Gracias por visitar naturaleza.com.Está utilizando una versión del navegador con soporte limitado para CSS.Para obtener la mejor experiencia, le recomendamos utilizar un navegador más actualizado (o desactivar el modo de compatibilidad en Internet Explorer).Mientras tanto, para garantizar un soporte continuo, mostramos el sitio sin estilos ni JavaScript.
Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12525 (2023) Citar este artículo Máquina de equipaje de rayos X
Los detectores de radiación nuclear son indispensables para la investigación en el campo de la radiación nuclear, la espectroscopia de rayos X y otras áreas.El interés por los detectores de radiación nuclear de silicio p–i–n está aumentando hoy en día debido a la posibilidad de su funcionamiento en condiciones normales.En este artículo se propone un circuito equivalente de un detector de radiación nuclear de silicio-litio p-i-n.El circuito propuesto se obtiene utilizando la ecuación clásica de Shockley para semiconductores de silicio y las ecuaciones telegráficas.Los parámetros del circuito equivalente se determinaron mediante el método de regresión múltiple.Como resultado de la simulación del modelo en el entorno de desarrollo gráfico MATLAB Simulink, se obtuvieron las características amplitud-frecuencia y fase-frecuencia del modelo propuesto.Usando el método de Monte Carlo, la desintegración alfa del isótopo de uranio \({}_{92}{}^{233}\mathrm{U}\) , isótopo de torio \({}_{90}{}^{ 227}\mathrm{Th}\) y el isótopo de americio \({}_{95}{}^{241}\mathrm{Am}\) se obtuvo el espectro de desintegración alfa.Los espectros de desintegración alfa obtenidos coinciden con los datos experimentales presentados en trabajos anteriores de otros autores.
Los detectores semiconductores estructurados p–i–n se utilizan en muchos campos de la investigación como instrumentos de precisión1, especialmente en experimentos de física de alta energía2.La aparición de detectores con un área de detección mayor generó un gran interés en ellos porque mejoraron significativamente la eficiencia de los detectores y permitieron registrar partículas cargadas débilmente intensas3.Sin embargo, hoy en día, a pesar de que los procesos físicos en los diodos p–i–n y sus características han sido bien estudiados, los científicos todavía están trabajando en el desarrollo de detectores semiconductores de gran tamaño basados en estructuras p–i–n4,5,6.Los detectores de Si(Li) de gran tamaño se utilizan en imágenes médicas, astrofísica de alta energía, polarimetría Compton y monitoreo de desechos nucleares7. Los principales problemas para mejorar los detectores p–i–n de grandes tamaños están relacionados con su tecnología de desarrollo8,9 y el desarrollo de electrónica de lectura óptima para estos detectores10,11.En 12, 13 autores mostraron la aplicación de diodos p – i – n de silicio para espectroscopia.Se presentó el circuito equivalente del diodo ap-i-n y se investigó el ruido de preamplificación.
Dementyev et al.14 en su trabajo estudiaron ampliamente la electrónica de lectura de los detectores p–i–n.En su trabajo, los autores aportaron evidencia valiosa sobre los pros y los contras de los diodos p–i–n como detectores de rayos X.Como ventaja de los detectores p–i–n destacan las siguientes características: resistencia al campo magnético;tamaño compacto;bajo voltaje de funcionamiento;Estabilidad inherente y largo tiempo de reposo.Como desventajas de los detectores p–i–n, los autores mencionaron las siguientes características: las resoluciones de energía de dominio de los detectores p–i–n son de baja energía, por lo tanto necesitan un sistema de preamplificador de alta ganancia, resolución de temporización relativamente pobre y problemas relacionados con la aceptación de altas tasa de conteo.Algunos grupos de autores resolvieron varios de estos problemas; por ejemplo, Muminov et al.15,16 propusieron una tecnología única para la fabricación de detectores p-i-n de Si(Li) de gran tamaño con ayuda de detectores de doble cara. difusión y deriva de iones Li en silicio monocristalino.Al aplicar esta tecnología, los autores pudieron obtener detectores de Si (Li) p – i – n de gran tamaño, donde pudieron aumentar la velocidad de conteo del detector debido a su tamaño y aumentaron su eficiencia debido a la distribución uniforme de los iones Li en el i. - región.La tecnología más utilizada para aumentar la tasa de conteo y la resolución de los detectores es utilizar varias tecnologías de enfriamiento17,18 durante el funcionamiento del detector.Para lograr una tasa de conteo de alta velocidad, Gontard et al.19 diseñaron un circuito de gran ancho de banda a expensas del ruido electrónico y utilizaron un prototipo del circuito electrónico conectado a un detector, con el objetivo de detectar eventos de un solo electrón de 200 keV.
