Detectores de Partículas - Grupo de Altas Energías

Detectores de Partículas
Física de Astropartículas
Master de Física Fundamental
Juan Abel Barrio, Curso 12/13
Universidad Complutense de Madrid
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
1
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detección de radiación
Radiación
Detector
Señal
Normalmente
Eléctrica
Amplificación
Electrónica
Digitalización
Análisis
Energía
© Jose Luis Contreras, Juan Abel Barrio
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
2
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de partículas
•  Propiedades generales (1.5 h)
•  Técnicas de Montecarlo (0.5 h)
•  Detectores de radiaciones ionizantes (2 h)
−  Cámaras de ionización
−  Detectores de centelleo
−  Detectores de estado sólido
•  Fotosensores (1 h)
−  Fotomultiplicadores
−  Fotosensores de estado sólido
•  Técnicas de detección (1 h)
−  Espectroscopía con centelleadores
−  Detectores de trazas
−  Calorímetros
−  Detectores combinados (LHC)
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
3
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Ionización
Indice
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
Mecanismos de ionización.
Perdidas de cargas.
Transporte de electrones e iones.
Avalancha de Townsend.
Tipos de detectores:
  Cámara de ionización
  Contador Geiger-Müller:
  Contador proporcional: detectores de posición
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
4
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Ionización
Mecanismos de ionización
1. 
 
 
 
Ionización primaria y secundaria
X + part → X + + part + e −
e− + X → e− + X + + e−
Ionización secundaria
La ionización a lo largo del camino recorrido por una partícula no se genera como pares electrón-ión
aleatoriamente distribuidos, sino que aparecen en grupos (clusters) de varios pares.
Cada cluster está formado por los pares producidos a partir de una misma ionización primaria.
El tamaño del cluster (nt) es proporcional a la energía liberada en la ionización primaria (ΔE).
nt =
2. 
Ionización primaria
!E
wi
!E: Pérdida de energía.
wi : Energía media efectiva para producir un par.
Efecto Penning
Un átomo metaestable se desexcita al colisionar con otro átomo, y la energía liberada provoca la
ionización del 2º átomo.
Ne* + Ar → Ne + Ar + + e−
3. 
Formación de iones moleculares
Un ión positivo del gas interacciona con un átomo neutro del mismo tipo para formar un ión
molecular.
He + + He → He2+
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5
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de ionización
Mecanismos de ionización
Número medio de pares creados. Resolución en energía
 
La ocurrencia de las reacciones de ionización es de naturaleza estadística.
 
La energía promedio w requerida para producir un par electrón-ión va a determinar la eficiencia y
resolución en energía del detector.
 
La resolución en energía de un detector para una partícula de energía E viene dada por:
Fw
R = 2.35
E
 
F: Factor Fano del gas
w: Energía promedio para producir un par electrón-ión
E: Energía de la partícula
El factor Fano es un valor adimensional < 1 , cuyo valor depende del medio de detección.
Material
w
Factor Fano
Centelleador
40 eV
~1
Si, Ge
3-4 eV
~ 0.1
30-40 eV
0.1 – 0.4
Mezcla gases nobles
Factor Fano y w para diferentes tipos de materiales
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de ionización
Pérdidas de cargas
 
