Detektoren für ionisierende Strahlung

Grundlagenwissen über Silizium-PIN-Photodioden

4. März 2022, 9:37 Uhr | Nicole Wörner
Cargo-Scannern, Dosimetern und in der Qualitätssicherung in der Industrie. Doch dass solche Systeme bezahlbar bleiben, sind Detektoren mit Silizium-PIN-Photodioden erforderlich
© peshkov_stock.adobe.com-

Der weltweite Bedarf an Strahlungsdetektoren nimmt stetig zu. Der Grund sind ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Damit solche Systeme bezahlbar bleiben, sind Detektoren mit Silizium-PIN-Photodioden nötig, die niedrige Dunkelstrom- und Kapazitätswerte mit kostengünstigem Packaging kombinieren.

Von Dirk Thümer, First Sensor / TE Sensors

Messgeräte, die ionisierende Strahlung präzise erfassen, rücken vor allem dann in den Mittelpunkt des Interesses, wenn es zu Nuklearunfällen kommt. Ein Beispiel für eine solche Katastrophe ist die Unfallserie im japanischen Atomkraftwerk Fukushima im März 2011. Auch heute gehören in der Region rund um das Kraftwerk Detektoren für radioaktive Strahlung zur Grundausstattung von Einwohnern und Fachleuten, welche die Nachwirkungen des Ereignisses beseitigen.

Doch solche Einsatzfelder von Detektoren für Alpha-, Beta-, Gamma- und Röntgenstrahlung sind glücklicherweise die Ausnahme. In größerem Maße kommen Dosimeter beispielsweise in der Medizin zum Einsatz – etwa bei Fachpersonal in der Strahlenmedizin. Außerdem nutzen Frachtkontrollsysteme wie Container- und Cargo-Scanner ionisierende Strahlung in Verbindung mit Silizium-PIN-Photodetektoren wie denen der Serie X von First Sensor.

Solche Systeme überprüfen berührungslos Fahrzeuge und Ladungen in Seehäfen sowie an Container-Terminals und Grenzübergängen. Dabei verwenden Zollbehörden, Polizei und Sicherheitsdienste zum einen mobile Systeme, die sie zum Einsatzort transportieren. Zum anderen kommen stationäre Lösungen zum Zug, etwa Durchfahrsysteme für Transportfahrzeuge. Und jeder, der mit dem Flugzeug verreist, kennt wiederum die Scanner, mit denen Sicherheitskräfte das Handgepäck auf verbotene Gegenstände hin untersuchen.

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Nicht destruktive Prüfung von Materialien und Produkten

PIN-Photodioden der Serie X von First Sensor ermöglichen rauscharme Durchstrahlungsbilder mit hohem Kontrast. Zu den typischen Einsatzfeldern zählen Dosimeter, Fracht- und Gepäckkontroll-systeme, die mit Röntgen- und Gammastrahlen arbeiten
PIN-Photodioden der Serie X von First Sensor ermöglichen rauscharme Durchstrahlungsbilder mit hohem Kontrast. Zu den typischen Einsatzfeldern zählen Dosimeter, Fracht- und Gepäckkontroll-systeme, die mit Röntgen- und Gammastrahlen arbeiten.
© First Sensor

Die steigende Nachfrage nach preisgünstigen Strahlungsdetektoren und Detektor-Arrays, die sich in hohen Stückzahlen fertigen lassen, ist zudem durch Anwendungen in der Industrie bedingt. Dazu zählt die nicht destruktive Werkstoff- und Materialprüfung mithilfe von Röntgenstrahlen, denn mit ihr lassen sich in einem Werkstück Fehler aufspüren – etwa eine unerwünschte Trennung von Werkstoffen. Die Röntgenstrahlung wird in einem solchen Bereich weniger stark abgeschwächt als in den intakten Zonen des Werkstücks.

Die Lebensmittelindustrie wiederum setzt ionisierende Strahlung und entsprechende Detektoren ein, um Reste von Metallteilen in Produkten zu identifizieren. Sie können durch defekte Maschinen in Zutaten oder Produkte gelangen. Dies – und damit kostspielige Rückrufaktionen – lässt sich durch Qualitätsprüfungen mittels Gamma- und Röntgendetektoren vermeiden.

