Strahlendosimetrie

Cäsiumiodid (CsI) in kristalliner Form wird als Szintillator zum Nachweis von Protonen und Alpha-Partikeln verwendet . Pure CsI ist ein schnelles und dichtes szintillierendes Material mit relativ geringer Lichtausbeute, das mit dem Abkühlen erheblich ansteigt. Die Nachteile von CsI sind ein hoher Temperaturgradient und eine leichte Hygroskopizität.

Mit Thallium dotiertes Cäsiumiodid hat eine effektive Ordnungszahl von 54 und eine Dichte von 4,51 g / cm ³ . CsI ​​(TI) ist auch hygroskopisch und sollte keiner hohen Luftfeuchtigkeit oder Wasser ausgesetzt werden. CsI ​​(TI) hat unterschiedliche Zerfallszeiten für verschiedene Partikel (680 ns und 3340 ns) und kann zur Bestimmung zwischen verschiedenen Arten von Strahlung verwendet werden. Das Emissionsspektrum hat einen Peak bei 540-560 nm.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen eingesetzt werden . Für diese Zwecke werden verschiedene Szintillatoren verwendet:

• Alpha-Teilchen und schwere Ionen . Szintillationszähler eignen sich aufgrund der sehr hohen Ionisationskraft von Schwerionen in der Regel nicht zum Nachweis von Schwerionen. Bei gleichen Energien erzeugt ein Proton 1/4 bis 1/2 des Lichts eines Elektrons, während Alphateilchen nur etwa 1/10 des Lichts erzeugen. Bei Bedarf sollten anorganische Kristalle, z. B. CsI (Tl), ZnS (Ag) (typischerweise in dünnen Schichten als α-Partikelmonitore verwendet) organischen Materialien vorgezogen werden. Pure CsI ist ein schnelles und dichtes szintillierendes Material mit relativ geringer Lichtausbeute, das mit dem Abkühlen erheblich ansteigt. Die Nachteile von CsI sind ein hoher Temperaturgradient und eine leichte Hygroskopizität.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Thallium-dotierte Natriumiodid-NaI (Tl) -Szintillatoren

Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist NaI (Tl) (mit Thallium dotiertes Natriumiodid) . NaI (Tl) als Szintillator wird in Szintillationsdetektoren verwendet, traditionell in der Nuklearmedizin, Geophysik, Kernphysik und Umweltmessungen. Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es ein hohes Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren zeichnen sich durch eine hohe Dichte, eine hohe Atomzahl und Impulsabklingzeiten von etwa 1 Mikrosekunde (~ 10 ^-6 s) aus. Die Wellenlänge der maximalen Emission beträgt 415 nm. Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und können mit hohen Zählraten umgehen. Anorganische Kristalle können in kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden, um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Diese Funktion wird in der medizinischen Bildgebung häufig zur Erkennung von Röntgen- oder Gammastrahlen eingesetzt. Anorganische Szintillatoren können Gammastrahlen und Röntgenstrahlen besser nachweisen. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergeben. Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre Hygroskopizität, eine Eigenschaft, bei der sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden müssen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen. Die Kristalle sind gewöhnlich mit einer Photovervielfacherröhre in einer hermetisch abgedichteten Anordnung gekoppelt.

Halbleiter sind im Allgemeinen anorganische oder organische Materialien, deren Leitfähigkeit von der chemischen Struktur, der Temperatur, der Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen abhängt. Der Name Halbleiter kommt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall wie Kupfer, Gold usw. und einem Isolator wie Glas aufweisen. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt. Um zu verstehen, was Halbleiter ist, müssen wir diese Begriffe definieren.