Elshennawy y Sunil20 en su trabajo reciente describieron la arquitectura y el dispositivo de los detectores de diodos p–i–n para radiación gamma.En su trabajo utilizan un modelo de diodo simple para simular señales de rayos gamma.Dividieron la matriz de diodos p – i – n en grupos, donde cada grupo tenía diez diodos p – i – n.Estos grupos se utilizaron para crear el área sensible del detector.Como resultado de su trabajo, los autores demuestran que su diodo tenía una muy buena capacidad de discriminación; para una energía de partícula de 20 keV, el valor diferencial dinámico del diodo era de hasta 12 mV.Los autores en21,22 demostraron la evaluación de las propiedades dieléctricas de los semiconductores.In23 autores consideraron cambios en las propiedades dieléctricas de los semiconductores después de altas dosis de irradiación gamma.
Los artículos anteriores muestran un gran interés en este tema y una gran cantidad de estudios están dedicados a los detectores de Si (Li) p – i – n del rango de rayos gamma y X.Aunque el interés científico en esta área es bastante grande9,24, su cantidad no es suficiente para cumplir con propósitos prácticos.
Una de las características más importantes de cualquier dispositivo eléctrico es su circuito equivalente preciso.Se han desarrollado varios modelos equivalentes para fotodiodos p – i – n, cercanos a los detectores de Si (Li) p – i – n, que permiten predecir el comportamiento de un dispositivo semiconductor en diferentes condiciones25,26,27.En los trabajos se propuso el circuito equivalente de un detector de semiconductores28,29.En estos trabajos se propone un método de separación de cargas para determinar las coordenadas del impacto de una partícula cargada.En el trabajo30 modelado del detector p–i–n de radiación nuclear en el entorno de desarrollo SILVACON.Se realizó una simulación de la fabricación de la estructura ap–i–n y se realizó una simulación del funcionamiento del detector.La simulación se basa en la clásica ecuación de Shockley para un diodo ideal.En el trabajo 31 se desarrolló un circuito equivalente de estructura p – i – n con polarización inversa.En este trabajo se aplica la ecuación de continuidad de Poisson para determinar la concentración de portadores de carga.El artículo también presenta un circuito equivalente de estructura ap–i–n en forma de una cadena RC de n eslabones y un estudio de la dependencia de la resistencia y la capacitancia de la magnitud del voltaje inverso.Los autores del trabajo32 revisaron la aplicación de diodos p–i–n para la detección de rayos gamma y X.En este artículo, se presta atención principal al esquema de recolección de carga y preamplificación de la señal del detector.
En nuestros artículos recientes15,33, propusimos un nuevo método para obtener detectores de Si (Li) p – i – n de gran tamaño e investigamos los procesos físicos durante la formación de la región i.Para explicar en profundidad los procesos del detector recién obtenido aquí, en el trabajo actual propusimos modelar y diseñar un procedimiento de formación de señales en estos detectores utilizando la ecuación clásica de Shockley para semiconductores de silicio y un sistema de ecuaciones telegráficas.Este artículo muestra el uso del método de regresión múltiple para determinar los valores de los elementos del circuito equivalente utilizando la ecuación del telégrafo.Se simuló el modelo resultante y se obtuvieron los espectros de partículas alfa durante la desintegración de algunos isótopos.
Al diseñar la electrónica de lectura automática de detectores, es necesario tener en cuenta el comportamiento del sistema en diversas condiciones de funcionamiento.Para ello, en este artículo se muestra la simulación de detectores p–i–n de radiación nuclear mediante el método de sustitución equivalente.El detector de radiación nuclear de silicio-litio es un semiconductor con estructura ap-i-n.Los trabajos34,35,36 muestran circuitos equivalentes de diodos p – i – n, que son la base de nuestra investigación.En 33 mostramos la distribución de iones de litio en un cristal de silicio bajo la acción de un campo eléctrico homogéneo durante la creación del detector.Aquí nuestra tarea es simular la respuesta de la estructura p – i – n a la excitación externa utilizando una transformación equivalente.En este artículo, el proceso de modelado se puede dividir en tres etapas: modelar la corriente inversa a través de un detector semiconductor en el momento de la detección de radiación, determinar los parámetros de un circuito equivalente basado en una ecuación telegráfica y simular el funcionamiento de un circuito equivalente. .La primera etapa consiste en una representación aproximada del detector en forma de diodo ideal en condiciones de polarización inversa.Luego, dicho diodo se describe mediante la ecuación de Shockley, y la generación de portadores de carga se describe mediante la ecuación de continuidad, teniendo en cuenta la recombinación y la ionización.En la segunda etapa, la función encontrada se equiparará a la ecuación diferencial parcial del telégrafo clásico para la corriente.En la tercera etapa se realizará una simulación del circuito equivalente resultante.
Los detectores semiconductores de silicio Si(Li) se utilizan para obtener espectros de radiación alfa, beta y gamma.Consideremos un modelo de diodo semiconductor con diferente conductividad de las regiones p, n e i.Cuando un dispositivo semiconductor se conecta con polarización inversa, se produce una corriente inversa en él, como se muestra en la Fig. 1.
Circuito eléctrico del detector p–i–n.
