Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
162 терянной заряженной частицей в чувствительном объеме камеры, и, наконец, протяженность сигнала во времени была небольшой, наполнитель должен характеризоваться:
1) малым значением средней энергии, расходуемой заряженной частицей для создания одной пары носителей заряда;
2) отсутствием рекомбинации и захвата носителей;
3) большой и близкой по величине подвижностью носителей обоих знаков;
4) большим удельным электрическим сопротивлением.
Рассмотрим эти требования несколько подробнее.
Чем меньше значение средней энергии, тем больше носителей возникает в чувствительном объеме, тем больше сигнал, снимаемый с камеры, и тем меньше относительная флуктуация этого сигнала, которая определяет предел энергетического разрешения камеры. У полупроводниковых детекторов W — средняя энергия образования пары носителей —• на порядок меньше, чем у газовых ионизационных камер, и на два порядка меньше, чем у сцинтилляционных счетчиков.
Большая вероятность рекомбинации при движении носителей заряда к электронам очевидным образом приводит к уменьшению полного собранного заряда и соответствующему ухудшению энергетического разрешения вследствие увеличения статистических флук-туаций. В отличие от газонаполненной ионизационной камеры в камере с твердым наполнителем возможен кратковременный или длительный захват носителей одного или обоих знаков так называемыми ловушками — локальными нарушениями периодичности кристаллической решетки. Эти нарушения возникают или из-за присутствия чужеродных атомов в узлах и междуузлиях решетки, или из-за различного рода дефектов самой решетки. При большой вероятности захвата носителей в ловушки внутри диэлектрика возникает объемный заряд, электрическое поле которого направлено противоположно внешнему. Объемный заряд возникает потому, что носители зарядов разных знаков до захвата успевают сместиться к электродам в противоположных направлениях. В итоге после некоторого периода облучения поле внутри диэлектрика с ловушками может уменьшиться настолько, что счетчик перестанет работать*. Кратковременный захват носителей ловушками ухудшает временное разрешение детектора, поскольку время сбора зарядов растет, увеличиваются и его флуктуации.
В твердотельной камере, так же как и в камере с газовым наполнителем, скорость перемещения носителей (скорость дрейфа w) к
* Исключение составляет частный случай захвата ловушками носителей только одного знака на время, большее времени диэлектрической релаксации материала. При определенных условиях может возникнуть эффект зарядового усиления, когда собранный на обкладках камеры заряд больше, чем заряд, образованный ионизирующей частицей. Однако камеры, работающие на таком принципе, обладают весьма плохими временными характеристиками и плохим энергетическим разрешением и нашли ограниченнее применение лишь в дозиметрии.
6*
163 электродам определяется их подвижностью ц и пропорциональна напряженности электрического поля E в камере:
цу+=р+Е; и>- = ц-Е. (6.1)
Чем больше ц, тем меньше время сбора носителей и тем лучшим разрешающим временем обладает твердотельная камера. Если подвижности положительных и отрицательных носителей равны или близки друг к другу, то амплитуда сигнала от такой камеры не будет зависеть от места образования носителей заряда внутри чувствительного объема при любом соотношении между временем сбора носителей и постоянной времени входного каскада усилителя сигнала. Иными словами, будет отсутствовать индукционный эффект.
Поскольку любой материал, который можно использовать в качестве наполнителя твердотельной камеры, обладает пусть малой, но конечной электропроводностью, то при подаче на электроды камеры разности потенциалов через наполнитель потечет постоянный ток, который пропорционален электропроводности материала*. Число носителей заряда, перемещающихся между электродами и создающих постоянный ток, испытывает статистические флуктуации, абсолютное значение которых тем больше, чем больше ток. Если флуктуации тока сравнимы с числом носителей, образованных в камере заряженной частицей, то становится невозможным отличать полезные сигналы от шума.
Оценим минимальное значение допустимого удельного сопротивления наполнителя плоской камеры. Для этого найдем стандартное отклонение числа носителей тока за время дрейфа между электродами и сравним его с числом носителей, созданных заряженной частицей в объеме камеры. Такой подход означает, что электрическое поле мгновенно прикладывается к камере в момент попадания в нее ионизирующей частицы и снова выключается спустя промежуток времени, за который все носители достигают электродов камеры. Среднее значение тока проводимости I = UIR, где R — сопротивление наполнителя; U — приложенное к камере напряжение. Пусть t — время дрейфа носителей между электродами, ае — их заряд, тогда за время t детектор пересечет п = UtI(Re) ^nap носителей. Считая, что плотность носителей описывается распределением Пуассона, получаем для стандартного отклонения
Ou= VWW) ¦
Число пар носителей, созданных в камере заряженной частицей с энергией Е, равно EiHLr- Потребуем, чтобы отношение сигнала шума к полезному равнялось 10~3, т. е. чтобы OnWlE = Ю-3. Это требование не представляется излишне суровым, поскольку разрешение хо-