Eigenschaften von Halbleitern

Um den Unterschied zwischen Metallen , Halbleitern und elektrischen Isolatoren zu verstehen , müssen wir die folgenden Begriffe aus der Festkörperphysik definieren:

• Valenzband . In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die dem Fermi-Niveau am nächsten liegenden Bänder und bestimmen so die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers. In elektrischen Isolatoren und Halbleitern ist das Valenzband der höchste Bereich von Elektronenenergien, in dem Elektronen normalerweise bei absoluter Nulltemperatur vorhanden sind. Zum Beispiel hat ein Siliziumatom vierzehn Elektronen. Im Grundzustand sind sie in der Elektronenkonfiguration [Ne] 3s ² 3p ^{2 angeordnet} . Von diesen sind vier Valenzelektronen, besetzt das 3s-Orbital und zwei der 3p-Orbitale. Die Unterscheidung zwischen den Valenz- und Leitungsbändern ist bei Metallen bedeutungslos, da die Leitung in einem oder mehreren teilweise gefüllten Bändern stattfindet, die die Eigenschaften sowohl der Valenz- als auch der Leitungsbänder annehmen.
• Leitungsband . In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die dem Fermi-Niveau am nächsten liegenden Bänder und bestimmen so die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers. In elektrischen Isolatoren und Halbleitern ist das Leitungsband der niedrigste Bereich von leeren elektronischen Zuständen . In einem Diagramm der elektronischen Bandstruktur eines Materials befindet sich das Valenzband unterhalb des Fermi-Niveaus, während sich das Leitungsband darüber befindet. In Halbleitern können Elektronen das Leitungsband erreichen, wenn sie beispielsweise durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen eine Energie erhalten, die höher als die E- _{Lücke ist)}). Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (E _gap  = 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben. Die Unterscheidung zwischen den Valenz- und Leitungsbändern ist bei Metallen bedeutungslos, da die Leitung in einem oder mehreren teilweise gefüllten Bändern stattfindet, die die Eigenschaften sowohl der Valenz- als auch der Leitungsbänder annehmen.
• Band Gap . In der Festkörperphysik ist die Energielücke oder die Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Bandlücken sind natürlich für verschiedene Materialien unterschiedlich. Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (E _gap  = 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben.
• Fermi-Level . Der Begriff „Ferminiveau“ stammt aus der Fermi-Dirac-Statistik , die eine Verteilung von Partikeln über Energiezustände in Systemen beschreibt, die aus Fermionen (Elektronen) bestehen, die dem Pauli-Ausschlussprinzip folgen . Da sie nicht in identischen Energiezuständen existieren können, bezeichnet der Begriff Fermi-Pegel die Spitze der Sammlung von Elektronenenergieniveaus bei absoluter Nulltemperatur . Die Fermi-Ebene ist die Oberfläche des Fermi-Meeresam absoluten Nullpunkt, wo keine Elektronen genug Energie haben, um über die Oberfläche zu steigen. Bei Metallen liegt das Fermi-Niveau im hypothetischen Leitungsband, das freie Leitungselektronen erzeugt. Bei Halbleitern liegt die Position des Fermi-Pegels innerhalb der Bandlücke, ungefähr in der Mitte der Bandlücke.
• Elektronen-Loch-Paar . Freie Ladungsträger im Halbleiter sind Elektronen und Elektronenlöcher (Elektron-Loch-Paare). Elektronen und Löcher entstehen durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband. Ein Elektronenloch (oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom existieren könnteoder Atomgitter. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Da in einem normalen Atom- oder Kristallgitter die negative Ladung der Elektronen durch die positive Ladung der Atomkerne ausgeglichen wird, verbleibt beim Fehlen eines Elektrons eine positive Nettoladung am Ort des Lochs. Positiv geladene Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Wenn ein Elektron auf ein Loch trifft, rekombinieren sie und diese freien Ladungsträger verschwinden effektiv. Die Rekombination bedeutet, dass ein Elektron, das vom Valenzband zum Leitungsband angeregt wurde, in den leeren Zustand im Valenzband zurückfällt, der als Löcher bekannt ist.

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann im Sinne der Bandentheorie von Festkörpern modelliert werden . Das Bandmodell eines Halbleiters legt nahe, dass es bei normalen Temperaturen eine begrenzte Möglichkeit gibt, dass Elektronen das Leitungsband erreichen und zur elektrischen Leitung beitragen können. Im Halbleiter werden durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband freie Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt. Diese Anregung hinterließ ein Loch im Valenzband, das sich als positive Ladung verhält, und es entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Löcher können manchmal verwirrend sein, da sie nicht wie Elektronen physikalische Teilchen sind, sondern das Fehlen eines Elektrons in einem Atom. Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen.

