آشکارساز نیمه هادی (Semiconductor Radiation Detector)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
آشکارساز نیمه هادی (Semiconductor Radiation Detector) :
آشکارساز نیمه هادی (یا آشکارساز حالت جامد) از مواد نیمه هادی (مانند سیلیکون، ژرمانیوم) برای تشخیص پرتوهای یونیزان استفاده می کند. اصل کار مشابه اتاقک یونیزاسیون است، اما محیط یونیزه شونده یک جامد (نیمه هادی) با چگالی بسیار بالاتر است. پرتو یونیزان با عبور از نیمه هادی، جفت های الکترون-حفره (electron-hole pairs) ایجاد می کند. تعداد این جفت ها متناسب با انرژی پرتو است. با اعمال ولتاژ بایاس، این بارها جمع آوری شده و یک پالس جریان تولید می کنند. از آنجا که انرژی لازم برای ایجاد یک جفت الکترون-حفره در نیمه هادی (حدود ۳-۵ eV) بسیار کمتر از انرژی لازم برای یونیزاسیون گازها (~۳۰ eV) است، تعداد حامل های بار تولید شده (و در نتیجه سیگنال) برای یک پرتو با انرژی معین، بسیار بیشتر است. این امر منجر به وضوح انرژی بسیار بالاتر نسبت به آشکارسازهای گازی و سوسوزن می شود.
انواع آشکارسازهای نیمه هادی:
آشکارساز سیلیکونی (Si): پرکاربردترین. برای تشخیص ذرات باردار (آلفا، بتا)، پرتوهای ایکس با انرژی پایین، و به عنوان آشکارساز موقعیت (ردیاب) در فیزیک ذرات. انواع مختلفی دارد: دیود PIN، آشکارساز سطحی (surface barrier)، آشکارساز رانش سیلیکونی (SDD). در دمای اتاق کار می کند.
آشکارساز ژرمانیومی فوق خالص (HPGe): استاندارد طلایی برای طیف سنجی پرتوهای گاما به دلیل وضوح انرژی فوق العاده بالا. به دلیل شکاف باند باریک ژرمانیوم، برای کاهش نویز حرارتی باید تا دمای نیتروژن مایع (۷۷ کلوین) خنک شود.
آشکارساز کادمیوم-تلوراید (CdTe) و کادمیوم-زینک-تلوراید (CZT): مواد با شکاف باند نسبتا بالا و عدد اتمی بالا، مناسب برای طیف سنجی پرتوهای گاما و ایکس در دمای اتاق. وضوح انرژی خوب اما کمتر از HPGe.
مزایا:
وضوح انرژی بسیار بالا (به ویژه HPGe).
اندازه کوچک و قابلیت ساخت آرایه (پیکسل ها).
زمان پاسخ سریع.
معایب:
نیاز به خنک سازی (برای برخی انواع).
حساسیت به آسیب تشعشعی (در طول زمان).
هزینه بالا (به ویژه HPGe).
\[ N = \frac{E}{w} \quad , \quad \Delta E \propto \sqrt{F N} \]که
\[ E \]انرژی پرتو،
\[ w \]انرژی متوسط مورد نیاز برای ایجاد یک جفت الکترون-حفره،
\[ N \]تعداد جفت ها،
\[ F \]فاکتور فانو و
\[ \Delta E \]وضوح انرژی است.
کاربردها: طیف سنجی پرتوهای گاما و ایکس (HPGe، CZT)، تصویربرداری پزشکی (SPECT، PET)، پایش مواد هسته ای، آنالیز عنصری (XRF)، و ردیابی ذرات در فیزیک انرژی بالا.