Technologien: Gamma- oder Röntgenstrahlen

Bei Prüfsystemen, die ionisierende Strahlung verwenden, kommen in erster Linie zwei Verfahren zum Einsatz:
➔ Lösungen, die auf Gammastrahlung beruhen
➔ Systeme, die mit Röntgenstrahlung (X-Ray) arbeiten
Bei Systemen, die Gammastrahlung verwenden, dienen Kobalt-60 oder Cäsium-137 als Strahlungsquelle. Bei Cargo- und Gepäckscannern wird die Quelle auf der einen Seite des Systems angebracht und »durchleuchtet« Transportbehälter und Gepäckstücke. Silizium-PIN-Photodetektoren auf der gegenüberliegenden Seite erfassen die Strahlung und wandeln diese in einen messbaren Strom um. Sie geben Aufschluss über den Inhalt der Behälter oder Fahrzeuge. Nach Angaben der Hersteller von Cargo-Scannern dauert der Prüfvorgang mit einem Durchfahrsystem bei einem LKW etwa zwölf Sekunden.

Der Dunkelstrom sowie die Kapazität als Funktion der Sperrspannung bei der PIN-Photodiode X100-7 THD
Der Dunkelstrom sowie die Kapazität als Funktion der Sperrspannung bei der PIN-Photodiode X100-7 THD.
© First Sensor

Lösungen auf Basis von Röntgenstrahlung sind einfacher zu handhaben als Systeme, die mit Gammastrahlen arbeiten. Der Grund dafür ist, dass sich das System ausschalten lässt, wenn es nicht mehr benötigt wird. Bei Lösungen auf Grundlage von Gammastrahlen ist die Strahlenquelle weiterhin aktiv und muss abgeschirmt werden. Hinzu kommt, dass beispielsweise Frachtkontrollsysteme in der Lage sein müssen, bis zu 30 Zentimeter dicken Stahl zu durchdringen und dabei auch kleine Objekte von wenigen Zentimetern Durchmesser zu erkennen. Diese Werte erreichen Systeme auf Basis von Röntgenstrahlen, die mit einer Leistung von etwa 6 MeV arbeiten. Mittlerweile sind Lösungen auf Basis von Linearbeschleunigern (Linacs, Linear Accelerator) verfügbar, die auch große Frachtbehälter oder Transportfahrzeuge innerhalb weniger Sekunden überprüfen können.

Systeme, die Gammastrahlen einsetzen, kommen dagegen nur auf etwa 20 Zentimeter und haben eine geringere Auflösung als X-Ray-Scanner. Dafür sind diese etwa um den Faktor zwei teurer und voluminöser. Das macht sie weniger tauglich für den mobilen Einsatz oder für Hand-Scanner.

Funktionsweise von Detektoren

Das Herzstück von Strahlungsmessgeräten und Scannern für Fracht und Gepäck sind Halbleiterdetektoren auf Basis von PIN-Photodioden aus Silizium, etwa die Detektoren der Serie X für ionisierende Strahlung von First Sensor. Solche Halbleiterdetektoren lassen sich in zwei Gruppen zuordnen:

➔ Komponenten, die Strahlung indirekt mithilfe von Szintillatoren erfassen. Sie kommen vor allem für Strahlung mit höheren Energieniveaus in Betracht.
➔ Detektoren, welche die Strahlung direkt absorbieren.

Versionen mit Szintillator

Si-PIN-Photodioden auf Basis von Szintillatoren nutzen die Umwandlung nuklearer Strahlung in sichtbares Licht durch die Lumineszenz von Szintillatorkristallen wie Csl:Tl (Cäsiumiodid), LYSO oder BGO. Die charakteristische blaue oder grüne Lumineszenz wird von einer Photodiode mit hoher Empfindlichkeit erfasst. Ein solcher Detektor benötigt eine komplexe Kristallbeschichtung, um die gesamte Lumineszenz in die Photodiode zu reflektieren. Der Vorteil ist eine hohe Absorptionswahrscheinlichkeit aufgrund der Dicke des Kristalls – auch bei hochenergetischer Strahlung.