Existen mecanismos que tienden a reducir la carga generada:
1. 
Recombinación de cargas
En ausencia de campo eléctrico, las colisiones de los iones positivos con electrones pueden dar lugar a
recombinación, debido a la fuerza de atracción electrostática. El exceso de energía se libera a través de
un fotón:
X + + e − → X + hν
En los iones moleculares ocurre un proceso similar:
X + + Y ! " XY + h!
La tasa de recombinación es proporcional a la concentración de especies positivos y negativos:
dn ±
= !b n ! n +
dt
2. 
b : cte. dependiente del gas.
n ,n+ : concentraciones de especies
positivos y negativos.
n0
n (t ) =
1 + n0bt
±
Afinidad electrónica
Algunos gases tienen una gran tendencia a formar iones negativos libres. La energía liberada en este
proceso se denomina afinidad electrónica. Ej: de gases electronegativos: O2, H2O, CO2
e ! + Y " Y ! + h!
Detectores de ionización
Transporte de electrones e iones
  Los fenómenos de transporte de iones y electrones en el gas tienen una gran influencia en el
funcionamiento de los detectores de ionización gaseosos, ya que determinan la eficiencia de
recolección de los pares. Los más importantes son la difusión y la deriva en un campo eléctrico.
1. Difusión
  En ausencia de campo eléctrico, los electrones e iones liberados por la radiación incidente se difunden
uniformemente a partir de su punto de creación.
J = − D ∇n
  El proceso de difusión viene descrito por la ley de Fick:
  D es el coeficiente de difusión, que se puede calcular mediante la teoría cinética
de gases, y viene dado por la siguiente expresión:
D=
λ: recorrido libre medio
v: velocidad media
1
!v
3
  La velocidad media v es la velocidad del electrón (o ión) en un gas en equilibrio térmico.
Su valor está determinado por la distribución de Maxwell:
v=
8kT
!m
velocidades típicas a T ambiente:
electrones: v- ~ 2 x 106 cm/s
iones
: v+ ~ 104 cm/s
  Sólo importa para detectores de posición, aunque no fuertemente: tc ~ 1 μs  rD ~ 0.01 – 1 cm
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Ionización
2. 
 
Deriva
Transporte de electrones e iones
En presencia de un campo eléctrico, los electrones e iones son acelerados hacia el ánodo y el cátodo. Su
movimiento térmico se ve frenado por las colisiones con las moléculas del gas que limitan su máxima velocidad
media, conformando la velocidad de deriva.
 Iones positivos: la velocidad de deriva depende linealmente del cociente E/p hasta valores
del campo eléctrico bastante elevados:
Velocidades de deriva típicas:
u : velocidad de deriva
E
electrones: u ~ 105 m/s  tc ~ μs
µ : movilidad.
u=µ
p
iones
: u ~ 1 m/s  tc ~ ms
p : presión del gas.
  Electrones: la velocidad de deriva es mucho mayor y es, hasta un determinado punto, una función del
campo eléctrico.
 
