كاشف أشباه الموصلات

تعمل معظم كواشف الجسيمات المصنوعة من السيليكون، من حيث المبدأ، عن طريق تطعيم شرائح سيليكون ضيقة (عادةً ما يبلغ عرضها حوالي 100 ميكرومتر) لتحويلها إلى ثنائيات ، ثم يتم توصيلها عكسيًا . وعندما تمر الجسيمات المشحونة عبر هذه الشرائح، فإنها تُحدث تيارات تأين صغيرة يمكن رصدها وقياسها. ^{[ 4 ]} ويمكن لترتيب آلاف من هذه الكواشف حول نقطة تصادم في مُسرِّع الجسيمات أن يُعطي صورة دقيقة لمسارات الجسيمات. تتميز كواشف السيليكون بدقة أعلى بكثير في تتبع الجسيمات المشحونة مقارنةً بالتقنيات القديمة مثل غرف السحاب أو غرف الأسلاك . أما عيبها فهو ارتفاع تكلفتها مقارنةً بهذه التقنيات القديمة، وحاجتها إلى تبريد متطور لتقليل تيارات التسرب (مصدر الضوضاء). كما أنها تُعاني من التدهور بمرور الوقت نتيجة الإشعاع ، إلا أنه يمكن تقليل هذا التدهور بشكل كبير بفضل تأثير لازاروس .

تتشابه كواشف الماس مع كواشف السيليكون في العديد من الجوانب، لكنها تتميز بمزايا هامة، مثل عدم تأثرها بأشعة الشمس المباشرة، وقدرتها على العمل في درجات حرارة عالية، وسرعة استجابتها، ومقاومتها للإشعاع. كما أنها مناسبة تمامًا لكشف النيوترونات، وتُعدّ أحد الخيارات قيد الدراسة للاستخدام في البيئات القاسية حيث لا تُجدي طرق الكشف الأخرى نفعًا. وقد حفّز هذا التطوير الحاجة إلى مثل هذه المراقبة في أوعية احتواء المفاعلات النووية، لا سيما في أعقاب حادثة محطة فوكوشيما للطاقة النووية . ^{[ 5 ]} وقد أُدخلت تحسينات إضافية على مقاومة الإشعاع من خلال تطوير هياكل ثلاثية الأبعاد لهذه الأجهزة. ^{[ 6 ]} كما استُخدمت كواشف أشباه الموصلات الماسية في أبحاث الاندماج النووي ، وفيزياء الطاقة العالية ، والفيزياء الطبية . إلا أنها لا تُستخدم حاليًا على نطاق واسع مثل كواشف السيليكون والجرمانيوم نظرًا لتكلفتها العالية والتحديات التي تواجه عملية تصنيعها.

تُستخدم كواشف الجرمانيوم بشكل أساسي في مطيافية أشعة غاما في الفيزياء النووية ، وكذلك في مطيافية الأشعة السينية . في حين أن كواشف السيليكون لا يمكن أن يتجاوز سمكها بضعة ملليمترات، فإن الجرمانيوم يتميز بطبقة حساسة ( منطقة استنزاف ) بسمك يصل إلى سنتيمترات، وبالتالي يمكن استخدامه ككاشف امتصاص كلي لأشعة غاما حتى بضعة ميغا إلكترون فولت. تُعرف هذه الكواشف أيضًا باسم كواشف الجرمانيوم عالية النقاء (HPGe) أو كواشف الجرمانيوم فائقة النقاء. ^{[ 4 ]} قبل تطوير تقنيات التنقية الحالية، لم يكن من الممكن إنتاج بلورات الجرمانيوم بنقاء كافٍ لاستخدامها ككواشف طيفية. تعمل الشوائب الموجودة في البلورات على احتجاز الإلكترونات والفجوات، مما يُضعف أداء الكواشف. ونتيجة لذلك، تم تطعيم بلورات الجرمانيوم بأيونات الليثيوم (Ge(Li))، وذلك لإنتاج منطقة داخلية تسمح للإلكترونات والفجوات بالوصول إلى نقاط التلامس وإنتاج إشارة.

