Полупроводниковые детекторы для радиографического контроля

Радиографический метод контроля является одним из наиболее востребованных в отечественном производстве. Однако не все операторы и специалисты НК могут четко понимать процедуры и специфику данного метода. К примеру, недавно возник вопрос о типах и разнообразии детекторов, которые могут быть использованы при рентгене, поэтому команда Диагност ПБ решила подготовить и опубликовать серию статей про данный тип оборудования.

         Начнем с того, что такое детектор?

         Детектор ионизирующего излучения – чувствительный элемент средства измерений, предназначенный для преобразования энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии, удобный для регистрации и/или измерения характеристик излучения.

         Идеальный детектор обязан детектировать каждую поступающую на него ионизирующую частицу и давать точную информацию о ее положении, энергии и времени поступления.

         В нашем материале мы будем классифицировать детекторы по методам регистрации ионизирующих излучений:

         - ионизационные;

         - полупроводниковые;

         - сцинтилляционные.

         Ионизационные – детекторы, принцип действия которых основан на использовании ионизации в веществе чувствительного объема детектора.

         Полупроводниковые – ионизационные детекторы, в которых используют электрическое поле для собирания неравновесных носителей зарядов, образованных ионизирующим излучением в полупроводниковом материале чувствительного объема детектора. Бывают охлаждаемые и неохлаждаемые.

         Сцинтилляционные – радиолюминесцентные детекторы, в которых используют сцинтиллирующее устройство, испускающее кванты света под действием ионизирующего излучения.

         Рассказ мы начнем с полупроводниковых детекторов. Полупроводники под действием ионизирующего излучения меняют свои свойства и могут использоваться в качестве детекторов излучения. Основные материалы – германий, GaAs (арсенид галлия), SiC (карбид кремния), CdTe(теллурид кадмия).

Карбид кремния в чистом виде

         Полупроводниковые детекторы делятся на диффузионные детекторы с p-n переходом, поверхностно-барьерные и диффузионно-дрейфовые.

         Диффузионный детектор с p-n переходом получил название по методике изготовления. Пластину полупроводникового кристалла р-типа (бедного электронами), с осажденным на ее поверхности слоем примеси (фосфор) n-типа (богатой электронами), нагревают так, чтобы непосредственно под поверхностью образовался p-n переход, в котором происходит перераспределение электронов и возникновение разности потенциалов.

Схема диффузионного детектора

         При приложении к кристаллу внешнего напряжения такой полярности, чтобы она препятствовала естественному перемещению электронов и дырок, потенциальный барьер на переходе возрастает и возникает обедненная носителями заряда зона. Эта обедненная область является чувствительным объемом детектора и аналогична чувствительному объему газа в ионизационном детекторе.

Поверхностно-барьерный детектор. Принцип действия схож с диффузионным детектором. Переход возникает между напыленным тонким слоем металла (золото) и кремниевой заготовкой.

         В сравнении с диффузионным детектором дает лучшее разрешение по энергии, однако поверхностно-барьерный детектор не может детектировать частицы с высоким значением энергии в сравнении с диффузионным.

Дрейфовый детектор. Основа – германий и литий, чувствительная часть заштрихована. Основа работы – дрейф ионов лития в глубь кристалла при температуре 400 °С при подаче обратного напряжения в несколько сотен вольт.

         Полупроводниковые детекторы активно используются в системах цифровой радиографии. Относительно них разработаны системы калибровки, позволяющие практически полностью избавиться от шумов детекторов. Кроме того, использование полупроводниковых детекторов дает высокие чувствительность и контрастность изображения.