3.1.4 半导体探测器
半导体探测器是以半导体材料作为探测介质的固体探测器，在带电粒子、X 射线和γ射线能谱的精细测量中占有重要地位。同其他探测器相比，半导体探测器具有分辨率好、线性范围宽、脉冲上升时间短、阻止能力强、体积小、用于位置测量的空间分辨率高等优点。其缺点主要包括：抗辐射性能差、温度效应大、常需要在低温下工作、价格和使用成本高等。常用的几类半导体探测器有以下几类。
（1）高纯锗（HPGe）γ能谱仪
放射性核素产生的γ光子和X 射线，其能量一般在ke V 至Me V 之间。由于其不带电荷，通过物质时不能直接使物质产生电离，不能直接被探测到，因此γ射线和X 射线的探测主要依赖于其通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子。光子在吸收物质中主要产生三种不同类型的相互作用：光电效应、康普顿效应或电子对效应，进而产生次级电子（光电子）再引起物质的电离和激发，形成脉冲电流，脉冲电流的幅度正比于γ射线和X 射线的能量。三种效应中，光电效应中的γ光子将全部能量传递给光电子而产生全能峰，是谱仪系统中用于定性定量分析的主要信号；而康普顿效应和电子对效应则会产生干扰，应尽可能予以抑制。
高纯锗γ能谱仪（图3-6）用高纯锗晶体作为探测材料，在锗晶体两端注入金属接触极，加高压后形成电场。γ射线与晶体中核外电子作用产生电子-空穴对，在电场力的作用下形成电荷。不同能量的γ射线，产生的电荷量不一样，而电荷量的多少决定了脉冲幅度的大小，利用多道分析器即可还原出不同能量大小的γ射线信息。
图3-6 高纯锗γ能谱仪组成示意图
在高纯锗γ能谱仪中，探测器（包括晶体、高压和前置放大器）实际上是一个光电转换器，将光子的能量转变成幅度与其成正比的脉冲电流，然后通过谱仪放大器将该脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器（ADC），将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号，并将该数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成能谱图并进行分析。由于γ射线产生的电荷量很小，因此高纯锗探测器系统需要致冷，必须在液氮下工作，以减少自身噪声。为了获得更好的探测下限，γ能谱仪配备屏蔽铅室，以降低本底。
高纯锗探测器对γ射线的探测效率相对NaI（Tl）探测器而言较低，但其能量分辨率较高，是环境样品中复杂γ能谱中最为常用的放射性测量仪器。
（2）α能谱仪
由于α放射性核素一般毒性高且寿命长，在环境中的排放活度限值很低，是环境监测中的重点关注对象。低本底α能谱仪是测量α放射性核素最为灵敏的放射性测量技术。α能谱测量基于衰变过程中发射的α粒子来识别和量化放射性核素。与γ能谱测量类似，α能谱仪系统由高精度探测器和电子功能单元组成，并使用相应的谱图分析软件进行能量和放射性活度分析。
由于α粒子在物质中的射程很短，因此需使用薄窗式探测器进行检测。金硅面垒型探测器和钝化注入平面硅探测器（passivated implanted planar silicon，PIPS）是低本底α能谱仪最为常用的半导体探测元件，二者的探测灵敏度高、本底低，能量分辨率差不多，抽真空使用时能量分辨率[对5.5 Me V 的α粒子的半峰全宽（FWHM）]最好可达到13～30 ke V。金硅面垒型探测器由经过适当处理的单硅晶片表面蒸发沉积上一层薄金制成，该金属-半导体界面有整流特性，工作时以涂金层作为阴极，以硅基片另一面被蒸发沉积上一薄层铝或镍作为电极接触引线与电源正极相连，使用时需配以电荷灵敏的放大器来检测其产生的电流脉冲信号。PIPS探测器利用离子注入装置，将掺杂离子聚焦加速注入硅基片内部。制作时需要通过精确控制掺杂离子的形状及其在硅片中停留的深度和浓度，形成超薄入口窗和低逆漏电流所必需的精确焊接。与传统的金硅面垒型探测器相比，PIPS探测器具有低漏电、低噪声、入口窗薄且坚固耐磨、易于擦洗清洁、灵敏面积可以更大等优点，正在取代金硅面垒型探测器在低本底α能谱仪中的应用。
由于环境样品中的α放射性活性水平通常很低，同时α粒子的射程极短，因此要进行α能谱分析需满足以下几个基本要求：
（1）测量源必须足够薄，以减少由样品自吸收造成“拖尾”而导致能量分辨率变差、探测效率降低，最好能保证测量源样品厚度在50μg/cm2以下；
（2）样品中待测核素需要进行足够的浓缩、分离及纯化，以去除能量相近核素的干扰，满足探测灵敏度的要求；
（3）由于低水平测量的计数时间很长，因此要求探测系统具有足够高的探测效率和很好的长期工作稳定性。
常用的α能谱测量源制样方法包括电沉积法、微沉淀法及点滴蒸发法。总体来说，在上述放射性计数测量方法中，液体闪烁计数法和气体正比计数器最适合β放射性核素的测量。由于液闪计数法样品易于制备且计数效率高，目前在β放射性核素的测量中占主导地位。液体闪烁计数也可用于测量电子俘获衰变所发射的俄歇电子，还可用于高效测量α放射性核素（其探测效率几乎100%），但其分辨率较差。气体正比计数器与液闪仪相比本底更低，可以测量较低的放射性活度，但其探测效率较低。高分辨PIPS和金硅面垒型探测器是α粒子计数最为灵敏的测量手段。高纯锗探测器具有良好的能量分辨率，能在同一样品中同时测定多种放射性核素，是环境样品γ能谱测量的最佳选择。固体闪烁探测器也可用于γ能谱测定，但与高纯锗探测器相比，其能量分辨率很差，因此多数情况下主要用于单通道模式（即一次仅测量一个放射性核素）。对于大多数比活度较低的长寿命放射性核素而言，质谱法比放射性计数测量法的检测限更低。