عندما طُوّرت كواشف الجرمانيوم لأول مرة، لم تكن متوفرة إلا بلورات صغيرة جدًا. ونتيجة لذلك، كانت الكفاءة منخفضة، ولا تزال كفاءة كواشف الجرمانيوم تُقاس غالبًا نسبةً إلى كاشف وميضي قياسي من يوديد الصوديوم ( NaI (Tl)) بحجم 3 بوصات × 3 بوصات. وقد تحسّنت تقنيات نمو البلورات منذ ذلك الحين، مما سمح بتصنيع كواشف بحجم بلورات يوديد الصوديوم (NaI) المتوفرة عادةً أو أكبر منها، على الرغم من أن تكلفة هذه الكواشف تتجاوز 100,000 يورو (113,000 دولار أمريكي).

اعتبارًا من عام 2012تستخدم كواشف الجرمانيوم عالي النقاء (HPGe) عادةً تقنية نشر الليثيوم لتكوين وصلة أومية من النوع n ⁺ ، وتقنية زرع البورون لتكوين وصلة من النوع p ⁺ . تُعرف الكواشف المحورية ذات الوصلة المركزية n ^{+ بكواشف من النوع n، بينما تحتوي كواشف النوع p على وصلة مركزية من النوع p +} . يُمثل سُمك هذه الوصلات طبقة عازلة حول سطح البلورة لا تُنتج فيها ترسبات الطاقة إشارات من الكاشف. تقع الوصلة المركزية في هذه الكواشف في الجهة المقابلة للوصلة السطحية، مما يجعل الطبقة العازلة في كواشف النوع n أصغر من نظيرتها في كواشف النوع p. يتراوح سُمك الطبقة العازلة عادةً بين عدة مئات من الميكرومترات لطبقة نشر الليثيوم، وبضع أعشار من الميكرومتر لطبقة زرع البورون.

تتمثل العيوب الرئيسية لكواشف الجرمانيوم في ضرورة تبريدها إلى درجة حرارة النيتروجين السائل للحصول على بيانات طيفية. عند درجات حرارة أعلى، تستطيع الإلكترونات عبور فجوة الطاقة في البلورة بسهولة والوصول إلى نطاق التوصيل، حيث تتفاعل بحرية مع المجال الكهربائي، مما يُنتج ضوضاء كهربائية عالية جدًا تجعلها غير عملية كمطياف. يُقلل التبريد إلى درجة حرارة النيتروجين السائل (77 كلفن) من الإثارة الحرارية لإلكترونات التكافؤ، بحيث لا يُمكن للإلكترون الحصول على الطاقة اللازمة لعبور فجوة الطاقة والوصول إلى نطاق التوصيل إلا من خلال تفاعل أشعة جاما. ^{[ 4 ]} يُعد التبريد بالنيتروجين السائل غير عملي، إذ يتطلب الكاشف ساعات ليبرد إلى درجة حرارة التشغيل قبل استخدامه، ولا يُمكن السماح له بالتسخين أثناء الاستخدام. لا يُمكن السماح لبلورات Ge(Li) بالتسخين مطلقًا، لأن الليثيوم سيتسرب من البلورة، مما يُتلف الكاشف. أما كواشف HPGe، فيُمكن السماح لها بالتسخين إلى درجة حرارة الغرفة عند عدم استخدامها.

أصبحت الأنظمة التجارية متاحة والتي تستخدم تقنيات التبريد المتقدمة (على سبيل المثال ثلاجة أنبوب النبض ) للتخلص من الحاجة إلى التبريد بالنيتروجين السائل.

يمكن لكواشف الجرمانيوم ذات الأقطاب الكهربائية متعددة الشرائط، المتعامدة على الأوجه المتقابلة، أن تشير إلى الموقع ثنائي الأبعاد لمسار التأين داخل بلورة مفردة كبيرة من الجرمانيوم. وقد استُخدمت كواشف من هذا النوع في مهمات علم الفلك المحمولة على بالونات COSI (ناسا، 2016)، وسيتم استخدامها في مرصد مداري (ناسا، 2025) وهو مطياف ومصور كومبتون (COSI).

