Наилучшей разрешающей способностью среди современных детекторов радиационных излучений обладают полупроводниковые датчики. В полупроводниковых материалах основными носителями информации являются пары электрон-дырка, создаваемые вдоль траектории полета заряженной частицы через детектор. Заряженная частица может быть либо первичным излучением, либо вторичной частицей. Пары электрон-дырка в некотором отношении являются аналогами ионных пар в газовых детекторах. Когда к полупроводниковому материалу приложено электрическое поле, созданные носители зарядов начинают перемещаться в определенных направлениях, что означает возникновение электрического тока. Датчики, построенные на этом принципе, называются твердотельными или полупроводниковыми диодными детекторами. Принцип действия таких детекторов аналогичен принципу полупроводниковых детекторов светового излучения. Он базируется на перемещении электронов с одного энергетического уровня на другой при получении или потере энергии (см. раздел 14.1 главы 14).
При прохождении заряженной частицы сквозь полупроводник по пути ее следования возникает много пар электрон-дырка (см. рис. 14.1 главы 14). Процесс образования пар может быть как прямым, так и косвенным, при котором частица участвует в формировании электронов высоких энергий, постепенно теряющих свою энергию на создание новых пар электрон-дырка. Интересно отметить, что вне зависимости от механизма формирования пар электрон-дырка на создание одной пары первичная заряженная частица затрачивает одинаковую среднюю энергию, которую часто по аналогии с газоразрядными детекторами называют «энергией ионизации». Основное достоинство полупроводниковых детекторов заключается в очень малой величине этой энергии. Ее значение для кремния и германия составляет порядка 3 эВ, тогда как в газовых детекторах энергия, необходимая для создания ионной пары, равна 30 эВ.
Поэтому при одной и той же мощности исходного излучения в полупроводниковых детекторах возникнет в 10 раз большее количество носителей зарядов.
Для получения твердотельного детектора в полупроводниковом материале необходимо сформировать, по крайней мере, два электрода. В процессе детектирования выводы этих электродов подсоединяются к источнику напряжения, обеспечивающего протекание в цепи электрического тока. Однако на практике материалы из чистого кремния или германия не используются, что связано с довольно большими токами утечек, вызванных относительно низким удельным сопротивлением этих полупроводников (например, для кремния оно составляет около 50 кОм-см). При приложении к электродам такого детектора внешнего напряжения, в цепи может возникнуть ток, в 3...5 раз превышающий величину тока, индуцированного излучением. Поэтому детекторы этого типа реализуются на основе р-n переходов с обратным смещением, что позволяет значительно снизить токи утечек. Фактически, детектор является полупроводниковым диодом, проводящим ток (имеющим низкое удельное сопротивление) при подключении анода (р-зоны перехода) к положительному выводу источника питания, а катода (п-зоны) - к отрицательному выводу. При обратном подключении ток через диод практически не течет (т.е. он обладает высоким удельным сопротивлением). При сильном обратном смещении диода (значительно превышающем допуски производителя) происходит его пробой, что приводит к резкому увеличению тока утечки; это вызывает катастрофическое ухудшение рабочих характеристик детектора или даже выход его из строя.
В настоящее время выпускаются кремниевые диоды нескольких конфигураций: диоды с диффузионным переходом, диоды с поверхностным запирающим слоем, ионно-имплантированные детекторы, детекторы с эпитаксиальным слоем и др. Первые два указанных типа детекторов широко применяются при детектировании «-частиц и других слабопроникающих излучений. Хорошие полупроводниковые детекторы радиоактивных излучений должны обеспечивать:
1. отличную передачу заряда
2. линейность между мощностью излучения и количеством пар электрон-дырка
3. отсутствие свободных носителей зарядов (низкий ток утечки)
4. генерацию максимального числа пар электро-дырка на единицу излучения
5. высокую эффективность детектирования
6. хорошее быстродействие
7. большую зону сбора зарядов
8. низкую стоимость
Во время эксплуатации полупроводниковых детекторов необходимо учитывать следующие их особенности: наличие зоны нечувствительности и возможность радиационного повреждения устройства. При попадании в детектор тяжелые заряженные частицы или другие слабопроникающие излучения могут потерять значительную часть своей энергии еще до того, как они достигнут чувствительной зоны датчика. Энергия теряется на металлическом электроде, а также в довольно толстом слое кремния, расположенном непосредственно под электродом. Самый простой и распространенный способ борь-
бы с этим явлением заключается в изменении угла попадания излучения в детектор [2]. Когда направление излучения перпендикулярно поверхности детектора (угол падения равен нулю), потери мощности в мертвой зоне определяются выражением:
(15.4)
где t — толщина мертвой зоны. Если угол попадания излучения в детектор станет равным в, выражение, описывающее потери энергии, примет вид:
(15.5)
Уравнение для нахождения разности между измерениями, полученными при разных углах попадания излучения в детектор имеет вид:
(15.6)
Из этого выражения видно, что меняя угол 0 во время проведения серии измерений, можно получить зависимость Е' от (1/cos q)-l в виде прямой линии с наклоном, равным DЕ0. Используя табличные данные для dE0/dx, по уравнению (15.4) можно определить толщину мертвой зоны.