La figura 1 muestra el circuito eléctrico de un detector de radiación nuclear semiconductor en modo operativo.El voltaje V se desplaza en la dirección opuesta para expandir el área sensible.El voltaje incidente en el detector con polarización inversa se puede calcular a partir de la expresión (1).La corriente inversa se obtiene de la ley de Ohm en forma diferencial (2).La corriente es creada por portadores de carga minoritarios en las regiones p, n e i.
donde \({q}_{e}\) —carga elemental, \(x\) —coordenada posicional,\(t\) – tiempo \(, {n}_{p}\left(x\right)\ ) —la concentración de electrones en la región p, \({p}_{n}\left(x\right)\) - la concentración de huecos en la región n, \({n}_{i}\left (x\right)\) —la concentración intrínseca de portadores de carga en la i-\(región, {v}_{n}\) , \({v}_{p}\) , \({v}_ {i}\) —velocidades de difusión de electrones, huecos n, p e regiones i.La velocidad de los portadores de carga en las áreas correspondientes \({v}_{n}=\frac{{L}_{n}}{{\tau }_{n}}\) , \({v}_{ p}=\frac{{L}_{p}}{{\tau }_{p}}\) , \({v}_{i}=\frac{{L}_{i}}{{ \tau }_{i}}\) , donde \(L_{n} , L_{p} , L_{i}\) —longitud de difusión de los portadores de carga en la región correspondiente, la longitud de difusión para la región correspondiente está definida como \(L=\) \(\sqrt{D\tau }\) , \({\tau }_{n}\) , \({\tau }_{p}\) , \({\tau }_{i}\) —vida útil de los portadores de carga en la región correspondiente.La distribución de la concentración de portadores de carga en la región i obedece a una ley exponencial y puede expresarse mediante la siguiente expresión (10)28,29.
donde \({\mathrm{n}}_{\mathrm{i}0}\) —la concentración de portadores de carga en la región i después de la deriva, \({\mathrm{W}}_{\mathrm{i }}\) —espesor de la i—región.Apliquemos la fórmula de Shockley para la ecuación.(2).Para hacer esto, dividimos la ecuación de Shockley por el área de la sección transversal del detector y aplicamos la definición de densidad de corriente (4).
donde \(k\) —constante de Boltzmann, \(T\) —temperatura absoluta.Esta densidad de corriente se establecerá antes de la detección de partículas de desintegración radiactiva.En el momento de la detección, se produce un salto brusco de corriente durante un breve período de tiempo.Dado que el área sensible del detector es la región i, los pares electrón-hueco se generan en el momento de la detección.Anotamos la ecuación de continuidad de Poisson para electrones y huecos en el momento de la detección, despreciando la recombinación (5, 6).
donde \(v = \mu {E}_{f}\) velocidad de deriva de los portadores de carga, \(\mu\) -movilidad de las cargas correspondientes, \({E}_{f}\) -campo eléctrico.La solución de estas ecuaciones diferenciales parciales serán las siguientes soluciones generales:
donde \({C}_{1}, {C}_{2}\) – constantes de integración.La función de generación se puede expresar en términos de la energía de una partícula radiactiva y la energía requerida para generar un par electrón-hueco de la siguiente manera (8):
donde E – la energía de una partícula radiactiva, ε – la energía requerida para crear un par electrón-hueco, \(\varepsilon =\frac{14}{5}{E}_{g}+{\varphi E}_ {R}\) ,34,35.Por ejemplo: banda prohibida de material semiconductor, φER: pérdidas de fonones ópticos, V0 = Sx: unidad de volumen en la que se generaron los pares electrón-hueco, \(\delta (t)\) —Función delta de Dirac, R(x): recombinación función.La función de generación tiene unidades de concentración.La carga perdida por recombinación se puede expresar de la siguiente manera.
donde q0—carga de los electrones generados cuando cae una partícula nuclear, \(\lambda = \frac{{t}_{tr}}{\tau }\) 37—pérdida de carga relativa, ttr—tiempo de trayectoria del plasma, τ— vida útil de los portadores de carga.Durante la trayectoria del plasma, la alta densidad de partículas cargadas protege un campo eléctrico externo.Cuando finaliza el intervalo de tiempo de la pista de plasma, todos los portadores de carga se dispersan en la región i.Del valor de carga se puede derivar el número de partículas cargadas y su concentración, que depende de la energía de la partícula nuclear y del material del detector.La función de recombinación R(x), que también tiene unidades de concentración, se puede expresar teniendo en cuenta la ecuación.(9) de la siguiente manera (10):
donde V0 – es el volumen inicial donde en el momento de la generación todos los pares de huecos de electrones ubicados antes de la recombinación, \({V}_{0}=\pi {{r}_{tr}}^{2}{l}_{ tr}\) 36, \({r}_{tr}\) —radio de la pista, \({l}_{tr}\) —longitud de la pista de la partícula α en el detector, S(x)—función de cilindro de base abocinado, coordenada x.
Consideramos que las condiciones iniciales son \(x=d\), donde d son coordenadas de la región i donde se generó el par de huecos de electrones y t = 0. Entonces, la concentración inicial en el momento de la detección de partículas:
De aquí, integrando (8) y sustituyendo las condiciones iniciales (11) en el sistema (7), obtenemos:
Y finalmente, para la concentración de portadores de carga en la i-región, obtenemos:
Entonces, la corriente total a través del detector consiste en la corriente que fluye a través de él antes de la detección y la corriente a través del detector en el momento de la detección (14).
