Полупроводниковые детекторы. 
Ядерная медицина. 
Радионуклидная диагностика

Общие замечания

Полупроводниковые детекторы (ПД) в РИД являются успешными конкурентами сцинтилляторов при детектировании излучений и визуализации распределения активности. Преимущества полупроводниковых детекторов (ПД) заключаются в их высоком энергетическом разрешении и возможности создания на их базе систем визуализации с очень хорошим пространственным разрешением. Наилучшим из (ПД) по энергетическому разрешению является германий, однако ему для нормальной работы необходимы низкие температуры. Ряд других полупроводников, к которым относятся иодид ртути (Hgl₂), теллур ид кадмия (CdTe) и теллурид кадмий цинк (CdZnTe) могут работать при комнатной температуре.

Полупроводниковые детекторы используются в РИД для обнаружения областей аномального усвоения радиофармпрепарата при хирургических процедурах и эндоскопии. Относительно недавно на их на их базе разработаны разнообразные матричные детекторы, обладающие высоким пространственным разрешением. В этом разделе на основе материалов обзорных работ [3,4] анализируется физика ПД и их применение в РИД.

Физика полупроводниковых детекторов

Для оценки достоинств и недостатков применения ПД в ЯМ полезно рассмотреть принцип их работы. Рассмотрим два варианта. В первом, наиболее простом, но не дающем количественной картины процесса, принцип работы ПД напоминает принцип работы жидкостной ионизационной камеры. Он иллюстрируется на рис. 2.15, а.

Рис. 2.15. Схематические диаграммы работы полупроводниковых.

детекторов В твердых кристаллических телах носителями электрического заряда являются электроны и дырки. В обычном состоянии свободные электроны и дырки практически отсутствуют. Взаимодействие у-излучения с полупроводником приводит к образованию высокоэнергетичных электронов (и позитронов при эффекте парообразования). Эти электроны часть своей энергии теряют на ионизацию материала полупроводника, в результате которой в полупроводнике образуются свободные электроны и положительно заряженные дырки. Энергия образования одной электронно-дырочной пары w в первом приближении не зависит ни от типа ионизирующей частицы, ни от ее энергии и также, как и в газе, является параметром вещества. Напряжение смещения, приложенное к детектору, создает электрическое поле, которое вызывает перемещение электронов к положительному электроду и дырок к отрицательному. Транспорт зарядов создает ток внутри детектора и изменение потенциалов на электродах, что можно измерять во внешней электрической цепи.

В идеальном полупроводниковом детекторе отклик зависит линейно от поглощенной энергии излучения и не зависит от положения точки взаимодействия фотона внутри кристалла детектора.

Второй подход к описанию работы ПД основан на зонной теории твердого тела. В твердом теле в отличие от изолированных атомов энергетические уровни, соответствующие структуре электронных оболочек атомов, расширяются и, накладываясь друг на друга, образуют непрерывные энергетические полосы (зоны). В результате электроны коллективно используются атомами. Такие энергетические зоны, соответствующие орбитам в структуре оболочек изолированного атома, могут оказаться заполненными, частично заполненными или пустыми (орбиты могут иметь два, один или ни одного электрона). На рис. 2.15, б схематически показаны две из многих энергетических зон полупроводника или изолятора: валентная зона заполнена электронами; зона проводимости пустая.

Приложение электрического поля к изолятору не создает движения зарядов, так как в валентной зоне отсутствуют свободные места, куда могли бы переместиться электроны. Соответственно нет электронов и в зоне проводимости. В хороших проводниках (металлах) на дальних орбитах имеются неспаренные электроны, что соответствует наполовину заполненной зоне проводимости. При приложении электрического поля эти электроны могут двигаться свободно, так как имеется много свободных мест.

Полупроводник представляет специальный случай изолятора, в котором разность энергий между валентной зоной и зоной проводимости, называемая шириной запрещенной зоны, достаточно мала, так что тепловые эффекты могут временами случайно переводить электроны из валентной зоны в зону проводимости. При наложении электрического поля такие электроны могут перемещаться точно так же, как в проводнике. Вакансии, образующиеся в валентной зоне, тоже могут участвовать в проводимости. В валентной зоне под действием электрического поля электроны могут переместиться в соседнюю вакансию, создавая другую вакансию в первоначальной орбитальной локализации. Появившиеся вакансии или дырки двигаются в направлении, обратном направлению движения электронов, т. е. ведут себя как положительные заряды. Поэтому в физике твердого тела дырки имеют такую же реальность, как и электроны, хотя и с другими свойствами. Дырочный ток в валентной зоне и электронный ток в зоне проводимости имеют одинаковый знак, так как движутся в разных направлениях. Эти токи складываются численно.