Para gases ideales en equilibrio térmico, la movilidad (µ) y el coeficiente de difusión (D) están ligados por la
relación de Einstein:
D kT
=
µ
q
Para campos eléctricos altos, la energía ganada por el electrón puede ser mayor que su energía térmica. La
relación de Einstein sigue siendo válida si se reemplaza el factor kT por la energía media ganada por el
electrón.
 La constante de difusión aumenta, y por tanto también aumenta la dispersión de la nube de
electrones. Esto afecta a los detectores de posición, como las cámaras de deriva y las TPCs.
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de ionización
Avalanchas en gases
  Bajo un campo eléctrico E grande, el electrón acelerado puede adquirir la energía necesaria para ionizar
una molécula del gas. La repetición de este proceso da la avalancha de Townsend.
  El incremento relativo del nº de electrones en una avalancha se puede expresar en función del primer
coeficiente de Townsend (α):
dn
= ! dx
n
  El valor
M=
Integrando:
n
= exp(! x)
n0
n = n 0 e! x
donde no es el núm. inicial de electrones
representa el factor de multiplicación o ganancia.
  α depende principalmente de la naturaleza del gas, de su presión y del campo E aplicado.
  La ganancia M del gas tiene una gran importancia para el desarrollo de los contadores
proporcionales. Existe un límite para la ganancia (M<108 ó αx<20) . Este valor se conoce como
límite de Raether, y a partir de él comienzan a producirse fenómenos de descarga en el gas.
  Se han propuesto varios modelos teóricos para el cálculo de α para diferentes gases:
# "Bp &
!
= A exp%
(
$ E '
p
(Rose and Korff)
electrons
ions
A,B: ctes. dependientes del gas
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de ionización
Configuración básica
  Un cilindro con paredes conductoras que actúan como
cátodos, y en cuyo eje se sitúa un hilo conductor que actúa
como ánodo. En el interior hay un gas noble (p. ej. argón).
  Cuando la radiación penetra en el cilindro a través de una
ventana, el gas se ioniza.
  Al aplicar un campo eléctrico, electrones e iones son
recolectados en el ánodo y el cátodo repectivamente.
Ventana de entrada
Detector de ionización gaseoso de un sólo hilo
  El nº promedio de pares creados en la ionización primaria
es proporcional a la energía de la radiación.
Dependiendo de la región de operación (rango
del voltaje aplicado), se distinguen 3 tipos de
detectores:
•  Cámara de ionización.
•  Contador Proporcional.
•  Contador Geiger-Müller.
Esquema de un detector de ionización gaseoso de un sólo hilo
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Configuración básica
Detectores de ionización
Campo eléctrico en un detector de ionización cilíndrico (1 solo hilo)
E threshold
1
E(r) !
r
Valores típicos:
a = 10 μm
b = 10 mm.
Esquema de un detector de ionización gaseoso de un sólo hilo,
con su perfil de campo eléctrico.
  El campo eléctrico es muy intenso en la vecindad del ánodo (típicamente de varios kV/cm.)
è La avalancha se producirá a una distancia de pocas μm con respecto al ánodo.
Los electrones generados en la avalancha son recolectados muy rápidamente (~ 1 nseg.)
  La corriente de salida sólo depende de la energía de la partícula incidente, y no del punto
J.L. Contreras - UCM
de interacción.
12
Detectores de ionización
Nº de iones
recolectados
en función del
voltaje
aplicado.
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
13
13
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de ionización
Cámara de ionización
  Cuando la radiación ioniza el gas, en ausencia de
campo eléctrico las cargas generadas tienden a desaparecer
por recombinación.
  A partir de cierto voltaje, el campo eléctrico creado evita
que los iones se recombinen con los electrones,
de modo que todos los pares son recolectados.
  La amplitud de la señal es proporcional al nº de iones
creados, e independiente del voltaje entre electrodos.
Þ  El detector aporta información sobre la energía de la
radiación incidente.
  Inconveniente: los tiempos de recolección de los iones son
excesivamente largos.
La cámara de ionización no sirve como contador de pulsos
individuales.
Nº de iones recolectados en función del
voltaje aplicado.
  Se suele emplear como monitor de radiación.
  Además, la amplitud de la señal de salida es bastante
pequeña (menos de 1 mV) por lo que debe ser amplificada
para poder procesarla posteriormente.
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de ionización
Cámaras de ionización
En Medicina nuclear:
•  Detectan e-/ part cargadas.
I
e-
•  Rayos X y γ baja energía (baja εint).
Conversión en las paredes.
•  Modo corriente, para haces.
( no hay amplificación de carga).
alta irradiación
I
•  Abiertas al aire. Dependencia de la
presión atmosférica.
baja irradiación
•  Junto con electrómetros para medir las
corriente débiles.
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V
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Cámara de ionización
Detectores de ionización
Monitores de radiación:
• Cámara de ionización cilíndrica
+ electrómetro.
• Bateria  Portatil.
• Miden exposición: dosis/hora.