Um den Unterschied zwischen Metallen , Halbleitern und elektrischen Isolatoren zu verstehen , müssen wir die folgenden Begriffe aus der Festkörperphysik definieren:

Valenzband

In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die dem Fermi-Niveau am nächsten liegenden Bänder und bestimmen so die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers. In elektrischen Isolatoren und Halbleitern ist das Valenzband der höchste Bereich von Elektronenenergien, in dem Elektronen normalerweise bei absoluter Nulltemperatur vorhanden sind. Zum Beispiel hat ein Siliziumatom vierzehn Elektronen. Im Grundzustand sind sie in der Elektronenkonfiguration [Ne] 3s ² 3p ^{2 angeordnet} . Von diesen sind vier Valenzelektronen, besetzt das 3s-Orbital und zwei der 3p-Orbitale. Die Unterscheidung zwischen Valenz- und Leitungsband ist bei Metallen bedeutungslos, da die Leitung in einem oder mehreren teilweise gefüllten Bändern erfolgt, die die Eigenschaften sowohl der Valenz- als auch der Leitungsbänder annehmen.

Leitungsband

In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die dem Fermi-Niveau am nächsten liegenden Bänder und bestimmen so die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers. In elektrischen Isolatoren und Halbleitern ist das Leitungsband der niedrigste Bereich von leeren elektronischen Zuständen . In einem Diagramm der elektronischen Bandstruktur eines Materials befindet sich das Valenzband unterhalb des Fermi-Niveaus, während sich das Leitungsband darüber befindet. In Halbleitern können Elektronen das Leitungsband erreichen, wenn sie beispielsweise durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen eine Energie erhalten, die höher als die E- _{Lücke ist)}). Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (E _gap  = 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben. Die Unterscheidung zwischen den Valenz- und Leitungsbändern ist bei Metallen bedeutungslos, da die Leitung in einem oder mehreren teilweise gefüllten Bändern stattfindet, die die Eigenschaften sowohl der Valenz- als auch der Leitungsbänder annehmen.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Halbleiter sind im Allgemeinen anorganische oder organische Materialien, deren Leitfähigkeit von der chemischen Struktur, der Temperatur, der Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen abhängt. Der Name Halbleiter kommt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall wie Kupfer, Gold usw. und einem Isolator wie Glas aufweisen. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt. Um zu verstehen, was Halbleiter ist, müssen wir diese Begriffe definieren.

Eigenschaften von Halbleitern

Um den Unterschied zwischen Metallen , Halbleitern und elektrischen Isolatoren zu verstehen , müssen wir die folgenden Begriffe aus der Festkörperphysik definieren:

• Valenzband . In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die dem Fermi-Niveau am nächsten liegenden Bänder und bestimmen so die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers. In elektrischen Isolatoren und Halbleitern ist das Valenzband der höchste Bereich von Elektronenenergien, in dem Elektronen normalerweise bei absoluter Nulltemperatur vorhanden sind. Zum Beispiel hat ein Siliziumatom vierzehn Elektronen. Im Grundzustand sind sie in der Elektronenkonfiguration [Ne] 3s ² 3p ^{2 angeordnet} . Von diesen sind vier Valenzelektronen, besetzt das 3s-Orbital und zwei der 3p-Orbitale. Die Unterscheidung zwischen den Valenz- und Leitungsbändern ist bei Metallen bedeutungslos, da die Leitung in einem oder mehreren teilweise gefüllten Bändern stattfindet, die die Eigenschaften sowohl der Valenz- als auch der Leitungsbänder annehmen.
• Leitungsband . In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die dem Fermi-Niveau am nächsten liegenden Bänder und bestimmen so die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers. In elektrischen Isolatoren und Halbleitern ist das Leitungsband der niedrigste Bereich von leeren elektronischen Zuständen . In einem Diagramm der elektronischen Bandstruktur eines Materials befindet sich das Valenzband unterhalb des Fermi-Niveaus, während sich das Leitungsband darüber befindet. In Halbleitern können Elektronen das Leitungsband erreichen, wenn sie beispielsweise durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen eine Energie erhalten, die höher als die E- _{Lücke ist)}). Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (E _gap  = 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben. Die Unterscheidung zwischen den Valenz- und Leitungsbändern ist bei Metallen bedeutungslos, da die Leitung in einem oder mehreren teilweise gefüllten Bändern stattfindet, die die Eigenschaften sowohl der Valenz- als auch der Leitungsbänder annehmen.
• Band Gap . In der Festkörperphysik ist die Energielücke oder die Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Bandlücken sind natürlich für verschiedene Materialien unterschiedlich. Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (E _gap  = 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben.
• Fermi-Level . Der Begriff „Ferminiveau“ stammt aus der Fermi-Dirac-Statistik , die eine Verteilung von Partikeln über Energiezustände in Systemen beschreibt, die aus Fermionen (Elektronen) bestehen, die dem Pauli-Ausschlussprinzip folgen . Da sie nicht in identischen Energiezuständen existieren können, bezeichnet der Begriff Fermi-Pegel die Spitze der Sammlung von Elektronenenergieniveaus bei absoluter Nulltemperatur . Die Fermi-Ebene ist die Oberfläche des Fermi-Meeresam absoluten Nullpunkt, wo keine Elektronen genug Energie haben, um über die Oberfläche zu steigen. Bei Metallen liegt das Fermi-Niveau im hypothetischen Leitungsband, das freie Leitungselektronen erzeugt. Bei Halbleitern liegt die Position des Fermi-Pegels innerhalb der Bandlücke, ungefähr in der Mitte der Bandlücke.
• Elektronen-Loch-Paar . Freie Ladungsträger im Halbleiter sind Elektronen und Elektronenlöcher (Elektron-Loch-Paare). Elektronen und Löcher entstehen durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband. Ein Elektronenloch (oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom existieren könnteoder Atomgitter. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Da in einem normalen Atom- oder Kristallgitter die negative Ladung der Elektronen durch die positive Ladung der Atomkerne ausgeglichen wird, verbleibt beim Fehlen eines Elektrons eine positive Nettoladung am Ort des Lochs. Positiv geladene Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Wenn ein Elektron auf ein Loch trifft, rekombinieren sie und diese freien Ladungsträger verschwinden effektiv. Die Rekombination bedeutet, dass ein Elektron, das vom Valenzband zum Leitungsband angeregt wurde, in den leeren Zustand im Valenzband zurückfällt, der als Löcher bekannt ist.

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann im Sinne der Bandentheorie von Festkörpern modelliert werden . Das Bandmodell eines Halbleiters legt nahe, dass es bei normalen Temperaturen eine begrenzte Möglichkeit gibt, dass Elektronen das Leitungsband erreichen und zur elektrischen Leitung beitragen können. Im Halbleiter werden durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband freie Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt. Diese Anregung hinterließ ein Loch im Valenzband, das sich als positive Ladung verhält, und es entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Löcher können manchmal verwirrend sein, da sie nicht wie Elektronen physikalische Teilchen sind, sondern das Fehlen eines Elektrons in einem Atom. Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen.

Elektronenanregung in Halbleitern

Energie für die Anregung kann auf verschiedene Arten erhalten werden.

