Типы германиевых детекторов используемые для регистрации рентгеновского и гамма-излучения

С появлением атомной энергии так же появилась необходимость в противорадиационной защите человека и природы, от ионизирующего излучения, которое может появится при аварийной ситуации. Поэтому с появлением атомной энергетики так же стала появляться необходимость создания приборов, для анализа радиационной обстановки и последствий радиационных инцидентов. Примером такого инцидента может служить авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г., в результате которой произошел выброс радиоактивных веществ в окружающую среду. Площадь зоны отчуждения после аварии составила 2600 км2.

Для регистрации ионизирующего излучения наиболее часто применяются германиевые детекторы, они получили широкое распространение в γ-спектроскопии из-за высокой разрешающей способности и высокой эффективности регистрации. Германиевые детекторы — это полупроводниковые диоды, имеющие структуру P-I-N, в которых область (I) собственной электропроводимости чувствительна к ионизирующей радиации. При обратном смещении электрическое поле расширяет область собственной электропроводимости или обедненную область. Когда фотоны взаимодействуют с материалом внутри обедненной области детектора, образуются носители заряда (дырки и электроны) и перемещаются под действием электрического поля к электродам P и N. Этот заряд, который пропорционален энергии, потерянной в детекторе входящим фотоном, преобразуется в импульс напряжения интегральным зарядочувствительным предусилителем. Такие детекторы должны охлаждаться, чтобы уменьшить шум, который снижает энергетическое разрешение детектора. Для охлаждения таких детекторов используется жидкий азот, имеющий температуру -196 °C.

 Существуют различные типы детекторов. На данный момент производится широкий спектр детекторов. На рисунке показаны различные геометрии детекторов, выпускаемых фирмой Canberra, и перекрываемый ими энергетический диапазон.

Рисунок Геометрии детекторов
Рисунок Геометрии детекторов

Ультра-низкоэнергетический детектор (ULEGe). Ультра-низкоэнергетический детектор фирмы Canberra расширяет диапазон измерений Ge детекторов до измерения всего лишь нескольких сотен эВ. Он обеспечивает разрешение, форму пика и отношение пик/фон, которые считаются недоступными для полупроводниковых детекторов.

Низкоэнергетический Ge детектор (LEGe). Данный детектор во многих приложениях обладает большими преимуществами перед стандартным планарным или коаксиальным детекторами. Низкоэнергетический германиевый детектор обладает более низким уровнем шума и лучшим разрешением для низких и средних энергий, чем любая другая геометрия детектора.

Коаксиальный германиевый детектор. Типичный коаксиальный германиевый детектор обычно упоминается как чистый Ge, HPGe, особо чистый Ge. Независимо от названия, детектор обычно представляет из себя германиевый цилиндр с N-контактом на внешней поверхности и P-контактом на поверхности осевого колодца. Диапазон регистрируемых энергий коаксиальных Ge детекторов от 50 кэВ до 10 МэВ.

Детектор с обратным смещением (REGe). Электроды в детекторе с обратным смещением расположены в обратном порядке: P-электрод находится снаружи, N-электрод внутри. Существует два преимущества такого размещения электродов — толщина окна и стойкость к радиационному разрушению. Отклик детектора до 5 кэВ, обеспечивая детектору динамический диапазон 2000:1.

Германиевый детектор с расширенным энергетическим диапазоном (XtRa). Данный детектор фирмы Canberra — это коаксиальный детектор имеющий запатентованный тонко-оконный контакт на передней поверхности, который расширяет полезный энергетический диапазон до 5 кэВ.

Германиевый детектор колодезного типа. Детектор работает с максимальной эффективностью для небольших образцов, потому что образец практически окружен активным материалом детектора. Такие детекторы обычно выпускается с глухим, а не со сквозным отверстием, оставляя 5 мм активной толщины детектора внизу колодца. Геометрия измерения таким образом приближается к 4π.

Широкополосный германиевый детектор (BEGe). Широкополосный германиевый детектор (BEGe) в отличие от всех существующих детекторов перекрывает диапазон энергий от 3 кэВ до 3 МэВ. Разрешение в области малых энергий эквивалентно разрешению низкоэнергетического германиевого детектора (LEGe), а разрешение в области высоких энергий сравнимо с разрешением высококачественных коаксиальных детекторов.

Данные типы детекторов используются в различных спектрометрах, которые применяются на предприятиях атомной промышленности, атомных станциях, при контроле окружающей среды и ядерной безопасности, а так же в различных научных исследованиях.

В научных исследованиях чаще всего эти детекторы применяются для оценки уровней накопления радионуклидов в растениеводческой продукции и загрязнения радионуклидами почв, на отдельных участках для дальнейшей разработки специальных защитных мероприятий. Материалы радиологического исследования применяются для решения таких задач как:

  • ведение агрохимического и радиологического мониторинга почв;
  • разработка защитных мероприятий, обеспечивающих получение нормативно чистой продукции;
  • оценка прогнозируемых уровней накопления радионуклидов в продукции;
  • оценка возможности ввода земель отчуждения в хозяйственное пользование и вывода радиационноопасных, которые остались в пользовании.

Каждый из этих детекторов обладает преимуществом в зависимости от получения необходимой точности в том или ином энергетическом диапазоне. Но все эти детекторы объединяет то, что они используются для регистрации рентгеновского и гамма-излучения, которое оказывает негативное влияние на человека и окружающую среду.

Литература:

  1. http://www.canberra.ru/html/products/Gamma_High/detector_assemblies/detectors/detectors.htm – Дата доступа 07.09.2017
  2. http://www.cpce.net/index.php/ru/ – Дата доступа 11.09.2017
  3. http://td-str.ru/file.aspx?id=27254 – Дата доступа 12.09.2017
  4. Заглавное фото: http://www.advancetech.in/hpge-detector – Дата доступа 13.09.2017

© Евгений Алейников, младший научный сотрудник лаборатории моделирования и минимизации антропогенных рисков