Festkörperdetektoren

Pia's Talk about Solid State Detectors

Festkörperdetektoren

Strahlung in Materie

α-Strahlen, β-Strahlen

Geladene Elementarteilchen machen Ionisation. Dabei geben die Teilchen kinetische Energie und es entstehen bewegliche Ladungen entlang der Flugbahn. Je langsamer die Teilchen fliegen umso mehr Energie wird pro Millimeter abgegeben (Bethe-Bloch, Bragg-peak).

γ-Strahlen

Ungeladene Teilchen fliegen einfach durch Metarie durch, bis sie irgendwo mit einem geladenen Teilchen des Materials zusammenstoßen. Das geladene Teilchen fliegt dann weiter und macht Ionisation.

Compton Effekt

Ein γ-Quant stößt ein Elektron an. Das γ-Quant fliegt in eine andere Richtung weiter. Das Elektron übernimmt einen Teil der kinetischen Energie. Dieser Anteil hängt von dem Winkel ab, um den das γ-Quant abgelenkt wurde. Wenn das γ-Quant in die entgegengesetzte Richtung fliegt, dann bekommt das Elektron die meiste Energie. Das ist die Compton-Kante im Spektrum.

Photoeffekt

Ein γ-Quant kann von einem Elektron verschluckt werden. Dazu wird aber ein schwerer Atomkern in der Nähe gebraucht, der einen Teil des Impulses vom γ-Quant übernimmt.

Detektoren

In einem Detektor kann die Ionisation gemessen werden.

• Geiger-Müller Zählrohr, Ionisation in Gas mit Lawinenverstärkung.
• Szintillator, Ionisation erzeugt Lichtblitze.
• Halbleiterdetektor. Die Ionisationsladung wird direkt gemessen.
• Avalanche Photodiode, Halbleiterdetektor mit Lawinenverstärkung.

Festkörperdetektoren

In Halbleiterdioden gibt es eine Verarmungszone, in der sich keine beweglichen Ladungen befinden. Wenn in der Verarmungszone Ionisation passiert, dann fließen die dabei erzeugten Ladungen zu den Anschlüssen der Diode und können dort gemessen werden.

Solarzellen

In Solarzellen liefern diese Ladungen elektrische Energie. Die Ionisation wird durch Licht hervorgerufen.

PIN-Dioden

In Detektoren wird eine Sperrspannung an die Diode angelegt, um die Verarmungszone zu vergrößern, bis fast das gesammte Halbleitervolumen keine beweglichen Ladungen mehr enthält. Daher besteht der Halbleiterkristall aus sehr reinem, teurem, Intrinsischem Silizium. Nur an den Oberflächen sind P- und N-leitende Dotierungen eingebracht.

Photodioden

Die Oberfläche von Solarzellen und Photodioden wird mit einer Entspiegelung versehen. Das ist eine sehr dünne Beschichtung, die durch Interferenz verhindert, das Licht reflektiert werden kann.

Die Dicke der Beschichtung ist so gewählt, das die Entspiegelung bei rotem Licht am besten funktioniert. Blaues Licht wird zum Teil reflektiert.

In Photodioden muss auch die Dotierung an der Oberfläche sehr dünn sein, damit viel Licht bis in die Verarmungszone eindringen kann.

Bismut Spektrum

Aus einer radioaktive Quelle mit dem Isotop ²⁰⁷Bi kommen Röntgenstrahlen, γ-Strahlen und Elektronenstrahlen. Diese Stahlen haben genau bestimme kinetischen Energien, auch die Elektronen. Es sind keine β-Strahlen, bei denen die kinetische Energie vom Zufall abhängt, je nachdem wie viel Energie das Neutrino mitbekommen hat.

Die Spektren zeigen den Energieverlust im Halbleiter durch

• Photoeffekt, Photoelektronen von Röntgenquanten bei 75keV,
• Compton-Effekt, Elektronen angestoßen von γ-quanten mit 570 und 1063 keV,
• Elektronen aus der Quelle mit 482, 554, 566, 976, 1048, 1060 keV.