Thermische Anregung

Elektronen-Loch-Paare werden auch ohne externe Energiequelle ständig aus Wärmeenergie erzeugt. Die thermische Anregung erfordert keine andere Form des Startimpulses. Dieses Phänomen tritt auch bei Raumtemperatur auf. Es wird durch Verunreinigungen, Unregelmäßigkeiten im Strukturgitter oder durch Dotierstoffe verursacht. Es hängt stark von der E- _{Lücke ab} (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband), so dass für eine geringere E- _Lückeeine Anzahl von thermisch angeregten Ladungsträgern nimmt zu. Da thermische Anregung zu Detektorrauschen führt, ist für einige Halbleitertypen (z. B. Germanium) eine aktive Kühlung erforderlich. Detektoren auf Siliziumbasis weisen selbst bei Raumtemperatur ein ausreichend geringes Rauschen auf. Dies wird durch die große Bandlücke von Silizium (Egap = 1,12 eV) verursacht, die es uns ermöglicht, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben. Kühlung wird jedoch bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren.

Optische Anregung

Es ist zu beachten, dass die Energie eines einzelnen Photons des sichtbaren Lichtspektrums mit diesen Bandlücken vergleichbar ist. Photonen mit Wellenlängen von 700 nm – 400 nm haben Energien von 1,77 eV 3,10 eV. Infolgedessen kann auch sichtbares Licht Elektronen zum Leitungsband anregen. Tatsächlich ist dies das Prinzip von Photovoltaikmodulen, die elektrischen Strom erzeugen.

Anregung durch ionisierende Strahlung

Elektronen können das Leitungsband erreichen, wenn sie durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen Energie erhalten, die höher als Egap ist). Im Allgemeinen übertragen schwer geladene Teilchen Energie hauptsächlich durch:

• Erregung. Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
• Ionisation. Ionisation kann auftreten, wenn das geladene Teilchen genug Energie hat, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.

Eine bequeme Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppkraft . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt . Für Alpha-Partikel und schwerere Partikel ist die Stoppkraft der meisten Materialien für stark geladene Partikel sehr hoch und diese Partikel haben sehr kurze Reichweiten.

Zusätzlich zu diesen Wechselwirkungen verlieren Beta-Partikel durch Strahlungsprozesse, die als Bremsstrahlung bekannt sind, Energie . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen beim Beschleunigen oder Abbremsen Energie ausstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt (obwohl sie elektrisch neutral sind) ionisieren, aber die sekundäre (indirekte) Ionisation ist viel bedeutender. Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.

• Photoelektrischer Effekt
• Compton-Effekt
• Paarproduktion

In allen Fällen lagert ein Teilchen ionisierender Strahlung einen Teil seiner Energie auf seinem Weg ab. Durch den Detektor laufende Teilchen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare . Zum Beispiel sind typische Dicke von Siliziumdetektor sind etwa 300 um , so dass die Anzahl der erzeugten Elektronen-Loch – Paare durch mindestens ionisierenden Teilchens (MIP) , die senkrecht durch den Detektor etwa beträgt 3,2 x 10 ⁴ . Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger im intrinsischen Halbleiter mit einer Oberfläche von 1 cm ² und derselben Dicke gering . Es ist zu beachten, dass eine Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 1,26 × 10 ²¹ Atome enthält, aber auch 7,5 × 10 ¹¹freie Elektronen und 7,5 x 10 ¹¹ Löcher, die ständig aus Wärmeenergie erzeugt werden . Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 ¹⁵ freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht. In dotiertem Material wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) noch kleiner. Das Abkühlen des Halbleiters ist eine Möglichkeit, dieses Verhältnis zu senken.

Eine Verbesserung kann durch Verwendung einer Sperrspannung am PN-Übergang erreicht werden, um den Detektor von freien Ladungsträgern zu befreien, was das Prinzip der meisten Siliziumstrahlungsdetektoren ist. In diesem Fall wird eine negative Spannung an die p-Seite und eine positive an die zweite Seite angelegt. Löcher im p-Bereich werden vom Übergang zum p-Kontakt und ähnlich zu Elektronen und dem n-Kontakt angezogen.

Die Analyse von Gammaspektren ist sehr interessant, da sie eine Struktur aufweist und die Arbeiter zwischen echten zu analysierenden Impulsen und begleitenden Impulsen von verschiedenen Strahlungsquellen unterscheiden müssen. Wir zeigen die Struktur des Gammaspektrums am Beispiel von Cobalt-60, gemessen mit dem NaI (Tl) -Szintillationsdetektor und dem HPGe-Detektor. Der HPGe-Detektor ermöglicht das Trennen vieler eng beieinander liegender Gammalinien, was für die Messung von Multi-Gamma-emittierenden radioaktiven Quellen von großem Vorteil ist.

