Kapitel 7.4: Nachweismethoden für ionisierende Strahlung - PTB

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446 7.4 Nachweismethoden für ionisierende Strahlung Photonen- und Betastrahlung verwendeten Filmplaketten liegen i. allg. zwei in Polyethylen eingeschlossene Filme zwischen Filtern verschiedener Dicke (Cu) oder verschiedenen Materials (AI, Cu, Pb). Der eine Film ist für hohe, der andere für niedrige Dosen vorgesehen. Aus den unterschiedlichen optischen Dichten der Felder auf dem Film, die hinter den Filtern exponiert worden sind, läßt sich die Strahlenqualität grob bestimmen (Dresel (1956), DIN 6816 (1984)). Die Filmplaketten sind zur Messung von Photonen mit Energien zwischen 20keV und 3 MeV geeignet. Der Meßbereich der Personendosis liegt mit zwei Filmen zwischen 0,2 mSv und 1 Sv. Wegen der Dicke der Emulsion und der Filmverpackung ist Filmdosimetrie von Betastrahlen erst bei Energien oberhalb 300 keV möglich. Damit besteht die Gefahr der Unterschätzung einer durch Betastrahlung hervorgerufenen Personendosis. 7.4.6 Elektrische Effekte in Festkörpern (K. Hohlfeld) 7.4.6.1 Halbleiterdetektoren Physikalische Grundlagen und Eigenschaften Wie in Gasen so entstehen auch in festen Stoffen durch Bestrahlung Ladungsträgerpaare. Gewöhnlich können diese jedoch nicht zum Nachweis ausgenutzt werden, weil sie entweder in Isolatoren unbeweglich oder in leitenden Stoffen neben den vorhandenen beweglichen Ladungsträgern nicht nachweisbar sind. In Halbleitern beträgt der mittlere Energieaufwand zur Bildung eines Ladungsträgerpaares etwa 1/10 des Wertes in Gasen, die Dichte der Halbleiter ist dagegen rund 2000mal so groß. Damit werden unter gleichen Bedingungen in gleich großen Volumina in Halbleitern 20000mal mehr Ladungsträgerpaare erzeugt als in Gasen. Wegen des vergleichsweise geringen Eigenwiderstandes ist eine Anwendung von Halbleitermaterial für Festkörper-Ionisationskammern direkt nicht möglich. Bei Silicium und Germanium ist es nach verschiedenen Methoden möglich, die Zahl der vorhandenen beweglichen Ladungsträger soweit herabzusetzen, daß die durch Strahlung erzeugten Ladungsträgerpaare gemessen werden können. Dies gilt auch für die sog. Leitfähigkeitsdetektoren (Cadmiumsulfid u. a.), bei denen die Zahl der Ladungsträger im unbestrahlen Zustand von Natur aus genügend klein ist. Zu den Festkörperdetektoren zählen neben den Halbleitern auch die Szintillations- und Lumineszenzdetektoren (s. 7.4.3). Die Leitfähigkeitseigenschaften der Halbleiter werden durch das Bändermodell beschrieben. Im „Valenzband" sind die Ladungsträger unbeweglich. Durch Energiezufuhr (Wärme oder Strahlung) können sie in das höherliegende „Leitungsband" gehoben werden, in welchem sie beweglich sind. Die „verbotene Lücke" zwischen den Bändern (der Bandabstand) beträgt 1,12 eV bei Si und 0,67 eV bei Ge. Der Ladungstransport im Leitungsband wird durch Elektronen und „Defektelektronen" bewirkt, letztere werden auch „Löcher" genannt. Je nachdem, ob die Zahl der Elektronen oder die der Löcher überwiegt, spricht man von n-leitendem oder p-leitendem Material. Eine Verbindungsdiode (e: junction diode) entsteht, wenn die eine Seite eines Kristalls großer Reinheit bis zu einer bestimmten Grenze durch Dotierung n-leitend, die andere Seite p-leitend gemacht wird. Die beweglichen positiven und negativen Ladungsträger ziehen sich an und vereinigen sich, in einem Gebiet um die Grenze zwischen dem n-leitenden und p-leitenden Material herum entsteht ein von beweglichen Ladungsträgern freies Gebiet. Man nennt dieses p-n-Übergangsgebiet Verarmungszone oder intrinsische (() Schicht. Als elektrisches Leitungsele-
7.4.6 Elektrische Effekte in Festkörpern 447 ment stellt die p-n-Verbindung einen Gleichrichter dar: in Sperrichtung wirkt die Verarmungszone wie ein Isolator. Die n- bzw. p-leitenden Seitenteile des Kristalls verhalten sich wie die Elektroden einer gasgefüllten Ionisationskammer. Die Verarmungszone stellt das empfindliche Volumen dar; die in ihm durch Strahlung erzeugten lonenpaare werden wie in einer Ionisationskammer durch das elektrische Feld gesammelt. Die Feldstärke nimmt innerhalb der Sperrschicht von einem Höchstwert bis auf Null ab, die entsprechende Strecke d kennzeichnet die Dicke der Verarmungsschicht. Die Dicke d ist von der angelegten Spannung U und der Störstellendichte /i; abhängig. Diese ist für Elektronen und Löcher gleich und bestimmt mit den Beweglichkeiten /ip für die Löcher und fi^ für die Elektronen den spezifischen Widerstand. = + (7.77) wobei e die Elementarladung ist. Für die Dicke der Verarmungszone in Silicium gilt in guter Näherung die Zahlenwertgleichung d=0,5 yJprU (7.78) {din um, pj in ficm und (7in V). Die Begrenzungen der Verarmungszone können als Platten (Fläche eines Kondensators der Kapazität C mit dem Abstand d aufgefaßt werden, wobei der Zwischenraum mit Material der relativen Dielektrizitätskonstante E gefüllt ist: C=8,85-10 '^fi^/rf (7.79) (Zahlenwertgleichung: CinF,A in m^, d in m). Die in der Verarmungszone erzeugte Ladung Q wird nahezu vollständig gesammelt und ergibt einen Spannungspuls v. v = Q/C^ = Ee/{WC^). (7.80) E ist die durch Strahlung übertragene Energie, W der mittlere Energieaufwand zur Bildung eines Ladungsträgerpaares und Cg die Gesamtkapazität. Aus Gl. (7.80) geht hervor, daß Halbleiterdetektoren als Spektrometer geeignet sind; die Pulssignalhöhe ist der übertragenen Energie proportional. In Tab. 7.8 sind einige für die Strahlungsmessung wichtigen Eigenschaften von Halbleitern angegeben. Gewöhnliche Halbleiterdioden haben Verartnungszonen mit Dicken bis zu einigen hundert um und erlauben in Sperrichtung das Anlegen von Spannungen bis zu 100 V. Eine spezielle Ausführung, die Oberflächensperrschicht-Detektoren, besteht aus einem Scheibchen n-leitenden Grundmaterials (Silicium oder Germanium), auf dessen Tab. 7.8 Physikalische Eigenschaften von Halbleiterdetektor-Materialien. ^Fist die zur Bildung eines Elektron-Lochpaares aufzuwendene Energie Halbleiter- Ord- Dichte Bandabstand Elektronen- Löcher- W material nungs- in g/cm^ bei 20 beweglichkeit beweglichkeit in zahl in eV incm^V 's ' incm^V 's ' eV SiUcium 14 2,33 1,12 1500 500 3,6 Germanium 32 5,32 0,67 3800 1800 2,8 GaAs 31, 33 1,43 8500 420 CdTe 48, 34 6,3 1,5 100 100 InSb 49,51 0,17 7800 750 GaSb 31,51 0,67 4000 1400
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