Spezielle Aspekte der Radiochemie, SS 2011
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Spezielle Aspekte der Radiochemie, SS 2011 Kernstrahlungsmessung 7.7.2011 Udo Gerstmann Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) Schematischer Aufbau einer Kernstrahlungsmesssystems Detektor Hochspannungsversorgung Vorverstärker Verstärker Einkanalanalysator Zähler Vielkanalanalysator Computer Oszilloskop Ladungssammelzeiten Allgemeine Eigenschaften eines Detektors zum Nachweis von Kernstrahlung Zeitabhängigkeit der Ladungssammlung der primär erzeugten Ladung Q Ein im Puls-Modus betriebener Detektor ist dafür ausgelegt, jedes einzelne Strahlungsquant zu registrieren. Puls-Modus Zeitkonstante τ = RC Die Pulshöhe ist proportional zu der erzeugten Ladung, und diese ist proportional zu der Energie der Strahlung. Pulshöhenverteilung Differentielle Pulshöhenverteilung Integrale Pulshöhenverteilung Hd = minimale Impulshöhe, die nachgewiesen werden kann Entscheidend: Beim Plateau ist die Empfindlichkeit der Impulsnachweiswahrscheinlichkeit gegenüber der Schwankung von Hd am geringsten! Energieauflösung Nachweiswahrscheinlichkeit Nachweiswahrscheinlichkeit Totale NWW = Anzahl der gemessenen Impulse ——————————————————— Anzahl der emittierten Quanten o. Teilchen Anzahl der gemessenen Impulse Intrinsische NWW = ——————————————————————————— Anzahl der in den Detektor eintretenden Quanten o Teilchen Peak-to-total Ratio = Anzahl der gemessenen Impulse im Full-Energy Peak ———————————————————————— Anzahl aller gemessenen Impulse ADC Totzeit Totzeit-Korrektur Bei kleinen Totzeiten liefern beide Modelle identische Resultate: Der ideale Detektor…. : • Durch jedes einfallende Teilchen/Photon sollte ein Puls erzeugt werden, der deutlich stärker als das elektronische Rauschen ist, • Die Pulszeit sollte möglichst kurz sein, damit mehrere aufeinanderfolgende Teilchen/Photonen unterschieden werden können, • Zwischen der Energie des Teilchens/Photons und der Impulshöhe sollte ein genau bekannter Zusammenhang bestehen, • Identische Teilchen sollten identische Pulse erzeugen, die Energieauflösung also möglichst gut sein Halbleiterdetektoren Mobilität von Ladungsträgern (in Germanium) Leitfähigkeit von Halbleitern Leitfähigkeit von Halbleitern • "Compensated Material" – gleiche Konzentration von n- und p-type Dotierung praktisch gleiche Eigenschaften wie reines Si oder Ge – während der Herstellung nicht exakt realisierbar Kompensation durch Li-Drifting • stark dotierte Halbleiter – Verwendung als Sperrschichten für Detektorkontaktierungen Ausgewählte Eigenschaften von Silizium und Germanium Si Ge 14 32 Atomgewicht 28,09 72,60 Dichte, 300 K, g cm-3 2,33 5,32 300 K 1,115 0,665 0K 1,165 0,746 1,5 . 1010 2,4 . 1013 300 K 1.350 3.900 77 K 21.000 36.000 300 K 480 1.900 77 K 11.000 42.000 300 K 3,62 77 K 3,76 Kernladungszahl verbotene Zone, eV Eigenladungsträgerdichte, 300 K, cm-3 Elektronen-Mobilität cm2 V-1 s-1 Löcher-Mobilität cm2 V-1 s-1 Energie pro Elektronen-Loch-Paar, eV 2,96 G. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 3. Ausgabe, 2000 Halbleitermaterialien für Gammadetektoren Material Z Betriebstemperatur verbotene Zone E pro ßLoch-Paar Dichte Mobilität eV eV g cm-3 cm2 V-1 s-1 Elektronen Löcher Si 14 RT 1,106 3,62 2,33 1350 480 Ge 32 77 K 0,67 2,96 5,32 36.000 42.000 CdTe 48,52 RT 1,47 4,43 6,06 1000 80 CdZnTe 48,30,52 RT 1,57 4,64 5,78 1000 50 - 80 HgI2 80, 53 RT 2,13 4,22 6,30 100 4 Leckstrom • Zur effektiven Trennung der Ladungsträger muss typischerweise eine Spannung von bis zu einigen Tausend Volt angelegt werden. • Alleine durch die Eigenleitfähigkeit wird dadurch ein Leckstrom erzeugt. • Beispiel: Hochreines Si (50.000 Ω cm-1), Dicke 1 mm R = 5000 Ω. Wenn U = 500 V I = 0,1 A. Zum Vergleich: Strom durch 105 strahlungserzeugte Ladungsträger ≈ 10-6 A. Leckstrom muss irgendwie um mehrere Größenordnungen reduziert werden. Reverse biased Junction • Anlegen einer externen Spannung, positive Elektrode beim nHalbleiter, negative Elektrode beim p-Halbleiter • Vergrößerung der aktiven Zone eines Detektors durch Anlegen einer positiven Spannung an der (negativen) n-Seite eines Detektors Diffusionsspannung ca. 0,4 V in Ge • Ausgangsmaterial: ptype Germanium • Auftragen einer nSchicht • Anlegen einer reversebias-Spannung Herstellung von HPGe-Kristallen
