na medição de radiação, sua contínua inovação e melhoria tecnológica promoverão ainda mais o desenvolvimento da física nuclear e da proteção contra radiação. Como esses detectores de alta tecnologia mudarão nossa compreensão da radiação em aplicações futuras?