\({n}_{p}\) = \({p}_{n}\) = \({n}_{i0}\)
\({\tau }_{n}\) = \({\tau }_{p}\) = \({\tau }_{i}\)
\(S=\pi {r}^{2}\), r = 55 mm
La Figura 2 muestra la dependencia de la corriente que fluye a través de un detector semiconductor con diferentes energías de partículas α.La Figura 3 muestra la dependencia de la corriente que fluye a través de un detector semiconductor a diferentes energías de partículas α con respecto al espesor del detector.
Dependencia de la corriente de la energía de las partículas radiactivas.
Dependencia de la densidad de corriente de la energía de las partículas radiactivas y del espesor del detector.
La resolución del detector FWHM (ancho total de la distribución a la mitad de su altura máxima) está determinada por el factor de Fano, que es la relación entre la desviación estándar de los pares electrón-hueco creados y el valor promedio de los pares electrón-hueco (15)38 .
donde F: factor de Fano, N: número de pares electrón-hueco generados, \(\overline{\mathrm{N} }\): número promedio de pares electrón-hueco generados.Los cálculos teóricos del factor de Fano se dan en los trabajos39,40,41.Para el factor de silicio Fano se puede calcular utilizando la siguiente ecuación.(16)40 :
En las obras42,43 el factor de Fano es igual a 0,117-0,118.En el trabajo44 se muestra que el factor Fano está disminuyendo 5 veces de 0,5 a 0,1 durante los últimos 40 años.
FWHM se determina a partir de la ecuación.(17):38
Para simular detectores p–i–n de radiación nuclear en diversas condiciones, se obtuvo un circuito eléctrico equivalente, que se basa en los resultados de la simulación obtenidos anteriormente utilizando el modelo de Shockley.Imaginemos el detector p–i–n como una red de dos puertos, como se muestra en la Fig. 4.
Circuito equivalente del detector p – i – n.
Hagamos un sistema de ecuaciones telegráficas para este circuito (18).
donde u—el voltaje en el detector en el momento de la caída de la partícula cargada, i—la corriente en el momento de la caída de la partícula cargada, R—la resistencia del detector, L—la inductancia equivalente, C— la capacitancia del detector, G: la conductividad.Dado que en la Ec.(12) obtuvimos la corriente, luego en el futuro del sistema (18) usaremos la segunda ecuación.Llevamos la segunda ecuación del sistema (18) a la forma (19).
donde \(\mathrm{a}=\frac{1}{GR}\) , \(b=\frac{LC}{GR}\) , \(c=\frac{RC+GL}{GR}\ ) , \(X=\frac{{\partial }^{2}i}{\partial {x}^{2}}\) , \(Y=\frac{{\partial }^{2}i} {\partial {t}^{2}}\) , \(Z=\frac{\partial i}{\partial t}\) , d: una constante arbitraria.
La parte izquierda de la ecuación.(14) se describe mediante la ecuación.(12) y se puede calcular para varios parámetros de esta ecuación.En la parte derecha hay derivadas parciales de segundo orden de la corriente en la coordenada posicional y en el tiempo, así como una derivada parcial de primer orden en el tiempo.En consecuencia, al tener los valores de la corriente dependiendo del tiempo y de la coordenada posicional, se pueden obtener numéricamente derivadas parciales de primer y segundo orden con respecto a las variables correspondientes.La Figura 5 muestra las derivadas parciales de primer (5a) y segundo orden (5b) en el tiempo, así como la de segundo orden en la coordenada posicional para la energía de la partícula α de 4 MeV y 7 MeV.
(a) Derivadas parciales de primer orden de la corriente en el tiempo, (b) Derivadas parciales de segundo orden de la corriente en el tiempo y en coordenadas.
La tarea de determinar variables arbitrarias a, b, cyd se puede determinar mediante el método de regresión múltiple.Al mismo tiempo, el coeficiente de determinación R2 de la regresión múltiple es 0,98124.Sustituyendo los coeficientes obtenidos del modelo obtenemos la expresión (20).
Para volver a las variables reemplazadas y encontrar los parámetros del circuito equivalente, resolvemos el siguiente sistema (21), que se deriva de la sustitución de variables por (19).
El sistema consta de tres ecuaciones, pero contiene cuatro variables.La capacitancia de la estructura p – i – n como se muestra en 28 tiene un orden de decenas de pF y depende del voltaje polarizado inversamente.Entonces los valores de R, L, G dependerán de la capacidad.Resolviendo el sistema de ecuaciones obtenemos R, L, G para diferentes capacitancias del detector.La Figura 6 muestra las dependencias de los parámetros R, L, G respectivamente del circuito equivalente en la capacitancia del diodo p – i – n.
Parámetros del circuito detector p – i – n equivalente.