Cobalt-60  ist ein künstliches radioaktives Cobaltisotop mit einer Halbwertszeit von 5,2747 Jahren . Es wird synthetisch durch Neutronenaktivierung von Cobalt-59 in Kernreaktoren hergestellt . Cobalt-60 ist eine häufige Kalibrierungsquelle, die in vielen Labors zu finden ist. Das Gammaspektrum weist zwei signifikante Peaks auf , einen bei 1173,2 keV und einen anderen bei 1332,5 keV . Gute Szintillationsdetektoren sollten eine ausreichende Auflösung haben, um die beiden Peaks zu trennen. Bei HPGe-Detektoren sind diese Peaks perfekt voneinander getrennt.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, gibt es zwei Gammastrahlenphotopeaks . Beide Detektoren zeigen auch Ansprechen bei den niedrigeren Energien, die durch Compton – Streuung , zwei kleinere escape Peaks bei Energien 0,511 und 1,022 MeV unterhalb des Photopeaks für die Erzeugung von Elektron-Positron – Paaren , wenn eine oder beide Annihilationsphotonen entweichen, und einem Rückstreu peak . Höhere Energien können gemessen werden, wenn zwei oder mehr Photonen fast gleichzeitig auf den Detektor treffen und als Summenpeaks mit Energien bis zum Wert von zwei oder mehr hinzugefügten Photopeaks erscheinen.

Röntgenpeaks

Wenn die Gammastrahlen in umgebenden Materialien (z. B. Bleiabschirmung) einen photoelektrischen Effekt erfahren, kann die ausgehende Röntgenstrahlung erneut vom Detektor erfasst werden. Dies ergibt einen charakteristischen Röntgenpeak mit einer Energie, die von dem Material abhängt, aus dem er stammt. Bei Blei liegt die charakteristische Röntgenenergie im Bereich von 72-84 keV. Photoelektrische Absorption durch K-Schalen-Elektronen in Blei der Abschirmung, was zu einer K-Schalen-Lücke führt. Der K -> L-Übergang für Blei = 72 keV. Wenn diese charakteristische Röntgenstrahlung im Kristall absorbiert wird, wird ein sekundärer Peak bei 72 keV beobachtet.

Die Analyse von Gammaspektren ist sehr interessant, da sie eine Struktur aufweist und die Arbeiter zwischen echten zu analysierenden Impulsen und begleitenden Impulsen von verschiedenen Strahlungsquellen unterscheiden müssen. Wir zeigen die Struktur des Gammaspektrums am Beispiel von Cobalt-60, gemessen mit dem NaI (Tl) -Szintillationsdetektor und dem HPGe-Detektor. Der HPGe-Detektor ermöglicht das Trennen vieler eng beieinander liegender Gammalinien, was für die Messung von Multi-Gamma-emittierenden radioaktiven Quellen von großem Vorteil ist.

Cobalt-60  ist ein künstliches radioaktives Cobaltisotop mit einer Halbwertszeit von 5,2747 Jahren . Es wird synthetisch durch Neutronenaktivierung von Cobalt-59 in Kernreaktoren hergestellt . Cobalt-60 ist eine häufige Kalibrierungsquelle, die in vielen Labors zu finden ist. Das Gammaspektrum weist zwei signifikante Peaks auf , einen bei 1173,2 keV und einen anderen bei 1332,5 keV . Gute Szintillationsdetektoren sollten eine ausreichende Auflösung haben, um die beiden Peaks zu trennen. Bei HPGe-Detektoren sind diese Peaks perfekt voneinander getrennt.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, gibt es zwei Gammastrahlenphotopeaks . Beide Detektoren zeigen auch Ansprechen bei den niedrigeren Energien, die durch Compton – Streuung , zwei kleinere escape Peaks bei Energien 0,511 und 1,022 MeV unterhalb des Photopeaks für die Erzeugung von Elektron-Positron – Paaren , wenn eine oder beide Annihilationsphotonen entweichen, und einem Rückstreu peak . Höhere Energien können gemessen werden, wenn zwei oder mehr Photonen fast gleichzeitig auf den Detektor treffen und als Summenpeaks mit Energien bis zum Wert von zwei oder mehr hinzugefügten Photopeaks erscheinen.

