Un detector de semiconductores en física de detección de radiaciones ionizantes es un dispositivo que utiliza un semiconductor (generalmente silicio o germanio ) para medir el efecto de partículas o fotones cargados incidentes.
Los detectores de semiconductores encuentran una amplia aplicación para la protección contra la radiación , la espectrometría de rayos gamma y X y como detectores de partículas .
En los detectores de semiconductores, la radiación ionizante se mide por el número de portadores de carga que la radiación libera en el material del detector, que está dispuesto entre dos electrodos . La radiación ionizante produce electrones libres y huecos de electrones . El número de pares electrón-hueco es proporcional a la energía de la radiación dirigida al semiconductor. Como resultado, se transfiere una cantidad de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción y se crea una cantidad igual de huecos en la banda de valencia. Bajo la influencia de un campo eléctrico , los electrones y los huecos viajan hasta los electrodos, donde dan como resultado un pulso que puede medirse en un circuito externo , como lo describe el teorema de Shockley-Ramo . Los agujeros viajan en dirección opuesta y también se pueden medir. Como se conoce la cantidad de energía necesaria para crear un par electrón-hueco y es independiente de la energía de la radiación incidente, medir el número de pares electrón-hueco permite determinar la energía de la radiación incidente. [1]
La energía necesaria para producir pares de electrones y huecos es muy baja en comparación con la energía necesaria para producir iones pares en un detector de gas. En consecuencia, en los detectores de semiconductores la variación estadística de la altura del pulso es menor y la resolución de energía es mayor. Como los electrones viajan rápido, la resolución temporal también es muy buena y depende del tiempo de subida . [2] En comparación con los detectores de ionización gaseosa , la densidad de un detector semiconductor es muy alta y las partículas cargadas de alta energía pueden desprender su energía en un semiconductor de dimensiones relativamente pequeñas. [ cita necesaria ]
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La mayoría de los detectores de partículas de silicio funcionan, en principio, dopando tiras de silicio estrechas (normalmente de unos 100 micrómetros de ancho) para convertirlas en diodos , que luego tienen polarización inversa . A medida que las partículas cargadas pasan a través de estas tiras, provocan pequeñas corrientes de ionización que pueden detectarse y medirse. Colocar miles de estos detectores alrededor de un punto de colisión en un acelerador de partículas puede producir una imagen precisa de las trayectorias que siguen las partículas. Los detectores de silicio tienen una resolución mucho mayor en el seguimiento de partículas cargadas que las tecnologías más antiguas, como las cámaras de niebla o las cámaras de alambre . El inconveniente es que los detectores de silicio son mucho más caros que estas tecnologías más antiguas y requieren una refrigeración sofisticada para reducir las corrientes de fuga (fuente de ruido). También sufren degradación con el tiempo por la radiación , sin embargo, esto puede reducirse mucho gracias al efecto Lázaro .
Los detectores de diamantes tienen muchas similitudes con los detectores de silicio, pero se espera que ofrezcan ventajas significativas, en particular una alta dureza de radiación y corrientes de deriva muy bajas. También son adecuados para la detección de neutrones. Sin embargo, actualmente son mucho más caros y más difíciles de fabricar.
Los detectores de germanio se utilizan principalmente para la espectroscopia gamma en física nuclear , así como para la espectroscopia de rayos X. Mientras que los detectores de silicio no pueden tener más de unos pocos milímetros de espesor, el germanio puede tener una capa sensible (región de agotamiento) de centímetros de espesor y, por lo tanto, puede usarse como detector de absorción total para rayos gamma de hasta unos pocos MeV. Estos detectores también se denominan detectores de germanio de alta pureza (HPGe) o detectores de germanio hiperpuros. Antes de que se perfeccionaran las técnicas de purificación actuales, no se podían producir cristales de germanio con una pureza suficiente para permitir su uso como detectores de espectroscopia. Las impurezas de los cristales atrapan electrones y huecos, arruinando el rendimiento de los detectores. En consecuencia, los cristales de germanio fueron dopados con iones de litio (Ge(Li)), para producir una región intrínseca en la que los electrones y los huecos pudieran alcanzar los contactos y producir una señal.
Cuando se desarrollaron por primera vez los detectores de germanio, sólo se disponía de cristales muy pequeños. El resultado fue una baja eficiencia, y la eficiencia del detector de germanio todavía se cita a menudo en términos relativos a un detector de centelleo "estándar" de 3 ″ x 3 ″ NaI (Tl). Desde entonces, las técnicas de crecimiento de cristales han mejorado, lo que permite fabricar detectores que son tan grandes o más grandes que los cristales de NaI comúnmente disponibles, aunque dichos detectores cuestan más de 100.000 euros (113.000 dólares estadounidenses).
A partir de 2012 [actualizar], los detectores HPGe suelen utilizar difusión de litio para realizar un contacto n + óhmico e implantación de boro para realizar un contacto p + . Los detectores coaxiales con un contacto central n + se denominan detectores de tipo n, mientras que los detectores de tipo p tienen un contacto central ap + . El espesor de estos contactos representa una capa muerta alrededor de la superficie del cristal dentro de la cual las deposiciones de energía no dan como resultado señales del detector. El contacto central en estos detectores es opuesto al contacto de superficie, lo que hace que la capa muerta en los detectores de tipo n sea más pequeña que la capa muerta en los detectores de tipo p. Los espesores típicos de la capa muerta son de varios cientos de micrómetros para una capa de difusión de Li y unas pocas décimas de micrómetro para una capa de implantación B.