El circuito equivalente resultante de un detector semiconductor p-i-n de radiación nuclear es útil para modelar la respuesta del detector a influencias externas en la construcción de la electrónica de lectura.
La Figura 7 muestra un circuito detector equivalente realizado en MATLAB Simulink.La Figura 8 muestra los resultados del modelado de la respuesta de frecuencia de un circuito equivalente.Como puede verse en el gráfico, en el rango de alta frecuencia, hasta varias decenas de gigahercios, la reacción es una función lineal.Al mismo tiempo se observa en este rango un desfase de -90°.
Modelado de la respuesta en frecuencia mediante MATLAB Simulink.
Respuesta en frecuencia del circuito equivalente.
En el circuito equivalente resultante, es necesario agregar electrónica de lectura para simular la respuesta del detector en el momento de la detección de partículas.La Figura 9 muestra el circuito equivalente de la electrónica del detector y lectura, realizado en MATLAB Simulink.La fuente de las señales es un bloque de pulsos rectangulares, seguido de un bloque de una derivada de primer orden para crear una función de Dirac.A continuación, la señal pasa por el circuito detector equivalente y la unidad electrónica de lectura, que es un circuito integrador y un amplificador.Es necesario un circuito integrador para obtener la función de carga como integral de la corriente y el voltaje como función de la carga.Por tanto, la amplitud del voltaje es proporcional a la energía de las partículas y el número de partículas es igual al número de pulsos detectados por el circuito.El número de partículas se determina mediante el bloque contador de impulsos.
Circuito equivalente del detector y electrónica de lectura.
Para simular el funcionamiento del detector, utilizamos la distribución de energía de las partículas durante la desintegración alfa del isótopo de uranio \({}_{92}{}^{233}\mathrm{U}\) , isótopo de torio \({}_ {90}{}^{227}\mathrm{Th}\) y el isótopo de americio \({}_{95}{}^{241}\mathrm{Am}\).Para aplicar el método de Monte Carlo, presentamos la función de distribución de energía como una función escalonada, sumando las probabilidades de cada evento de forma secuencial.Generaremos números aleatorios del 0 al 1 y determinaremos a qué intervalo de probabilidad pertenece este número aleatorio.Una vez determinado el intervalo de probabilidad, determinamos el nivel de energía correspondiente y, en consecuencia, la amplitud del generador de señal en el circuito equivalente.
Realizando esta operación unas 107 veces y contando el número de números aleatorios que cayeron en un intervalo de probabilidad particular, trazaremos la dependencia del número de partículas de la energía de las partículas.La Figura 10 muestra los espectros de desintegración alfa de a) isótopo de uranio \({}_{92}{}^{233}\mathrm{U}\) b) isótopo de torio \({}_{90}{}^{227 }\mathrm{Th}\) y c) isótopo de americio \({}_{95}{}^{241}\mathrm{Am}\) .El espectro de desintegración alfa del isótopo de uranio \({}_{92}{}^{233}\mathrm{U}\) tiene un pico con una energía de 4,824 MeV con FWHM de 8 keV, otros picos están en 4,783 MeV y 4,729 MeV.Como puede verse en el espectro de desintegración alfa del torio, las partículas con una energía de aproximadamente 5,98 MeV tienen la mayor contribución con FWHM = 9 keV, se observa otro pico en la región de energía de 5,76 MeV.El espectro de desintegración alfa del americio \({}_{95}{}^{241}\mathrm{Am}\) tiene tres picos con energías de 5,486 MeV, 5,443 MeV y 5,389 MeV con FWHM = 6 keV.
Espectros de desintegración alfa de (a) isótopo de uranio \({}_{92}{}^{233}\mathrm{U}\) (b) isótopo de torio \({}_{90}{}^{227} \mathrm{Th}\) y (c) el isótopo de americio \({}_{95}{}^{241}\mathrm{Am}\).
En la obra28,29 generación de corriente totalmente determinada por ecuación telegráfica.La solución analítica presentada de las ecuaciones diferenciales obtenidas permite juzgar sobre la carga acumulada, sin embargo, no se tienen en cuenta los procesos de recombinación e ionización y las propiedades físicas de la estructura del semiconductor, que es uno de los problemas más importantes de nuestro trabajo.Quedó reflejado en las Ecs.(1)–(4) y (8)–(10).Los resultados de la simulación del detector en el trabajo30, en particular, la intensidad de corriente del orden de microamperios es consistente con los resultados obtenidos en nuestro modelo en la Fig. 3. En este caso, el valor de la corriente lineal depende de la energía de la partícula cargada, como se muestra en la Fig. 2.
Los resultados de la simulación del modelo obtenido utilizando el método de Monte Carlo muestran resultados satisfactorios.Los espectros de desintegración alfa obtenidos coinciden con los datos experimentales mostrados en 45,46,47.Los cálculos teóricos de FWHM están estrechamente relacionados con el cálculo del factor Fano.Ecuación (16) obtenida en el trabajo40.En el trabajo48 el factor de Fano obtenido para el silicio es igual a 0,07.En nuestro modelo, el factor de Fano, calculado utilizando la ecuación.(16) es igual a 0,0895.