Любое превышение эксплуатационных режимов может привести к разрушению решетки кристаллической структуры из-за явлений пробоя, связанных с прохождением через кристалл измеряемых излучений. Такие повреждения сравнительно редко встречаются при работе с легкими ионизирующими излучениями (b-частицы и g-лучи), однако при исследовании тяжелых частиц они могут стать серьезной проблемой. Например, длительное воздействие на детектор компонентов ядерного синтеза приводет к значительном росту тока утечки, а, следовательно, и сильному ухудшению разрешающей способности датчика. При серьезных радиационных повреждениях в спектре исследуемых моноэнергетических частиц могут появиться дополнительные пики.
Как отмечалось ранее, диоды с диффузионным переходом и диоды с поверхностным запирающим слоем не подходят для детектирования проникающего излучения. Причина этого заключается в узкой активной зоне таких детекторов, которая редко превышает 2...3 мм, что недостаточно для проведения, например, у-лучевой спектроскопии. Для работы с проникающими видами излучений необходимо применять полупроводниковые детекторы с дрейфующими ионами. В таких детекторах формируется дополнительный толстый слой со сбалансированным количеством примесей, добавляющих полупроводниковому материалу свойства того или иного типа проводимости (р или п). Цель легирования — получение полупроводника, которому не присущи свойства никакого типа проводимости. Однако на практике идеальный р-n баланс достичь никогда не удается. Проводимость материалов из чистого кремния
(А)
(Б)
Рис. 15.6.Детектор с PIN переходом: А — структура детектора, Б — коаксиальная конфигурация детектора
и германия чаще бывает р-типа. Поэтому для получения сбалансированного материала в него необходимо ввести атомы доноров. В качестве донора чаще всего используется литий, атомы которого методом диффузии вводятся в кристалл р-типа. При этом количество введенных атомов лития намного превышает число исходных акцепторов, что соответствует созданию рядом с чувствительной поверхностью зоны проводимости n-типа. После этого температура повышается и на переход подается напряжение обратного смещения. Это приводит к тому, что литий начинает медленно дрейфовать в сторону зоны р-проводимости. Таким образом достигается нейтрализация исходной проводимости кристалла. Этот процесс может длиться в течение нескольких недель. Для последующего поддержания полученного баланса детектор должен храниться при низкой температуре, например, для германия эта температура равна 77 К. Поскольку кремний обладает очень низкой подвижностью ионов, детекторы, реализованные на его основе, могут храниться и работать при комнатной температуре. Однако атомный номер кремния (14) намного ниже атомного номера германия (32), что означает его более низкую эффективность при детектировании у-лучей, поэтому кремниевые детекторы редко используются в у-спектроскопии.
На рис. 15.6А показана упрощенная схема детектора, реализованного на основе полупроводникового материала, легированного литием. Он состоит из трех зон, кристалл с «нейтральной» проводимостью расположен посередине. Для увеличения рабочего объема детектор иногда изготавливают в форме цилиндра (рис. 15.6Б). Таким образом были реализованы Ge(Li) детекторы с рабочим объемом до 150 см3.
