Halbleiterzähler

Allgemeines:
Statt mit einer Gasfüllung wie im Geigerzählrohr können ionisierende Teilchen auch in anderen Medien gemessen werden. Vor Allem Halbleiter sind dazu gut geeignet. Der Halbleiter wird mit zwei Elektroden versehen an die eine Spannung angelegt wird. Ein den Halbleiter durchquerendes Teilchen erzeugt durch Ionisation Elektroden-Lochpaare die durch das bestehende elektrische Feld separiert werden und zu den entsprechenden Elektroden driften.
Von außen kann der Ladungsträgerstrom als Impuls an den Elektroden abgenommen werden. Im Gegensatz zu Gasen ist die Reichweiten der Teilchen in Festkörpern sehr klein. Deshalb geben die Teilchen ihre gesamte Energie im Halbleiter ab und die Ladung des Impulses ist proportional zur Energie des Teilchens. Der Halbleiterdetektor ist somit zur Energiespektroskopie geeignet. . Kommerzielle Halbleiterdetektoren allerdings sind sehr teuer und müssen je nach Ausführung mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Will man jedoch nur Alphastrahler messen reicht eine simple Fotodiode als Detektor. Im Gegensatz zu richtigen Halbleiterdetektoren ist die aktive Schicht in einer Fotodiode sehr dünn, aber doch für die sehr kurzreichweitigen Alphateilchen ausreichend dick.

Aufbau:
Für die folgenden Experimente wurde eine BPX 61 verwendet. Diese Fotodiode hat eine relativ große Chipfläche was der Empfindlichkeit zu Gute kommt. Natürlich muss das Glasfenster der Diode entfernt werden damit die Alphastrahlung den Diodenchip erreichen kann und die Diode muss mit dem Präparat in ein lichtdichtes Gehäuse gebaut werden. Nur bei völliger Dunkelheit kann man die durch die Alphastrahlung erzeugten Ladungen messen. Von Vorteil wäre es auch wenn dass Gehäuse evakuierbar ist da die Alphastrahlung schon durch Luft gebremst und gestreut wird.
Der erforderliche Vorverstärker sollte direkt an die Diode gebaut werden um das Einstreuen von Störungen zu vermeiden. Die Impulse nach dem Vorverstärker haben eine Amplitude von xxx mV und können direkt gezählt werden. Aber der Halbleiterzähler kann noch mehr.

Spektroskopie:

Wie schon erwähnt ist die größe des Impulse ein Maß für die Energie des absorbierten Teilchens. Die Alphateilchen der verschiedenen radioaktiven Elemente haben bestimmte Enegiewerte. So kann durch Messen der Energie das strahlende Element bestimmt werden. Die Impulshöhe wird am Besten mit einem Vielkanalanalysator (Multichannalanalyzer, MCA) gemessen. Hier wird die Impulshöhe mit einem AD-Wandler gemessen. Dieser Messwert wird zur Adressierung eines Speichers vewendet und der Wert in der angesprochenen Speicherstelle um Eins erhöht.

Nach dem Ablauf einer einstellbaren Messzeit wird der Speicher ausgelesen und das Impulshöhen-Histogramm als Spektrum angezeigt.
Für den Elektroniker ist das Hauptproblem beim Bau eines MCA's die Messung der Impulshöhe. Ein Weg ist die Verwendung einer Sample/Hold-Schaltung die den Impulswert speichert und dem AD-Wandler das gespeicherte Signal zur Verfügung stellt.
Der Verfasser baute für sein >>Universal Mess System<< eine entsprechende Platine mit Verstärker, Trigger und Sample/Hold-Schaltung. Die weitere Verarbeitung übernimmt dann der Atmel Mega 32 Prozessor des Messystems und der angeschlossene PC.
Auf der Platine ist auch noch genügend Platz für weitere Schaltungen, wie z.B. eine Koinzidenzschaltung und Zähleinrichtung für Geiger-Müller-Zählrohre und den unten besprochenen Testgenerator

Messungen:

Mit einer kleinen Generatorschaltung kann der Multichannelanalyzer getestet werden. Der Generator erzeugt Impulse die die gleiche Länge wie die Impulse des Halbleiterzählers haben aber eine konstante Höhe aufweisen. Somit müßte das Spektrum eine einzige Linie aufweisen. In Wirklichkeit zeigt das Spektrum eine Linie mit einem Sockel der wohl vom Rauschen des Verstärkers und dem AD-Wandler herrührt.

Für die Messungen mit der modifizierten Fotodiode eignen sich nur Alphastrahler und folgende Quellen standen zur Verfügung
		Alpha-Energie	Aktivität	Messzeit für 10000 Impulse
1	Po 210	5,307 MeV	sehr stark, ~100µC	00:00:41	Polonium ( Ionisationsvorrichtung, Static Master)
2	Am 241	5,486 MeV	stark, ~ 1 µC	00:02:44	Amercium (Rauchmelder)
3	Ra 226	4,871 MeV	mittel	03:32:29	Radium (alte Leuchtziffer aus Wecker)
4	Th 232	4,083 MeV	schwach	07:25:15	Thorium (Glühstrumpf)

In einer ersten Messung wurde der Einfluß des Druck in der Messkammer untersucht. Obwohl der Abstand des Präperats zur Chip-Oberfläche nur wenige Milimeter beträgt ist ein deutlicher Unterschied zu erkennen. Durch den bremsenden Einfluss der Luft wird die Linie um 18% auf tiefere Werte verschoben. Zudem wird die Linie etwas verbreitert, d.h. die Auflösung verschlechtert. Aber auch bei niedrigem Druck kann nicht die wahre Energie der Alpha-Teilchen gemessen werden. Zum einen müssen die Teilchen die Deckschicht der Fotodiode durchdringen und zum Anderen sind die radioaktiven Sustanzen meist in ein Trägermaterial eingebracht und liegen nicht an der Oberfläche. So verlassen die Teilchen das Präparat schon mit niedigeren Energien. Es fällt auf das die Linien auf der niederenergetischen Seite einen flacheren Verlauf zeigen, da die Teilchen durch Stöße Energie verlieren und deshalb eine größere Energiebreite haben. Teilchen mit höherer als der Ausgangsenergie kommen dagegen nicht vor.

Einfach sind die Spektren von Polonium und Americium die je eine Linie zeigen.	Schwieriger zu deuten sind die Spektren von Radium und Thorium da beide Elemente nur Zwischenglieder von Zerfallsreihen sind und deshalb je nach Alter des Präparats unterschiedliche Isotope und Elemente enthalten sind.