Полупроводниковые и индукционные преобразователи и их применение в ГИС

Введение

Радиационные измерительные преобразователи, иначе называются счетчиками (детекторами) радиоактивного излучения, служат для преобразования энергии ядерного излучения в электрическую энергию. Из большего числа радиационных преобразователей, использующих различный принцип действия, в геофизической аппаратуре преимущественно применяются преобразователи, основанные на явлении ионизации газов при прохождении через них ядерного излучения (газоразрядные преобразователи) или люминесценции некоторых веществ под действием ядерного излучения (сцинтилляционные преобразователи).

В генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС, возникающая в результате действия входной величины. К числу генераторных относятся пьезоэлектрические и индукционные преобразователи.

1 Полупроводниковые преобразователи

Принцип действия полупроводниковых радиационных преобразователей основан на ионизации атомов в области, которая называется p-n-переходом и создается при тесном соприкосновении двух пластинок полупроводников, обладающих различной проводимостью. В местах соприкосновения пластинок происходит диффузия электронов из n-полупроводника в р-полупроводник. При этом часть дырок в тонком граничном слое р-полупроводника нейтрализуется, и этот слой заряжается отрицательно. Аналогично тонкий граничный слов n-полупроводника заряжается положительно. Таким образом, создается p-n-переход, препятствующий дальнейшей диффузии носителей заряда и обладающий свойствами диода. Если подключить n-полупроводник к отрицательному полюсу источника тока, а р-полупроводник – к положительному, то через переход потечет ток; при обратной полярности сопротивление p-n-слоя, называемого запорным, возрастает и система не проводит тока.

При прохождении ионизирующей частицы (гамма-кванта) через запорный слой в нем происходит ионизации и образуются свободные носители заряда, которые под действием электрического поля дрейфуют к соответствующим электродам, что приводит к возникновению импульса напряжения на нагрузке R (рис. 1). Амплитуда импульса пропорциональна числу носителей зарядов, образованных ионизирующей частицей, а следовательно, ее энергии, что дает возможность изучать энергетический спектр излучения.

Эффективность регистрации гамма-квантов повышают увеличением толщины чувствительного (запорного) слоя. Для этого в контактирующий торец полупродоника с дырочной проводимостью добавляют литий, обладающий высоким коэффициентом диффузии. В результате получается трехслойный детектор с p-i-n-переходом.

Рисунок 1-Схемы включения полупроводниковых радиационных преобразователей

Слой, куда проникли атомы лития, сохраняет р-проводимость. Тонкий слой, в котором преобладает литий, обладает свойствами n-полупроводника. В промежуточном слое концентрации лития и полупроводника-акцептора равны. Этот слой, обладающий высоким удельным сопротивлением, называется i-слоем. Его толщину в отдельных случаях удается довести до 8 мм, что достаточно для хорошего энергетического разрешения и неплохой эффективности (до 10%) для гамма-квантов.

Преимущества полупроводниковых радиационных преобразователей – экономичность питания, весьма малые размеры и хорошее амплитудное разрешение (в 20-30 раз лучше, чем у сцинтилляционных преобразователей). Однако их широкое применение ограничивается относительно небольшими размерами чувствительной части.

2 Применение полупроводниковых преобразователей в ГИС

Схемы зондов, предназначенных для выполнения различных видов радиометрии скважин, изображены на рис.2.

В