Несмотря на популярность кремниевых и германиевых детекторов, они являются далеко неидеальными с определенных точек зрения. Например, для снижения токов утечек германиевые детекторы должны работать при криогенных температурах; а кремниевые детекторы, в свою очередь, не эффективны при обнаружении у-излучений. Существуют и другие полупроводниковые материалы, которые могут использоваться для детектирования радиоактивных излучений при комнатной температуре. Среди них: CdTe, HgI2, GaAs, Bi2S3 и GaSe. Характеристики некоторых полупроводниковых материалов приведены в таблице 15.2
Самым популярным полупроводником для изготовления детекторов радиоактивных излучений в настоящее время является теллурид кадмия. Он обладает довольно высоким атомным номером (48 и 52), а также относительно большой шириной зоны запрещенных энергий (1.47 эВ), поэтому детекторы на его основе могут работать при комнатной температуре. Современная технология позволяет
выращивать кристаллы CdTe очень высокой чистоты, из которых изготавливаются детекторы с PIN переходом. Для компенсации излишка акцепторов здесь также может использоваться метод введения сбалансированных примесей; в данном случае роль донора выполняет хлор. Выпускаемые в настоящее время CdTe детекторы имеют диаметр 1...50 мм и работают при температурах до 50°С без значительного увеличения шума. Существуют два типа CdTe детекторов: с легированием хлором и без него. Второй тип имеет высокое объемное удельное сопротивление (до 1010Ом-см), однако его разрешающая способность невелика. Разрешение детекторов с легированием гораздо выше, но их удельное сопротивление, к сожалению, ниже (108 Ом-см), что ведет к увеличению тока утечки. К тому же они склоны к поляризации, что может существенно ухудшить их рабочие характеристики.
Таблица 15.2.
Энергетические
свойства некоторых полупроводниковых материалов
Материал (рабочая температура в К)
Z
Ширина зоны
запрещенных
энергий, эВ
Энергия на создание
одной пары
электрон-дырка, эВ
Si(300)
1 12
Ge(77)
0 74
2 98
CdTe(300)
48-52
1 47
4 43
Hgl2(300)
80-53
2 13
GaAs(300)
31-33
1 43
В твердотельных детекторах также возможно добиться эффекта фотоумножения, как в газовых датчиках. Аналог пропорционального счетчика, называемый лавинным детектором, применяется для мониторинга излучений низких энергий. Коэффициент усиления таких детекторов обычно лежит в диапазоне нескольких сотен. Для получения такого усилительного эффекта внутри полупроводникового материала создается сильное электрическое поле. На основе детекторов ридиактивных излучений также возможно построение позиционно-чувствитель-ных датчиков, принцип действия которых аналогичен преобразователям, работающим в ближнем ИК диапазоне спектра, описанным в разделе 7.5.6 главы 7.
Литература
1 Evans, RD The Atomic Nucleus McGraw-Hill, New York, 1955
2 Knoll, G F Radiation Detection and Measurement 3rd ed , John Wiley & Sons, New York, 1999
ГЛАВА 16
ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ
Когда ученый думает над проблемой, он задает вопрос,—«Почему?» Когда инженер решает задачу, он спрашивает, —«А почему нет ?»
В доисторические времена тепло было для людей основой их жизни, поэтому даже тогда они пытались оценить его интенсивность, измеряя температуру. Возможно самым простым и самым распространенным способом определения температуры является измерение теплового расширения различных веществ. На этом принципе реализованы все жидкостные стеклянные термометры. В электрических преобразователях применяются несколько другие принципы детектирования. В настоящее время широко распространенны следующие датчики температуры: рези-стивные, термоэлектрические, полупроводниковые, оптические и пьезоэлектрические детекторы.
Измерение температуры всегда заключается в передаче небольшой порции тепловой энергии от объекта к датчику, который должен преобразовать эту энергию в электрический сигнал. Когда контактный детектор (зонд) помещается внутрь объекта или на него, между объектом и зондом происходит передача тепла за счет теплопроводности. При этом чувствительный элемент, входящий в состав зонда, либо разогревается, либо охлаждается. То же самое происходит и при передаче тепла при помощи излучения: тепловая энергия в виде ИК излучения либо поглощается датчиком, либо выделяется им в зависимости от температуры объекта и типа оптической связи. Любой датчик, независимо от его размеров, вносит возмущение в зону измерения, что приводит к возникновению ошибок при определении температуры. Это касается любых способов детектирования: и радиационных, и конвективных и теплопроводных. Таким образом, разработчик должен всегда стремиться минимизировать погрешность измерений, применяя соответствующие конструкции датчиков и методы компенсации погрешностей.