En nuestros trabajos anteriores5,15 la capacidad de los detectores desarrollados es del orden de decenas de pF, la resistencia de los detectores es del orden de decenas de kΩ.Diámetro del detector 110 mm, espesor 8–10 mm.En este trabajo, los valores de conductividad G se calcularon teniendo en cuenta la aproximación mediante regresión múltiple, como se muestra en la Fig. 6, y tienen valores del orden de 10–15 Sm, entonces la resistencia de la región i es del orden de 1015 Ω.La resistencia en serie R y la inductancia L también son del orden superior de 1011. Esto puede deberse al uso de la ecuación del telégrafo para describir el flujo de corriente eléctrica.La rápida caída de la señal que se observa cuando se utiliza la ecuación de Shockley da como resultado una rápida caída de voltaje.La rápida disminución de la corriente, a su vez, conduce a una alta resistencia, que es lo que estamos viendo.
Como resultado del trabajo, se obtuvo un circuito equivalente del detector de radiación nuclear ap–i–n.El modelo se basa en la ecuación del diodo de Shockley para un semiconductor, sin tener en cuenta los efectos asociados con la interacción de la red cristalina de la estructura p–i–n, los efectos de los iones de litio en la región i sobre la generación y movimiento de portadores de carga.Este enfoque permite simplificar el modelo de linealización y la posibilidad de utilizar el método de regresión múltiple para obtener un circuito detector equivalente identificando tendencias generales en cambios en cantidades físicas y sin detallar los efectos que ocurren en los nodos de la red cristalina del semiconductor.Usando datos experimentales sobre la distribución de energía de las partículas durante la desintegración alfa del isótopo de uranio \({}_{92}{}^{233}\mathrm{U}\) , isótopo de torio \({}_{90}{} ^{227}\mathrm{Th}\) y el isótopo de americio \({}_{95}{}^{241}\mathrm{Am}\) el espectro de desintegración alfa se obtuvo utilizando el método de Monte Carlo en relación con el circuito equivalente propuesto.Los espectros de desintegración alfa obtenidos coinciden con los datos experimentales presentados en trabajos anteriores de otros autores.
Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.
Ramírez‐Jiménez, FJ, Mondragón‐Contreras, L., & Cruz‐Estrada, P. Aplicación de diodos PIN en la investigación en física.En Actas de la conferencia AIP, vol.857, No. 2 (Instituto Americano de Física, 2006).
Loupilov, A., Sokolov, A. y Gostilo, V. Detectores enfriados por Peltier de rayos X para análisis de fluorescencia de rayos X.Radiación.Física.Química.61(3–6), 463–464 (2001).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Bosco, GL Desarrollo y aplicación de espectrómetros de fluorescencia de rayos X portátiles.Análisis de tendencias de TrAC.Química.45, 121-134 (2013).
Artículo CAS Google Scholar
Pérez, K. et al.Fabricación de prototipos de detectores de Si (Li) de gran superficie y bajo coste para el experimento GAPS.Núcleo.Instrumento.Métodos Phys.Res.Secta.Una aceleración.Espectro.Detectar.Asociación.Equipar.905, 12-21 (2018).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Muminov, RA, Radzhapov, SA & Saimbetov, AK Desarrollo de detectores de radiación nuclear de Si (Li) mediante tratamiento con campo eléctrico pulsado.Tecnología.Física.Letón.35, 768–769 (2009).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Muminov, RA, Saymbetov, AK y Toshmurodov, YK Características especiales de la formación de detectores de semiconductores de alto rendimiento basados en heteroestructuras αSi-Si (Li).Instrumento.Exp.Tecnología.56, 32-33 (2013).
Artículo CAS Google Scholar
Protic, D. et al.Detectores de tiras ortogonales de Si (Li) de gran volumen para instrumentos basados en el efecto Compton.Traducción IEEE.Núcleo.Ciencia.52(6), 3181–3185 (2005).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Muminov, RA, Radzhapov, SA y Saimbetov, AK Detector telescópico de silicio-litio en un cristal.En.Energía 106(2), 141 (2009).
Artículo CAS Google Scholar
Rogers, F. y col.Detectores de Si (Li) de gran superficie para espectrometría de rayos X y seguimiento de partículas en el experimento GAPS.J. Instrumento.14(10), P10009 (2019).
Artículo CAS Google Scholar
Gao, W. y col.Diseño y caracterización de un ASIC de lectura frontal de bajo ruido en tecnología CMOS de 0,18 μm para detectores CZT/Si–PIN.Traducción IEEE.Núcleo.Ciencia.65(5), 1203–1211 (2018).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Qian, Yi.et al.Desarrollo de electrónica de lectura frontal para detectores de tiras de silicio.Mentón.Física.C 37(1), 016101 (2013).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Gramsch, E. et al.Fotodetectores PIN de silicio en espectroscopia nuclear de alta resolución.Núcleo.Instrumento.Métodos Phys.Res.Secta.A 311(3), 529–538 (1992).