Compton Continuum

Im Kristall unterliegt ein Gammastrahl einer Reihe von Wechselwirkungen, bei mittleren Energien dominiert jedoch die Compton-Effekt. Bei der Elektronenstreuung wird das einfallende Gammastrahlenphoton gegenüber seiner ursprünglichen Richtung um einen Winkel Θ abgelenkt. Das Photon überträgt einen Teil seiner Energie auf das Rückstoßelektronen. Die auf das Rückstoßelektronen übertragene Energie kann von Null bis zu einem großen Bruchteil (Maximum E) der einfallenden Gammastrahlenenergie variieren, da alle Streuwinkel möglich sind. Die Größe des Szintillationskristalls ändert das Verhältnis zwischen Photopeak und Compton-Kontinuum. Bei einem unendlich großen sphärischen Detektor, der um eine Quelle zentriert ist, könnten keine Photonen entweichen, und nur ein Photopeak wäre im Spektrum zu sehen. Bei sehr kleinen Detektoren ist die Chance, dass ein Photon nach der Compton-Effekt austritt, hoch und das Compton-Kontinuum wäre im Vergleich zum Photopeak groß.

Compton Edge

Die Compton-Kante ist ein Merkmal des Spektrographen, das sich aus der Compton-Effekt im Szintillator oder Detektor ergibt. Dieses Merkmal ist auf Photonen zurückzuführen, die eine Compton-Effekt mit einem Streuwinkel von 180 ° erfahren und dann aus dem Detektor austreten. Wenn ein Gammastrahl vom Detektor gestreut wird und austritt, kann nur ein Bruchteil seiner Anfangsenergie in der empfindlichen Schicht des Detektors abgelagert werden. Es hängt vom Streuwinkel des Photons ab, wie viel Energie im Detektor abgelagert wird. Dies führt zu einem Spektrum von Energien. Die Compton-Kantenenergie entspricht einem vollständig rückgestreuten Photon .  Die Zählimpulse zwischen der Compton-Kante und den Photopeaks werden durch mehrere Compton-Streuereignisse verursacht, bei denen gestreutes Gammaphoton aus dem empfindlichen Material austritt.

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Die Analyse von Gammaspektren ist sehr interessant, da sie eine Struktur aufweist und die Arbeiter zwischen echten zu analysierenden Impulsen und begleitenden Impulsen von verschiedenen Strahlungsquellen unterscheiden müssen. Wir zeigen die Struktur des Gammaspektrums am Beispiel von Cobalt-60, gemessen mit dem NaI (Tl) -Szintillationsdetektor und dem HPGe-Detektor. Der HPGe-Detektor ermöglicht das Trennen vieler eng beieinander liegender Gammalinien, was für die Messung von Multi-Gamma-emittierenden radioaktiven Quellen von großem Vorteil ist.

Cobalt-60  ist ein künstliches radioaktives Cobaltisotop mit einer Halbwertszeit von 5,2747 Jahren . Es wird synthetisch durch Neutronenaktivierung von Cobalt-59 in Kernreaktoren hergestellt . Cobalt-60 ist eine häufige Kalibrierungsquelle, die in vielen Labors zu finden ist. Das Gammaspektrum weist zwei signifikante Peaks auf , einen bei 1173,2 keV und einen anderen bei 1332,5 keV . Gute Szintillationsdetektoren sollten eine ausreichende Auflösung haben, um die beiden Peaks zu trennen. Bei HPGe-Detektoren sind diese Peaks perfekt voneinander getrennt.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, gibt es zwei Gammastrahlenphotopeaks . Beide Detektoren zeigen auch Ansprechen bei den niedrigeren Energien, die durch Compton – Streuung , zwei kleinere escape Peaks bei Energien 0,511 und 1,022 MeV unterhalb des Photopeaks für die Erzeugung von Elektron-Positron – Paaren , wenn eine oder beide Annihilationsphotonen entweichen, und einem Rückstreu peak . Höhere Energien können gemessen werden, wenn zwei oder mehr Photonen fast gleichzeitig auf den Detektor treffen und als Summenpeaks mit Energien bis zum Wert von zwei oder mehr hinzugefügten Photopeaks erscheinen.

