2.4 Festkörperdetektoren

190 2 Strahlungsdetektoren
Diese können sich im Leitungsband (Elektronen) oder Valenzband (Defektelektronen, Löcher) frei
bewegen (Fig. 2.23a). Nach kurzer Zeit werden sie entweder in metastabile Zustände (Löcher- bzw.
Elektronen-Traps) eingefangen (Fig. 2.23b), sie rekombinieren direkt mit Lochzuständen im Va-
lenzband (Fig. 2.23c) oder werden in Leuchtzentren eingefangen, die sie dadurch aktivieren. Die
prompte Rekombination kann entweder unter Emission von Fluoreszenzstrahlung oder strahlungs-
frei stattfinden, wobei die Differenzenergie im letzteren Fall durch den ganzen Kristall in Form von
Schwingungsenergie übernommen wird. Elektronen und Löcher können außerdem in Leuchtzentren
eingefangen werden, die vorher bereits durch andere Löcher aktiviert wurden, und diese unter Ab-
gabe von Licht desaktivieren (Fig. 2.23d).
Zur Auswertung wird der Thermolumineszenzdetektor im Auswertegerät aufgeheizt. Dabei werden
die in Traps eingefangenen Elektronen oder Löcher durch Übernahme thermischer Energie zurück
ins Leitungs- oder Valenzband befördert (Fig. 2.24a). Sie können sich dort wieder frei bewegen, der
Festkörper wird dadurch kurzfristig elektrisch leitend. Elektronen und Löcher erleiden jetzt das
gleiche Schicksal wie zuvor bei der Bestrahlung. Sie können also entweder wieder in metastabile
Zustände (Traps) oder von Leuchtzentren eingefangen werden und diese aktivieren (Fig. 2.24b). Sie
können auch direkt strahlend oder strahlungsfrei mit den Lochzuständen im Valenzband rekombi-
nieren (Fig. 2.24c) oder sie werden in bereits aktivierten Leuchtzentren eingefangen und desaktivie-
ren diese unter Abgabe von Licht (Fig. 2.24d). Da das dabei entstehende und emittierte Licht erst
nach Übertragung von Wärmeenergie entsteht, wird diese Art der Lumineszenz als Thermolumi-
neszenz bezeichnet. Direkte Rekombination von Elektronen mit Lochzuständen im Valenzband er-
zeugt entweder Strahlung mit Energien, die in der Regel wesentlich höher sind als die Traptiefe
(Fig. 2.24c), oder sie findet strahlungsfrei statt. Die Übergangsenergie ist etwa so groß wie die
Energielücke (der Bandabstand) zwischen Valenzband und Leitungsband. Die Rekombinati-
onsstrahlung wird deshalb in der Mehrzahl der Fälle durch Selbstabsorption im Kristall wieder ver-
nichtet. Bei den strahlungsfreien Rekombinationsübergängen wird die Energiedifferenz in Form
von kollektiven Gitterschwingungen, den Phononen, vom Kristall übernommen, steht also auch für
Lichtemission nicht zur Verfügung. Direkte Rekombinationsübergänge tragen deshalb insgesamt
nur unwesentlich zur Emission von Licht aus dem Kristall bei.
Glowkurven: Reale thermolumineszierende Materialien haben mehrere metastabile Elektronenni-
veaus in der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband, die sich in ihrer energetischen Lage
relativ zum Leitungsband unterscheiden (Fig. 2.25a). Elektronen können dem entsprechend nicht
nur in einer Art von Traps eingefangen werden; die zu ihrer Befreiung aus den Traps erforderliche
Energie ist deshalb je nach Traptiefe verschieden. Wird die beim Aufheizen eines thermolumines-