• Utilizados en radio-protección
Dosímetros:
• Cámara de ionización cerrada a
presión cte. + electrómetro.
• Actividad de viales.
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de ionización
Contador Geiger-Muller
(1928)
  A partir de cierto voltaje se producen fenómenos de
descarga en el gas, generándose nuevas avalanchas
secundarias a lo largo de toda la longitud del ánodo.
  Las avalanchas secundarias son causadas por los fotones
emitidos al desexcitarse las moléculas del gas.
  La corriente de salida está saturada, y su amplitud es
independiente de la energía de la radiación incidente.
 Este detector sirve como contador de pulsos, pero
no da información sobre la energía de la radiación.
  El factor de amplificación es del orden de 1010, con una
amplitud de salida de ~1 V
 En general no requiere una amplificación adicional.
  Para frenar la descarga se requiere un segundo gas (gas de
extinción) que absorba los fotones.
  Se suele utilizar como monitor portátil de radiación.
Nº de iones recolectados en función del
voltaje aplicado
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de ionización
Contador Geiger-Muller
  Se
suele utilizar como monitor
portátil de radiación.
 Protección radiológica.
 De la exposición Silent Heroes of
the Cold War
( Las
Vegas 2003)
Detectores de ionización
Contador proporcional
  A partir de cierto voltaje, el campo eléctrico es
capaz de acelerar los electrones lo suficiente como para
generar ionizaciones en las moléculas del gas.
  Los electrones secundarios acelerados producen nuevas
ionizaciones, con lo que finalmente se genera
una avalancha o cascada de ionizaciones.
  Avalancha cerca del ánodo (~ 1 μm), en tc ~10 ns
  La corriente de salida del detector es proporcional a la
carga generada en la ionización primaria.
 Este detector, además de actuar como contador de
pulsos, aporta información sobre la energía de la radiación.
  Su alto factor de amplificación (hasta 106) permite
sensibilidades de detección mucho mayores que las
obtenidas con la cámara de ionización.
 La electrónica de amplificación de la cámara
proporcional es más sencilla.
Nº de iones recolectados en función del
voltaje aplicado.
  Se emplean principalmente en la detección de rayos X y
partículas cargadas. Poca aplicación en Medicina Nuclear.
J.L. Contreras - UCM
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Detectores de ionización
Formación del pulso (cont. Cilíndrico)
~ 1 ns
  La señal detectada en el ánodo se forma
por inducción, debido al movimiento de los iones
y electrones durante su deriva hacia el cátodo
y el ánodo, respectivamente (Teorema de Ramo).
  Para un detector cilíndrico, la señal inducida
se debe casi enteramente al movimiento de los
iones positivos, que se desplazan lentamente
hacia el cátodo.
  La contribución de los electrones a la amplitud
de la señal es despreciable:
V-
t
Señal inducida
por los e-
V+
V(t)
~ 500 μs
Señal inducida
por los iones +
Pulso de un contador proporcional cilíndrico
V!
" 1%
+
V
  Mediante un circuito diferenciador CR se
consigue acortar la duración del pulso, pero
conservando su proporcionalidad en amplitud.
 Aumenta la velocidad de recuento del detector.
J.L. Contreras - UCM
Pulsos obtenidos al utilizar
un circuito diferenciador CR,
para 2 valores diferentes de
La cte. de tiempo τ
τ =∞
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Detectores de ionización
Contadores proporcionales de posición
Cámaras Multihilos Proporcionales:
(MWPC  G. Charpak, Nobel 1992)
•  Cada hilo se comporta como proporcional es
sus cercanías (separación ~2 mm)
•  Posición por avalancha cerca de un hilo.
•  Δx ~1 mm, Δt ~ 30 ns
•  Posición XY por inducción en cátodos
rectangulares
Cámaras de Deriva:
•  Posición a partir de velocidad de deriva
controlada: u = 5 cm / μs  Δx ~ 0.1 mm
Cámaras de Proyección temporal:
•  Trazas 3D usando deriva + MWPC.
•  Id. Partículas con dE/dx
Detectores de partículas
•  Propiedades generales (1.5 h)
•  Técnicas de Montecarlo (0.5 h)
•  Detectores de radiaciónes ionizantes (2 h)
−  Cámaras de ionización
−  Detectores de centelleo
−  Detectores de estado sólido
•  Fotosensores (1 h)
−  Fotomultiplicadores
−  Detectores de estado sólido
•  Técnicas de detección (1 h)
−  Espectroscopía con centelleadores
−  Detectores de trazas
−  Calorímetros
−  Detectores combinados (LHC)
Detectores de Centelleo
Indice
1.  Características generales
2.  Centelladores orgánicos
3.  Cristales inorgánicos
Detectores de Centelleo
Características generales
centelleador
Fotosensor
tiempo
V
V
acoplamiento óptico
·  Centelleador: absorbe la energía (toda o parte) de la partícula convirtiéndola
en radiación visible (UV próxima-visibe).
Epartícula  E cinet. elect.  fotones.
·  Fotosensor: fotomultiplicador (PMT) o fotosensor de estado sólido, que
genera una señal eléctrica (impulso) de amplitud proporcional a la señal
luminosa de entrada.
·  Acoplamiento óptico: dirige la luz del centelleador al fotosensor
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Centelleo
Luminiscencia
Fluorescencia: treemision < 10-8s


