Circuito equivalente di un silicio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12525 (2023) Citare questo articolo

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I rilevatori di radiazioni nucleari sono indispensabili per la ricerca nel campo delle radiazioni nucleari, della spettroscopia a raggi X e in altri settori. L'interesse per i rilevatori p-i-n di radiazioni nucleari al silicio sta aumentando oggi a causa della possibilità del loro funzionamento in condizioni normali. In questo articolo viene proposto un circuito equivalente di un rilevatore di radiazioni nucleari p-i-n al silicio-litio. Il circuito proposto è ottenuto utilizzando la classica equazione di Shockley per i semiconduttori al silicio e le equazioni del telegrafo. I parametri del circuito equivalente sono stati determinati utilizzando il metodo di regressione multipla. Come risultato della simulazione del modello nell'ambiente di sviluppo grafico MATLAB Simulink, sono state ottenute le caratteristiche di ampiezza-frequenza e fase-frequenza del modello proposto. Utilizzando il metodo Monte Carlo, il decadimento alfa dell'isotopo dell'uranio \({}_{92}{}^{233}\mathrm{U}\), isotopo del torio \({}_{90}{}^{ 227}\mathrm{Th}\) e l'isotopo dell'americio \({}_{95}{}^{241}\mathrm{Am}\) è stato ottenuto lo spettro del decadimento alfa. Gli spettri di decadimento alfa ottenuti coincidono con i dati sperimentali, presentati in lavori precedenti di altri autori.

I rivelatori a semiconduttore con struttura p–i–n sono utilizzati in molti campi di ricerca come strumenti di precisione1, soprattutto negli esperimenti di fisica delle alte energie2. La comparsa di rilevatori con un'area di rilevamento più ampia ha suscitato grande interesse perché hanno migliorato significativamente l'efficienza dei rilevatori e hanno reso possibile la registrazione di particelle cariche debolmente intense3. Tuttavia, oggi, nonostante il fatto che i processi fisici nei diodi p-i-n e le loro caratteristiche siano stati ben studiati, gli scienziati stanno ancora lavorando allo sviluppo di rilevatori a semiconduttore di grandi dimensioni basati su strutture p-i-n4,5,6. I rivelatori al Si(Li) di grandi dimensioni sono utilizzati nell'imaging medico, nell'astrofisica delle alte energie, nella polarimetria Compton, nel monitoraggio delle scorie nucleari7. I principali problemi nel miglioramento dei rivelatori p–i–n di grandi dimensioni sono legati alla tecnologia di sviluppo8,9 e allo sviluppo di elettronica di lettura ottimale per questi rilevatori10,11. In 12,13 autori hanno mostrato l'applicazione dei diodi p-i-n al silicio per la spettroscopia. È stato presentato il circuito equivalente del diodo ap-i-n ed è stato studiato il rumore della preamplificazione.

Dementyev et al.14 nel loro lavoro hanno studiato ampiamente l'elettronica di lettura dei rilevatori p-i-n. Nel loro lavoro, gli autori hanno fornito prove preziose sui pro e contro dei diodi p-i-n come rilevatori di raggi X. Come vantaggio dei rilevatori p–i–n, enfatizzano le seguenti caratteristiche: resistenza al campo magnetico; dimensioni compatte; bassa tensione operativa; stabilità intrinseca e lungo tempo di menzogna. Come svantaggi dei rivelatori p–i–n, gli autori hanno menzionato le seguenti caratteristiche: le risoluzioni energetiche del dominio dei rivelatori p–i–n sono a basse energie quindi necessitano di un sistema di preamplificatore ad alto guadagno. Risoluzione temporale relativamente scarsa e problemi legati all'accettazione di alte frequenze. tasso di conteggio. Molti di questi problemi sono stati risolti da alcuni gruppi di autori, ad esempio Muminov et al.15,16 hanno proposto una tecnologia unica per la fabbricazione di rivelatori Si(Li) p–i–n di grandi dimensioni con l'aiuto di sensori a doppia faccia diffusione e deriva degli ioni Li nel silicio monocristallino. Applicando questa tecnologia gli autori potrebbero ottenere rilevatori Si(Li) p–i–n di grandi dimensioni, dove potrebbero aumentare la velocità di conteggio del rilevatore a causa delle sue dimensioni e aumentarne l'efficienza grazie alla distribuzione uniforme degli ioni Li nell'i - regione. La tecnologia maggiormente utilizzata per aumentare la velocità di conteggio e la risoluzione dei rilevatori consiste nell'utilizzare varie tecnologie di raffreddamento17,18 durante il funzionamento del rilevatore. Per ottenere una velocità di conteggio elevata, Gontard et al.19, hanno progettato un circuito ad elevata larghezza di banda a scapito del rumore elettronico e hanno utilizzato un prototipo del circuito elettronico collegato a un rilevatore, con l'obiettivo di rilevare eventi di singoli elettroni di 200 keV.