Zufallsspitze

Gleichzeitige Absorption von zwei Gammaphotonen im Kristall, was zu einem Peak führt, dessen Energie höher ist als die des Photopeaks. Die Gammaphotonen können aus seriellen isomeren Übergängen (z. B. 2 keV plus 1332,5 keV bei Cobalt-60) oder gleichzeitigen Zerfällen in getrennten Radionukliden (z. B. 2 × 1173,2 keV bei Cobalt-60) resultieren.

Die Analyse von Gammaspektren ist sehr interessant, da sie eine Struktur aufweist und die Arbeiter zwischen echten zu analysierenden Impulsen und begleitenden Impulsen von verschiedenen Strahlungsquellen unterscheiden müssen. Wir zeigen die Struktur des Gammaspektrums am Beispiel von Cobalt-60, gemessen mit dem NaI (Tl) -Szintillationsdetektor und dem HPGe-Detektor. Der HPGe-Detektor ermöglicht das Trennen vieler eng beieinander liegender Gammalinien, was für die Messung von Multi-Gamma-emittierenden radioaktiven Quellen von großem Vorteil ist.

Cobalt-60  ist ein künstliches radioaktives Cobaltisotop mit einer Halbwertszeit von 5,2747 Jahren . Es wird synthetisch durch Neutronenaktivierung von Cobalt-59 in Kernreaktoren hergestellt . Cobalt-60 ist eine häufige Kalibrierungsquelle, die in vielen Labors zu finden ist. Das Gammaspektrum weist zwei signifikante Peaks auf , einen bei 1173,2 keV und einen anderen bei 1332,5 keV . Gute Szintillationsdetektoren sollten eine ausreichende Auflösung haben, um die beiden Peaks zu trennen. Bei HPGe-Detektoren sind diese Peaks perfekt voneinander getrennt.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, gibt es zwei Gammastrahlenphotopeaks . Beide Detektoren zeigen auch Ansprechen bei den niedrigeren Energien, die durch Compton – Streuung , zwei kleinere escape Peaks bei Energien 0,511 und 1,022 MeV unterhalb des Photopeaks für die Erzeugung von Elektron-Positron – Paaren , wenn eine oder beide Annihilationsphotonen entweichen, und einem Rückstreu peak . Höhere Energien können gemessen werden, wenn zwei oder mehr Photonen fast gleichzeitig auf den Detektor treffen und als Summenpeaks mit Energien bis zum Wert von zwei oder mehr hinzugefügten Photopeaks erscheinen.

Vernichtungsgipfel

Für hochenergetische Gammastrahlen (größer als 1,02 MeV) ist die Erzeugung von Elektronen-Positronen-Paaren eine mögliche Wechselwirkung. Ein Positron kann dann aber im Detektor oder im umgebenden Material vernichten. Wenn beide Vernichtungsphotonen von 0,51 MeV im Kristall absorbiert werden, kann ein Sekundärpeak von 1,02 MeV unterhalb des Photopeaks gefunden werden. Wenn ein Vernichtungsphoton absorbiert wird und das zweite aus dem Kristall austritt, werden 0,51 MeV aus dem Photopeak entfernt, was zu einem sekundären Peak von 0,51 MeV unterhalb des Photopeaks führt. Die Wahrscheinlichkeit ist größer, dass ein Vernichtungsphoton absorbiert wird.