Der Halbleiterdetektor
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Der Halbleiterdetektor ist ein Messgerät zum Detektieren hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung und Teilchenstrahlungen. Anders, als das Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ), kann der Halbleiterdetektor auch die Energie der Strahlung messen.
Aufbau des Halbleiterdetektors
Der Halbleiterdetektor besteht im Wesentlichen aus einer Diode, die in Sperrrichtung geschaltet ist. ►01
Reaktivierung zur Diode
Hier eine kurze Reaktivierung zur relevanten Funktion der Diode im Kontext des Halbleiterdetektors. Die Funktionsbeschreibung und genauer Erklärung zur Diode gibt es hier.
Funktion des Halbleiterdetektors
Wie wir an der Kennlinie einer Diode erkennen können, fließt in Durchlassrichtung ab ca. 0,6 V ein Strom. Mit zunehmender Spannung wird der Stromfluss stärker. In Sperrrichtung fließt kein Strom. Je größer die Spannung, desto breiter wird die Sperrschicht.
Wenn Strahlung in den Halbleiterdetektor einfällt, dann trifft diese auf die Sperrschicht der Diode. Das ist der Bereich, der sich zwischen der n-dotierten und der p-dotierten Seite der Diode aufspannt. Wenn die Strahlung auf die Sperrschicht trifft, dann werde hier durch Ionisation Elektronen-Loch-Paare erzeugt. Es stehen also freie Ladungsträger zur Verfügung, die dann im elektrischen Feld bewegt werden. Es fließt ein Strom, der als Impuls messbar ist.
Die Stärke des Stromflusses hängt vom Halbleitermaterial (detektorspezifisch) und der Energie der einfallenden Strahlung (strahlungsspezifisch) ab. Damit kann der Halbleiterdetektor nicht nur die Strahlung registrieren (vgl. GMZ), sondern auch die Energie der einfallenden Strahlung messen.
Beispiele für Messungen mit dem Halbleiterdetektor
Im Folgenden wollen wir uns ein paar Beispielmessungen mit dem Halbleiterdetektor anschauen.
Beispiel alpha-Strahler Am-241
{\large\displaystyle {}_{95}^{241}Am\quad \xrightarrow{\alpha }\ {}_{93}^{237}Np\ +\ {}_{2}^{4}He }
Beispiel für ein gamma-Spektrum
Theoretisch konstruiertes Spektrum – idealisiert
Im Folgenden wollen wir das a-Spektrum eines Th-230 Präparates theoretisch konstruieren. Dazu gehen wir davon aus, dass der Zähler direkt vor dem Thorium Präparat platziert ist.
Th-230 -> Ra-226 mit Folgeprodukten Rn-222 und Po-218
Wie wir dem Auszug aus der Nuklidkarte ►03 entnehmen können, ist Th-230 ein a-Strahler mit einer Halbwertzeit von 75.400 Jahren. Die a-Strahlung hat eine Energie von 4,69 MeV.
Da der Tochterkern, Ra-226 eine deutlich kürzere Halbwertszeit (1600 Jahre) hat, können wir davon ausgehen, dass dieser quasi zeitgleich zerfällt. Das gilt auch für die folgenden Enkelkerne bis Pb-214, deren Halbwertszeiten jeweils deutlich kürzer sind, als die der Mutterkerne. (vgl. Zerfallsgleichungen)
{\large \displaystyle \begin{array}{l}{}_{90}^{230}Th\quad \xrightarrow{\alpha }\ {}_{88}^{226}Ra\ +\ {}_{2}^{4}He\quad \left\{ {{T}_{1/2}}=7,54\cdot {{10}^{4}}a;\ {{E}_{\alpha }}=4,69\,MeV \right\}\\{}_{88}^{226}Ra\quad \xrightarrow{\alpha }\ {}_{86}^{222}Rn\ +\ {}_{2}^{4}He\quad \left\{ {{T}_{1/2}}=1600\,a;\ {{E}_{\alpha }}=4,78\,MeV \right\}\\{}_{86}^{222}Rn\quad \xrightarrow{\alpha }\ {}_{84}^{218}Po\ +\ {}_{2}^{4}He\quad \left\{ {{T}_{1/2}}=3,82\,d;\ {{E}_{\alpha }}=5,49\,MeV \right\}\\{}_{84}^{218}Po\quad \xrightarrow{\alpha }\ {}_{82}^{214}Pb\ +\ {}_{2}^{4}He\quad \left\{ {{T}_{1/2}}=3,05\,\min ;\ {{E}_{\alpha }}=6,0\,MeV \right\}\\\\{{\beta }^{-}}-Strahlung\ mit\ l\ddot{a}ngerer\ Halbwertzeit\\\\{}_{82}^{214}Pb\quad \xrightarrow{{{\beta }^{-}}}\ {}_{83}^{214}Bi\ +{}_{-1}^{0}e\quad \left\{ {{T}_{1/2}}=26,8\,\min ;\ {{E}_{\beta }}=1,0\,MeV,\,… \right\}\end{array} }
Da die jeweiligen Tochterkerne quasi gleichzeitig zerfallen, können wir auch ihre Energien im a-Spektrum erkennen. ►04
Ein sehr gutes Erklär-Video zum Halbleiterdetektor findet ihr hier.