Как описывалось выше, при взаимодействие у-излучения с веществом полупроводника образуются электроны с высокой энергией (много больше w), назовем их первичными. Эти электроны при движении в веществе теряют значительную долю своей энергии (20—35%) на ионизацию среды, создавая каскад вторичных электронов, часть которых имеет еще достаточно энергии на дальнейшую ионизацию. Оставшаяся энергия первичных электронов переходит в тепло в форме колебаний кристалла, называемых фононами. Образовавшиеся электроны и дырки временно, до тех пор пока они движутся к своим электродам, увеличивают проводимость полупроводника.

Так как число образующихся электрон-дырочных пар линейно зависит от поглощенной энергии, ПД имеют линейный отклик. Кроме того на образование одной электрон-дырочной пары требуется от 3 до 6 эВ, что в ~ 10 раз меньше, чем энергия, идущая на образование пары ионов в газе (~ 34 эВ), или суммарная энергия, идущая на высвечивание светового фотона в сцинтилляторах (~ 30 эВ), причем только ~ 50% из этих фотонов вырывают электрон с фотокатода сцинтилляционного детектора. По этой причине полупроводниковые детекторы обладают во много раз лучшим разрешением, чем газовые и сцинтилляционные детекторы.

Электроны, образующиеся в ПД при фотопоглощении фотонов, создают в аппаратурном спектре фотопик (рис. 2.16), а «комптоновские» электроны, получающие часть энергии от рассеянного фотона, образуют непрерывное распределение.

Рис. 2.16. Энергетические (аппаратурные) спектры создаваемые источником 99тТс в полупроводниковых детекторах:

а — германиевый детектор (Orteg-100 HPGe) диаметром 1,0 см и толщиной 0,7 см с энергетическим разрешением 0,54% при 140 кэВ и температуре 77°К, пик вблизи 20 кэВ является К-линией ^99тТс, плато ниже 50 кэВ обусловлено комтоновскими электронами; б — детектор Hgl₂ площадью 0,045 см² и толщиной 0,05 см с энергетическим разрешением 3,2% при 140 кэВ (асимметричная форма фотопика связана с захватом носителей); в — детектор CdZnTe размером 1×1×0,3 см толщиной с энергетическим разрешением 5% при 140 кэВ. Структура ниже фотопика обусловлена, главным образом, захватом носителей заряда ловушками (адаптировано из [3]).

Энергетические спектры для ^99тТс показаны на рис. 2.16 для трех детекторов: высокой чистоты германиевый детектор, иодид ртути и теллурид кадмий цинк. Германиевый детектор работает при температуре жидкого азота, а два остальных при комнатной температуре. Вклад комптоновских электронов в спектр в германиевом детекторе ~ 42%. Небольшой пик на рис. 2.16, а в районе 115 кэВ связан с утечкой характеристического излучения Cd и Те (КЧлиния). Большой горб в области промежуточных и низких энергий обусловлен захватом ловушками носителей заряда. Этот эффект представляет серьезную проблему для всех ПД, работающих при комнатной температуре.

Спектр детектора Hgl₂ является хорошим для ПД, работающих при комнатной температуре. Энергетическое разрешение равно 3,2% на линии 140 кэВ. Пики в районе от 58 до 72 кэВ связаны с утечкой характеристического излучения (Л-линия ртути). Основной пик при 140 кэВ асимметричный, что является следствием захвата носителей заряда.

Разрешение CdZnTe значительно хуже, но примерно в два раза лучше, чем у сцинтилляционных детекторов. Промежуточное положение по энергетическому разрешению между германиевым и CdZnTe детекторами занимает Hgl₂ детектор. В настоящее время на рынке появились ПД из CdTe и CdZnTe, обладающие энергетическим разрешением, лучшим, чем Hgl₂ детектор.