Существует два основных метода измерения температуры: равновесный и прогнозируемый. В равновесном методе измерение температуры проводится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом, находящимся в зонде, наступает тепловое равновесие, т.е. между датчиком и объектом измерения нет существенной разности температур. В методе прогнозирования в процессе
проведения измерений тепловое равновесие не наступает, а значение текущей температуры определяется по скорости изменения температуры датчика. С момента размещения чувствительного элемента на объекте до наступления теплового равновесия между объектом и датчиком может пройти довольно много времени, особенно, если контактные площадки сухие. Например, медицинский электронный термометр определяет температуру в ванне с водой за 10 секунд, в то время как для измерения подмышечной температуры требуется, по крайней мере, 3...5 минут.
Рассмотрим источники возможных ошибок при измерении температуры контактным способом. Одна из причин возникновения ошибок заключается в том, что датчик, как правило, соединяется не только с объектом, температуру которого он измеряет, но и с другими предметами. Другая причина кроется в использовании соединительных кабелей (рис. 16.1А). Чувствительный элемент, подсоединяемый к объекту с температурой ТB, обладает своей собственной температурой Ts. Для проведения точных измерений необходимо достичь состояния теплового равновесия, при котором эти две температуры станут практически равными. Один конец кабеля соединяется с зондом, а другой конец подвергается действию температуры окружающей среды Т0, которая может значительно отличаться от температуры объекта. Таким образом, соединительный кабель не только передает электрический сигнал датчика, но и часть тепла от элемента или к нему. На рис. 16.2Б показана тепловая схема, включающая в себя объект, датчик, окружающую среду и тепловые сопротивления r1 и r2которые отображают способность вещества проводить тепловую энергию и определяются как величины, обратные коэффициентам теплопроводности, т.е. r=1/а. Если объект теплее окружающей среды, тепловой поток будет направлен туда, куда указывает стрелка.
(Б)
(А)
Рис. 16.1. Датчик температуры имеет тепловые контакты как с объектом, так и с соединительным кабелем (А), эквивалентная тепловая схема (Б)
Схема на рис. 16.1Б напоминает электрическую схему, и для расчета ее параметров также применяются законы электрических цепей, такие как законы Кирхгофа и Ома (Интересно отметить, что закон Кирхгофа был первоначально выведен не для электрической цепи, а для водопровода). Теплоемкость вещества, по аналогии с электрическими цепями, отображается в виде конденсатора. Считая, что все температуры уже вышли на определенный стационарный уровень, к этой системе можно применить закон сохранения энергии, из которого следует, что тепловая энергия, переданная объектом датчику, должна быть равна энергии,
отданной датчиком в окружающую среду. Исходя из этого, можно записать следующее уравнение:
(16.1)
Из которого можно вывести выражение для температуры датчика:
(16.2)
где DT — разность температур между объектом и окружающей средой. Подробнее рассмотрим уравнение (16.2). Анализируя его, можно сделать несколько заключений. Во-первых, температура датчика всегда отличается от температуры объекта. Исключение составляет случай, когда температуры окружающей среды и объекта равны (т.е. DT=TB—T0=0). Во-вторых, при любом DT температура датчика будет приближаться к температуре объекта только в том случае, когда отношение r1/r2стремится к нулю. Это означает, что для снижения погрешности измерения необходимо улучшать тепловую связь между объектом и датчиком и, по возможности, отделять датчик от окружающей среды, что часто очень нелегко выполнить.
Все вышесказанное справедливо для стационарных условий. Теперь рассмотрим динамический процесс, когда температура меняется во времени. Такая ситуация происходит при изменении температуры окружающей среды или объекта, а также в момент присоединения датчика к объекту, когда его температура еще не успела стабилизироваться. При контакте чувствительного элемента с объектом между ними происходит теплообмен. Количество переданного при этом тепла определяется разностью температур элемента (Ts) и объекта (TB):
(16.3)
где а=1/r1 — теплопроводность в зоне контакта датчика и объекта. Если удельная теплоемкость датчика равна с, а масса — т, количество поглощенного им тепла можно найти из выражения:
(16.4)
Без учета тепловых потерь датчика в окружающую среду через соединительный кабель и вспомогательные структуры, т.е. предполагая, что r2=∞, на основе уравнений (16.3) и (16.4) можно получить следующее дифференциальное уравнение первого порядка:
(16.5)
Определим тепловую постоянную времени как:
(16.6)
тогда дифференциальное уравнение (16.5) примет вид:
(16.7)
Решение этого уравнения можно записать как:
(16.8)
где предполагается, что первоначально датчик находится при температуре Тв. На рис. 16.2А показан переходный процесс установления температуры датчика, соответствующий уравнению (16.8). Постоянная времени tT определяется временем, за которое температура T достигает уровня, равного 63.2% от первоначальной разности температур DT0, Чем меньше постоянная времени, тем быстрее датчик набирает требуемую температуру.