Nur vollständig verarmte PIN-Photodioden ermöglichen hohe Absorptionsvolumina und äußerst niedrige Dunkelströme
Nur vollständig verarmte PIN-Photodioden ermöglichen hohe Absorptionsvolumina und äußerst niedrige Dunkelströme.
© First Sensor

First Sensor setzt bei seinen Detektoren mit Szintillatoren, wie dem X100-7 THD, CSL:TI-Kristalle ein. Sie emittieren Licht im grünen Wellenlängenbereich und weisen zudem einen hohen Wirkungsgrad auf, wenn sie Strahlung in Licht umwandeln. Silizium als Basismaterial der Detektoren absorbiert besonders gut Gammastrahlung im Energiebereich von 1 keV und 40 keV. Zusätzlich können Silizium-Photodioden mit einem Szintillatorkristall indirekt höhere Strahlungsenergien von bis zu 1 MeV zuverlässig detektieren. Die Kristallbeschichtung verhindert dabei, dass die Diode durch die Strahlung beschädigt wird.

Direkte Messung im Kristallgitter

Die Alternative zu Lösungen mit Szintillatoren sind Detektoren mit Silizium-PIN-Photodioden, die Alpha-, Beta-, Gamma- und Röntgenstrahlen direkt über die Absorption im Kristallgitter erfassen. Ein Punkt, der für diesen Detektor-Typ spricht, sind die im Vergleich zu Modellen mit Szintillatoren niedrigeren Herstellungskosten. Daher kommen Detektoren mit Direktabsorption vor allem für Produkte in Betracht, die in hohen Stückzahlen hergestellt werden, etwa Dosimeter. First Sensor stellt als Teil der Serie X solche Detektoren bereit. Ebenso wie die Modelle mit Szintillatoren hat die PIN-Photodiode eine aktive Fläche von 100 mm2.

Anforderungen an Detektoren

Damit Strahlungsdetektoren mit Silizium-PIN-Photodioden mit der erforderlichen Auflösung und Empfindlichkeit arbeiten, müssen sie mehrere Anforderungen erfüllen. Dazu zählen möglichst niedrige Dunkelstromsignale und eine geringe Kapazität. Der Dunkelstrom ID sollte bei Detektoren mit Szintillatoren und einer Spannung VR von 10 V beispielsweise maximal 5 nA betragen. Bei der Kapazität sind Werte von 80 bis 105 pF (VR = 10 V, f = 10 kHz) akzeptabel. Die PIN-Detektoren mit direkter Strahlungsabsorption führender Anbieter erreichen beim Dunkelstrom im Höchstfall 3 nA bei einer Kapazität von 80 pF. Wichtig ist außerdem, dass die Photodioden bereits bei kleinen Sperrspannungen breite und an Ladungsträgern verarmte Raumladungszonen bilden. Dies stellt sicher, dass eine optimale Absorption der ionisierenden Strahlung erfolgt.

Ein weiteres Auswahlkriterium bei PIN-Photodioden für die Frachtkontrolle und Strahlungsmesssysteme ist das Packaging der Chips. Wünschenswert ist eine flache Bauhöhe, um die Detektoren möglichst kompakt zu halten. Das lässt sich beispielsweise mithilfe der Flip-Chip-Technologie erreichen. Bei ihr werden die Halbleiter mit der aktiven Fläche und den Kontakten nach unten auf dem Träger montiert. Das Licht wird über die Rückseite eingekoppelt. Das Ergebnis ist eine flache Chip-Oberseite ohne Bond-Drähte. Das macht es einfacher, einen Szintillator-Kristall präzise zu montieren.

Zudem sollte der Trend hin zu Scannern mit immer größeren Linien- und Matrix-Arrays berücksichtigt werden. Das erfordert Herstellungsverfahren wie SMD (Oberflächenmontage). Damit lassen sich die Photodioden über Lotperlen auf der Unterseite zu großflächigen Arrays anordnen. Das ermöglicht nicht nur Scanner und Strahlungsmesssysteme mit einem hohen Durchsatz und einer höheren Genauigkeit. Solche Packaging- und Montageverfahren wirken sich zudem günstig auf die Systemkosten aus.

 

Der Autor

Dirk Thümer von First Sensor
Dirk Thümer von First Sensor
© First Sensor

Dirk Thümer

ist Senior Manager Product Management bei TE Sensors.


Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

First Sensor AG