El principal inconveniente de los detectores de germanio es que deben enfriarse a temperaturas de nitrógeno líquido para producir datos espectroscópicos. A temperaturas más altas, los electrones pueden cruzar fácilmente la banda prohibida en el cristal y alcanzar la banda de conducción, donde son libres de responder al campo eléctrico, produciendo demasiado ruido eléctrico para ser útiles como espectrómetro. El enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido (77 K) reduce las excitaciones térmicas de los electrones de valencia, de modo que solo una interacción de rayos gamma puede darle a un electrón la energía necesaria para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción. El enfriamiento con nitrógeno líquido es inconveniente, ya que el detector requiere horas para enfriarse a la temperatura de funcionamiento antes de poder usarse y no se puede permitir que se caliente durante el uso. Nunca se podía permitir que los cristales de Ge(Li) se calentaran, ya que el litio se saldría del cristal, arruinando el detector. Se puede permitir que los detectores HPGe alcancen la temperatura ambiente cuando no estén en uso.
Se dispusieron de sistemas comerciales que utilizan técnicas de refrigeración avanzadas (por ejemplo, refrigeradores de tubos de pulso ) para eliminar la necesidad de refrigeración con nitrógeno líquido.
Los detectores de germanio con electrodos de múltiples tiras, ortogonales en caras opuestas, pueden indicar la ubicación bidimensional del rastro de ionización dentro de un gran monocristal de Ge. Detectores como este se han utilizado en misiones astronómicas COSI desde globos (NASA, 2016) y se utilizarán en un observatorio orbital (NASA, 2025) Compton Spectrometer and Imager (COSI).
Debido a que los detectores de germanio son altamente eficientes en la detección de fotones, [4] pueden usarse para una variedad de aplicaciones adicionales. Seguridad Nacional utiliza detectores de germanio de alta pureza para diferenciar entre material radiactivo de origen natural (NORM) y material radiactivo utilizado como arma o de otro modo dañino. [5] [6] También se utilizan en el seguimiento del medio ambiente debido a la preocupación por el uso de la energía nuclear. [7] Finalmente, los detectores de germanio de alta pureza se utilizan para la investigación de imágenes médicas y de física nuclear, lo que los convierte en un detector bastante diverso en cuanto a aplicaciones. [8]
Se han desarrollado detectores de telururo de cadmio (CdTe) y telururo de cadmio y zinc (CZT) para su uso en espectroscopia de rayos X y espectroscopia gamma . La alta densidad de estos materiales significa que pueden atenuar eficazmente los rayos X y los rayos gamma con energías superiores a 20 keV que los sensores tradicionales basados en silicio no pueden detectar. La amplia banda prohibida de estos materiales también significa que tienen una alta resistividad y pueden funcionar a temperatura ambiente o cerca de ella (~295 K), a diferencia de los sensores basados en germanio . Estos materiales detectores se pueden utilizar para producir sensores con diferentes estructuras de electrodos para imágenes y espectroscopia de alta resolución . Sin embargo, los detectores CZT generalmente no pueden igualar la resolución de los detectores de germanio, y parte de esta diferencia se puede atribuir a un transporte deficiente del portador de carga positiva al electrodo. Los esfuerzos para mitigar este efecto han incluido el desarrollo de nuevos electrodos para eliminar la necesidad de recolectar ambas polaridades de los portadores. [9] [10]
Los detectores de semiconductores suelen integrarse comercialmente en sistemas más grandes para diversas aplicaciones de medición de radiación.
Los espectrómetros gamma que utilizan detectores HPGe se utilizan a menudo para medir niveles bajos de radionucleidos emisores de gamma en muestras ambientales, lo que requiere un entorno de fondo bajo, que generalmente se logra encerrando la muestra y el detector en un escudo de plomo conocido como "castillo de plomo". Se han desarrollado sistemas automatizados [11] para mover secuencialmente una cantidad de muestras dentro y fuera del castillo principal para su medición. Debido a las complejidades de abrir el escudo y mover las muestras, esta automatización ha sido tradicionalmente costosa, pero recientemente se han introducido muestreadores automáticos de menor costo. [12]
Los detectores de semiconductores, especialmente HPGe, suelen integrarse en dispositivos para caracterizar residuos radiactivos envasados. Esto puede ser tan simple como montar los detectores en una plataforma móvil para llevarlos a un área para mediciones in situ y combinarlos con un blindaje para restringir el campo de visión del detector al área de interés para operaciones "abiertas" de un solo disparo. "mediciones de geometría del detector", [13] o para desechos en tambores, sistemas como el escáner gamma segmentado (SGS) combinan un detector semiconductor con mecatrónica integrada para rotar el artículo y escanear el detector en diferentes secciones. [14] Si el campo de visión del detector se escanea a través de áreas pequeñas del artículo en múltiples ejes, como se hace con un escáner gamma tomográfico (TGS), la tomografía se puede utilizar para extraer información 3D sobre la densidad y las emisiones gamma del artículo. [15]
Los detectores de semiconductores se utilizan en algunas cámaras gamma y sistemas de imágenes gamma [16]
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