Fosforescencia: t
Absorción de energía
Luminiscencia:
reemision
y reemisión en el
visible
>10-8s.
(Estado metaestable  treemision : microsegundo a
horas)
Requisitos del detector:
a) Alta eficiencia en conversión de la energía de excitación en radiación
visible.
b) Transparencia a su propia radiación visible.
c) Emisión en un rango espectral en el que el fotosensor sea eficaz.
d) Cte de desintegración pequeña.
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Centelleo
S2
Centelleadores orgánicos
Singletes
Tripletes
S1
P. Ionizante
Fluorescencia
Fosforescencia
S0
·  Orgánicos: CxHy. La partícula ionizante excita estados singletes.
Transferencia colisional a los tripletes. Desexcitación en la zona del visible.
Emisión en bandas espectrales muy anchas.
·  Vida media: fluorescencia ~ 1-10 ns (alta resolución temporal, RC ≤ tc),
fosforescencia ~ 1 μs - 1 ms
·  Espectro de λ: fluorescencia ~ 400 nm, fosforescencia ~ 500 nm
·  Baja σfot : poco eficientes para rayos γ. Más usados con partículas
cargadas.
· Distintas estructuras: las molec. individuales emiten luz  distintas
formas del centelleador: Plásticos, líquidos, cristales orgánicos.
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Centelleo
Plasticos centelleadores
• Características:
•  Disolución centelladores orgánicos + disolvente orgánico sólido. tc ~3-4 ns.
•  Rendimiento luz hasta ¼ NaI .
•  Bajo Z
•  Energía de excitación absorbida por el disolvente  pasa al soluto  reemitirá
la luz para la cual el disolvente es transparente.
•  Solutos: p-Therfenil (C18H14) , PBD (C20H14N2O), etc
Disolvente: poliviniltoluenopolifenilbenceno, poliestireno,..,
• Posibilidad introducir otros materiales para mejora algunas características: POPOP
(C24H16N2O2)  Modificación de longitud de onda
.
• Fácil mecanizado:
 Planchas, bloques, etc
 Fibras centelleadoras: cetellean y transmiten la luz al fotosensor
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Centelleo
Centelleadores inorgánicos
banda de conducción
Niveles del dopante
part. ionizante
fotón de centelleo
banda de valencia
·  Inorgánicos: Cristales dopados.
La partícula ionizante eleva electrones de la banda de valencia a la de conducción. Los
huecos (+) migran hasta alcanzar átomos del dopante, ionizándolo. Cuando un electrón
llega a un ión lo neutraliza y cae al estado fundamental emitiendo radiación visible (UV).
·  Vida media: en el rango del μs.
·  Espectro de λ típico: 400 ± 50 nm
·  Alta σfot : eficientes para rayos γ.
Espectroscopia γ (RC >> tc )
·  Ejemplos:
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Centelleo
Centelleadores inorgánicos
Z é
1)Amplitud
relativa usando PMT (100 es el máximo)
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Centelleo
Aplicaciones de los centelleadores
fotomultiplicador
centelleador
V
acoplamiento óptico
C R
-  Detección de partículas individuales (e-,γ , ...)
-  Medida del tiempo de paso.
-  Medida de energía (espectroscopía)
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Centelleo
Aplicaciones de los centelleadores
Los centelleadores inorgánicos
(ejemp. NaI) se pueden emplear
para espectroscopía de rayos γ.
Son relativamente lentos (~ μs)
Los centelleadores orgánicos
(ejemp. plásticos centelleadores
como NE102A) son útiles para
electrones.
Son muy rápidos (~ ns)
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Centelleo
Resolución en energía
Resolución:
R = 2.35
FWHM
Fw
E
·  w ~ 30 eV, F ~1
·  Respuesta lineal:
dL dE
!
dx dx
Fuentes adicionales de ensanchamiento:
E0
E
·  Fluctuaciones en la conversión y multiplicacion de portadores de carga en
los fotosensores
·  Variación de la eficiencia del centelleador en su volumen activo
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de partículas
•  Propiedades generales (1.5 h)
•  Técnicas de Montecarlo (0.5 h)
•  Detectores de radiaciónes ionizantes (2 h)
−  Cámaras de ionización
−  Detectores de centelleo
−  Detectores de estado sólido
•  Fotosensores (1 h)
−  Fotomultiplicadores
−  Detectores de estado sólido
•  Técnicas de detección (1 h)
−  Espectroscopía con centelleadores
−  Detectores de trazas
−  Calorímetros
−  Detectores combinados (LHC)
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
Indice
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
Características generales.
Unión p-n.
Compensación.
Propiedades.
Aplicaciones:
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
Características generales
Banda conduc.
Energía
Gap
Energ.
6 eV
1 eV
Banda valenc.
Aislante
semiconductor
metal
Banda de valencia: electrón “fijo” en la red.
Banda de conducción: electrón se mueve “libremente”
Semiconductor: conducción por electrones y huecos