نظرًا لكفاءة كواشف الجرمانيوم العالية في كشف الفوتونات، ^{[ 7 ]} يمكن استخدامها في تطبيقات إضافية متنوعة. تستخدم وزارة الأمن الداخلي كواشف الجرمانيوم عالية النقاء للتمييز بين المواد المشعة الطبيعية (NORM) والمواد المشعة المستخدمة في الأسلحة أو المواد الضارة الأخرى. ^{[ 8 ] [ 9 ]} كما تُستخدم أيضًا في مراقبة البيئة نظرًا للمخاوف المتعلقة باستخدام الطاقة النووية. ^{[ 10 ]} وأخيرًا، تُستخدم كواشف الجرمانيوم عالية النقاء في التصوير الطبي وأبحاث الفيزياء النووية، مما يجعلها كاشفًا متعدد الاستخدامات. ^{[ 11 ]}

طُوِّرت كواشف تيلوريد الكادميوم (CdTe) وتيلوريد الكادميوم والزنك (CZT) لاستخدامها في مطيافية الأشعة السينية ومطيافية أشعة غاما . تتيح الكثافة العالية لهذه المواد امتصاصًا فعالًا للأشعة السينية وأشعة غاما ذات طاقات تزيد عن 20 كيلو إلكترون فولت ، والتي تعجز المستشعرات التقليدية القائمة على السيليكون عن رصدها. كما أن فجوة النطاق الواسعة لهذه المواد تمنحها مقاومة عالية ، ما يسمح لها بالعمل عند درجة حرارة الغرفة أو بالقرب منها (حوالي 295 كلفن)، على عكس المستشعرات القائمة على الجرمانيوم . ^{[ 4 ]} يمكن استخدام هذه المواد الكاشفة لإنتاج مستشعرات ذات هياكل أقطاب كهربائية مختلفة للتصوير ومطيافية عالية الدقة . مع ذلك، لا تستطيع كواشف CZT عمومًا مجاراة دقة كواشف الجرمانيوم، ويعزى جزء من هذا الاختلاف إلى ضعف نقل حاملات الشحنة الموجبة إلى القطب الكهربائي. وشملت الجهود المبذولة للتخفيف من هذا التأثير تطوير أقطاب كهربائية جديدة تلغي الحاجة إلى جمع كلا قطبي حاملات الشحنة. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تُستخدم مطيافات أشعة غاما التي تستخدم كواشف الجرمانيوم عالي النقاء (HPGe) غالبًا لقياس المستويات المنخفضة من النويدات المشعة المُصدرة لأشعة غاما في العينات البيئية، الأمر الذي يتطلب بيئة ذات خلفية إشعاعية منخفضة، ويتحقق ذلك عادةً بتغليف العينة والكاشف بدرع رصاصي يُعرف باسم "القلعة الرصاصية". وقد طُوّرت أنظمة آلية ^{[ 14 ]} لنقل عدد من العينات بشكل متسلسل داخل وخارج القلعة الرصاصية لإجراء القياس. ونظرًا لتعقيدات فتح الدرع ونقل العينات، كانت هذه الأتمتة مكلفة تقليديًا، ولكن تم مؤخرًا طرح أجهزة أخذ عينات آلية أقل تكلفة. ^{[ 15 ]}

غالبًا ما تُدمج كواشف أشباه الموصلات، وخاصةً كواشف الجرمانيوم عالي النقاء (HPGe)، في أجهزة توصيف النفايات المشعة المعبأة . قد يكون ذلك بسيطًا كتركيب الكواشف على منصة متحركة لنقلها إلى منطقة محددة لإجراء قياسات في الموقع، مع استخدام دروع واقية لحصر مجال رؤية الكاشف في المنطقة المطلوبة لإجراء قياسات "هندسة الكاشف المفتوح" لمرة واحدة، ^{[ 16 ]} أو بالنسبة للنفايات الموجودة في براميل، تجمع أنظمة مثل الماسح الضوئي المجزأ لأشعة غاما (SGS) بين كاشف أشباه الموصلات وأنظمة ميكاترونيك متكاملة لتدوير العينة ومسح الكاشف عبر أقسام مختلفة. ^{[ 17 ]} إذا تم مسح مجال رؤية الكاشف عبر مناطق صغيرة من العينة على محاور متعددة، كما هو الحال مع الماسح الضوئي المقطعي لأشعة غاما (TGS)، فيمكن استخدام التصوير المقطعي لاستخراج معلومات ثلاثية الأبعاد حول كثافة وانبعاثات أشعة غاما للعينة. ^{[ 18 ]}

تُستخدم كواشف أشباه الموصلات في بعض كاميرات جاما وأنظمة تصوير جاما ^{[ 19 ]}