ADS del artículo Google Scholar
Fann, S.-S., Jiang, Y.-L.y Hwang, H.-L.Principios operativos y rendimiento de un novedoso detector de rayos X basado en pines A-Si:H para aplicaciones de imágenes médicas.Traducción IEEE.Dispositivos electrónicos 50 (2), 341–346 (2003).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Dementyev, DV et al.Detector de fotones CsI (Tl) con lectura de fotodiodo PIN para un experimento de violación T de Kμ3.Núcleo.Instrumento.Métodos Phys.Res.Secta.A 440(1), 151-171 (2000).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Muminov, RA y cols.Difusión y deriva de iones de litio por ambos lados en una estructura de detector de silicio de gran volumen.J. Semisegundo.Tecnología.Ciencia.17(5), 591–596 (2017).
Artículo de Google Scholar
Muminov, RA y cols.Características físicas de la difusión bilateral de litio en silicio para detectores de gran tamaño.J. Nano electrón.Física.11(2), 02031–1 (2019).
Artículo de Google Scholar
Murty, VRK & Devan, KRS Sobre la idoneidad de los detectores de Si-PIN refrigerados por Peltier en experimentos de transmisión.Radiación.Física.Química.61(3–6), 495–496 (2001).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Cesareo, R., Gigante, GE & Castellano, A. Detectores semiconductores enfriados termoeléctricamente para análisis no destructivos de obras de arte mediante fluorescencia de rayos X de energía dispersiva.Núcleo.Instrumento.Métodos Phys.Res.Secta.Una aceleración.Espectro.Detectar.Asociación.Equipar.428(1), 171–181 (1999).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Gontard, LC y cols.Detección de eventos de un solo electrón en TEM utilizando electrónica de bajo costo y un sensor de tira de silicio.Microscopía 63(2), 119–130 (2014).
Artículo CAS PubMed Google Scholar
Elshennawy, A., Marianno, CM y Khatri, SP, Arquitectura y simulación de dispositivo 3D de un detector de radiación gamma basado en diodo PIN.En Actas de la 23ª Conferencia Internacional ACM sobre el Simposio de los Grandes Lagos sobre VLSI (2013).
Akay, D., Gökmen, U. y Ocak, SB Una evaluación de las cualidades dieléctricas mediante el uso de la dependencia de la frecuencia en semiconductores de polímeros orgánicos basados en anillos de superbenceno.Madre.Química.Física.245, 122708 (2020).
Artículo CAS Google Scholar
Akay, D., Gokmen, U. y Ocak, SB Influencia de la radiación ionizante en semiconductores de polímeros metálicos a base de rubreno: información directa de las propiedades eléctricas intrínsecas.JOM 72(6), 2391–2397 (2020).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Akay, D., Gokmen, U. y Ocak, SB Cambios inducidos por la radiación en la nanoestructura compuesta de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) / óxido de plomo (PbO).Física.scr.94(11), 115302 (2019).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Kozai, M. y col.Desarrollar un modelo de producción en masa de detectores de Si (Li) de gran superficie con altas temperaturas de funcionamiento.Núcleo.Instrumento.Métodos Phys.Res.Secta.A 947, 162695 (2019).
Artículo CAS Google Scholar
Steinbach, AH y cols.Modelado de circuito equivalente de fotodiodos pin para receptores de 40 Gb/s.En la 15ª Reunión Anual de la Sociedad de Láseres y Electroóptica del IEEE, vol.2 (IEEE, 2002).
Wang, G. y col.Un modelo de circuito equivalente con retardo de tiempo de fotodiodos de clavijas ultrarrápidos.Traducción IEEE.Microondas.Teoría Tecnológica.51(4), 1227–1233 (2003).
ADS del artículo Google Scholar
Malyshev, SA & Chizh, AL Fotodiodos PIN para control óptico de circuitos de microondas.IEEE J. Sel.Arriba.Electrón cuántico.10(4), 679–685 (2004).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Kalbitzer, S. & Melzer, W. Sobre el mecanismo de división de carga en detectores sensibles a la posición.Núcleo.Inst.Métodos 56(2), 301–304 (1967).
ADS del artículo Google Scholar
Laegsgaard, E. Detectores de semiconductores sensibles a la posición.Núcleo.Inst.Métodos 162(1–3), 93–111 (1979).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Shrivastava, S. y Rabinder, H. Simulación y análisis de procesos para detector de PIN.En 2009, Conferencia Internacional de Circuitos y Sistemas IEEE sobre Pruebas y Diagnóstico (IEEE, 2009).
Senhouse, LS Parámetros del circuito equivalente del diodo PIN con polarización inversa en frecuencias de microondas.Traducción IEEE.Dispositivos electrónicos 3, 314–322 (1966).
ADS del artículo Google Scholar
Ramírez‐Jiménez, FJ Detectores de diodos PIN.En: Actas de la conferencia AIP, vol.1026, N° 1 (Instituto Americano de Física, 2008).
Saymbetov, A. y col.Procesos físicos durante la formación de estructuras de pines de silicio-litio utilizando métodos de deriva y difusión de doble cara.Materiales 14(18), 5174 (2021).
Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Bryant, AT y cols.Procedimiento de extracción de parámetros de dos pasos con optimización formal para simuladores de circuitos basados en física IGBT y modelos de diodos pin.Traducción IEEE.Electron de potencia.21(2), 295–309 (2006).
ADS del artículo Google Scholar
Zhang, Ao.& Gao, J. Análisis completo del modelo de circuito equivalente lineal y no lineal para diodo GaAs-PIN.Traducción IEEE.Indiana electrón.69(11), 11541–11548 (2021).
Artículo de Google Scholar
Mili, S., Aguili, CL & Aguili, T. Estudio de estructuras en forma de fractales con diodos pin utilizando el método multiescala combinado con el modelado de circuito equivalente generalizado.Prog.Electromagn.Res.B 27, 213–233 (2011).
Artículo de Google Scholar
Miller, GL, Gidson, WM y Donovan, PF Detectores de partículas semiconductoras.Año.Rev. Nucl.Ciencia.12(1), 189–220 (1962).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Eberhardt, JE Fano factor en detectores de radiación semiconductores.Disentimiento.UNSW Sydney (1970).
Klein, CA Dependencia de banda prohibida y características relacionadas de las energías de ionización de radiación en semiconductores.J. Aplica.Física.39(4), 2029-2038 (1968).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Pell, deriva de iones EM en una unión np.J. Aplica.Física.31(2), 291–302 (1960).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Alkhazov, GD, Komar, AP & Vorob'ev, AA Fluctuaciones de ionización y resolución de cámaras de ionización y detectores de semiconductores.Núcleo.Instrumento.Métodos 48(1), 1-12 (1967).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Mazziotta, MN Energía de creación de pares electrones-huecos y dependencia de la temperatura del factor Fano en silicio.Núcleo.Instrumento.Métodos Phys.Res.Secta.A 584(2–3), 436–439 (2008).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Lowe, BG y Sareen, RA Una medición de la energía de creación del par electrón-hueco y el factor de Fano en silicio para rayos X de 5,9 keV y su dependencia de la temperatura en el rango de 80 a 270 K. Nucl.Instrumento.Métodos Phys.Res.Secta.A 576(2–3), 367–370 (2007).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Devanathan, R. y col.Variación de señal en detectores de rayos gamma: una revisión.Núcleo.Instrumento.Métodos Phys.Res.Secta.Una aceleración.Espectro.Detectar.Asociación.Equipar.565(2), 637–649 (2006).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Haas, R. y col.Caracterización espectrométrica alfa de fuentes delgadas de 233U para producción de 229(m)Th.Radiochim.Actas 108(12), 923–941 (2020).
Artículo CAS Google Scholar
Ishhanov, BS, Kapitonov, IM, Yudin, NP Particles and Atomic Nuclei, 672 (M.: LKI Publishing House, 2019).
Kandlakunta, P. & Cao, L. Rechazo o detección de rayos gamma con gadolinio como convertidor.Radiación.Prot.Dosim.151(3), 586–590 (2012).
Artículo CAS Google Scholar
Zulliger, HR & Aitken, DW Fano, hecho y falacia del factor.Traducción IEEE.Núcleo.Ciencia.17(3), 187–195 (1970).
Artículo ADS CAS Google Scholar
Esta investigación ha sido financiada por el Comité Científico del Ministerio de Ciencia y Educación Superior de la República de Kazajstán (Subvención No. AP09058014).
Universidad Nacional de Kazajstán Al-Farabi, Almaty, Kazajstán
Ahmet Saymbetov, Zhang Jing, Madiyar Nurgaliyev, Nursultan Japashov, Nurzhigit Kuttybay, Ainur Kapparova, Batyrbek Zholamanov, Sayat Orynbassar y Nursultan Koshkarbay
Instituto Técnico-Físico, Academia de Ciencias de Uzbekistán, Tashkent, Uzbekistán
Instituto de Ingenieros de Riego y Mecanización Agrícola de Tashkent, Tashkent, Uzbekistán
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.
RM, AS y NJ contribuyeron significativamente a la conceptualización e interpretación de los resultados.YT, MN y NK contribuyeron a modelar la respuesta de la estructura p – i – n a la radiación nuclear.ZJ, NK y BZ contribuyeron al diseño del circuito equivalente del detector de Si(Li).AK y SO contribuyeron al modelado del detector p – i – n utilizando el método Monte-Carlo.Todos los autores leyeron y aprobaron la versión final del manuscrito.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.
Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado a los autores originales y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios.Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material.Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor.Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
Saymbetov, A., Muminov, R., Jing, Z. et al.Circuito equivalente de un detector de radiación nuclear de silicio-litio p-i-n.Informe científico 13, 12525 (2023).https://doi.org/10.1038/s41598-023-39710-5
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39710-5
Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:
Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.
Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt
Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad.Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.
Informes científicos (Representante científico) ISSN 2045-2322 (en línea)
Disruptor de chorro de agua Suscríbase al boletín informativo Nature Briefing: lo que importa en ciencia, gratis en su bandeja de entrada todos los días.