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
e- de
valencia
Características generales
Intrínseco
La agitación
termica crea
pares e- h
e- libre
hueco
e- libre
Dopado
hueco
El dopado crea
portadores libres
As, P, Sb tipo n
(donante)
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
Ga, B, In tipo p
(aceptor)
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Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
Tipo n
Características generales
Nivel de
Impureza
aceptora
Nivel de
impureza
donadora
Tipo p
Podemos controlar fácilmente las propiedades de un semiconductor mediante
el dopado. Bastan concentraciones muy pequeñas ( ~1 ppm)
La concentracion de dopantes es mayor que la de electrones que habría en la
banda de conduccion en un semicond. intrinseco  la densidad de portadores
de carga negativa estará dominada por la de dopantes
p
n
Unión p-n
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
+ + + +
+ + + +
37
- - - - - - Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
Características generales
Ion donante
e
Unión p-n
n
Ion aceptor
h
+ + + + - - - + + + +E - - - Zona libre de
cargas móviles
Región activa
de detección
La carga creada por una
partícula cargada puede
recogerse
En la unión p-n se crea una
zona de carga espacial.
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
p
38
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
Características generales
p
n
+
Ee
- - - - - - -
{
+ + + +
+ + + +
Zona de vacio
de carga
-
Eh
V0 = Potencial de contacto~ 1 V
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39
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
n
Características generales
Zona de vacío
p
E
+
-
Polarizando una unión p-n en inversa se amplía
la zona activa de detección
E mas inteno para mejor recogida de carga
C mas pequeño para pulsos más cortos
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40
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
Características generales
Recombinación
Transición e- de conducción  banda de valencia tiene muy baja probabilidad (~ prohibido
conservación E y P ! ). Posible por medios de impurezas que actúan como
centros de recombinación.
Centro de recombinación modifica la estructura de niveles (niveles accesibles en la zona
prohibida). El electrón en la banda de conducción “cae” a uno de estos niveles tras lo cual:
a) vuelve a la banda de conducción (pequeña ΔE)
b) “cae” a la banda de valencia capturando un hueco (aniquilación e- - hueco)
En todos los semiconductores existen inevitablemente impurezas que actúan como centros
de recombinación. También se pueden introducir artificialmente.
Centro de
recombinación
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41
Física de Astropartículas, Master de Fundamental
Detectores de Semiconductor
Tipos de detector
Tamaño de la zona activa:
d=
2!V
eN
Aumentar región activa  reducir irregularidades en las impurezas (ND o NA)
previas al dopado, de dos formas:
· 
Materiales ultrapuros  Detectores HPGe.
Enfriarse para reducir ruido.
· 
Compensarlas con Litio (ND = NA) 
· 
Detectores Si(Li)  Zona de compensación 10-15 mm
Deben enfríarse para reducir el ruido.
· 
Ge(Li)
 Zona de compensación 15-20 mm
Deben refrigerarse ( N2 líquido ) incluso si no se usan
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
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Detectores de Semiconductor
Propiedades
Los detectores de semiconductor funcionan como cámaras de ionización
•  Energía depositada  formación de pares e- h+
•  Deriva de la cargas en el campo eléctrico (v = μE) Recolección de la carga
•  Resolución:
Fw
R = 2.35
E
Son sólidos cristalinos semiconductores
Material
Z
Densidad(gcm-3)
GAP (eV)
w(eV)
μ(cm2/V·s)
Si(300K)
14
2.33
1.12
3.62
1350 e 480 h
Ge(300K)
32
5.33
0.665
2.96
3900 e 1900 h
•  Baja energía de ionización
•  Densidad
•  Z
•  Propiedades eléctricas
 Mayor producción de carga y mejor resolución en energía
 Volumen menor y mayor poder de frenado
 Mayor sección eficaz para los fenómenos de interacción
 Rápida velocidad de respuesta buena recolección de carga
Los detectores de semiconductor además de una medida de la energía depositada, una permiten
también una medida precisa de la posición y de la traza de las partículas
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
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Detectores de Semiconductor
Aplicaciones
Espectroscopía de rayos γ :
•  Excelente resolución
•  Gran capacidad de absorción (Ge)
Detectores de posición:
•  Detectores de micropistas de Si
•  Detector de posición en XY
Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13
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