Рис. 16.2. Переходные характеристики чувствительного элемента: А — идеальная связь датчика с объектом (нет тепловых потерь), Б — чувствительный элемент отдает часть своего тепла в окружающую среду
Из уравнения (16.8) следует, что при t ® ¥, температура датчика становиться равной температуре объекта: Т=Т1 . Теоретически, для достижения полного теплового равновесия между объектом и датчиком требуется бесконечно большое время. Но поскольку обычно требуется проводить измерения с заданной точностью, в большинстве случаев считают, что через интервал времени, равный 5...10 постоянным времени, наступает квазиравновесное состояние. Например, в момент времени t=5t, температура датчика будет составлять 0.7% от DT0, а при t=10t, разница между температурами уже равна 0.005%.
Теперь рассмотрим ситуацию, при которой датчик теряет часть тепла в окружающую среду, т.е. r2¹¥. В этом случае тепловая постоянная времени определяется как:
(16.9)
Переходный процесс выхода температуры на режим показан на рис. 16.8Б. Отметим, что в данном случае температура датчика никогда не станет равной температуре объекта, сколько бы времени не прошло.
Типовой контактный датчик температуры состоит из следующих компонентов (рис. 16.ЗА):
1. Чувствительного элемента: материала, реагирующего на изменение его собственной температуры. Хороший элемент обладает низкой удельной теплоемкостью, малой массой, большой теплопроводностью, высокой и прогнозируемой чувствительностью
2. Контактов: проводящих пластинок или проводов, связывающих чувстви тельный элемент с внешней электронной схемой. Контакты должны об ладать минимально возможными теплопроводностью и электрическим со противлением. Также они часто выполняют роль опорной конструкции.
3. Защитного корпуса: специальной оболочки или покрытия, физически раз деляющего чувствительный элемент от окружающей среды. Хороший кор пус имеет низкое тепловое сопротивление (высокую теплопроводность) и хорошие диэлектрические свойства. Он должен быть влагонепроницае мым, чтобы вода и другие факторы окружающей среды не могли сказаться на работе чувствительного элемента.
Рис. 16.3.Основные структуры датчиков температуры: А — контактный датчик, Б — бесконтактный датчик (детектор теплового излучения)
(А)
(Б)
На рис. 16.3Б показан бесконтактный датчик температуры, представляющий собой оптический детектор теплового излучения, подробно описанный в главе 14. В его состав также входит чувствительный элемент, реагирующий на изменение собственной температуры. Основное отличие контактных и бесконтактных датчиков заключается в способе передачи тепла от объекта к элементу: в контактных датчиках задействован механизм теплопроводности через физический контакт, в бесконтактных тепло передается через излучение или оптическим методом.
Для улучшения быстродействия датчиков тепловых излучений толщину чувствительного элемента делают минимальной, в то время как для повышения чувствительности увеличивают его площадь поверхности. В дополнение к чувствительному элементу в состав бесконтактного теплового датчика может входить оптическое окошко и встроенная интерфейсная схема. Внутренняя часть корпуса датчика обычно заполняется сухим воздухом или азотом.
Все датчики температуры можно разделить на два класса: абсолютные и относительные детекторы. Абсолютные датчики измеряют температуру относительно либо абсолютного нуля, либо любой другой точки на температурной шкале, например, относительно 0°С (273.15°К), 25°С и т.д. Примерами абсолютных датчиков являются термисторы и резистивные детекторы температуры (РДТ). Относительные датчики измеряют разность температур двух объектов,
один из которых называется эталонным. Типичным представителем относительных датчиков является термопара.