مقایسه عملکرد و ویژگی‌های ساختاری آشکارسازهای سد سطحی سیلیکونی (SSB) و آشکارسازهای سیلیکونی غیرفعال شده (PIPS) در کاربردهای هسته‌ای و پزشکی
محورهای موضوعی : نانوبیوتکنولوژیفاطمه نامدارنیا 1 , لیدا امان الهی درچه 2 * , الهه زین العابدینی 3 , داریوش سرداری 4
1 - دانشجوی دکتری، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 - دانشجوی دکتری، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 - دانشجوی دکتری، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
4 - دکتری، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
کلید واژه: آشکارساز سیلیکونی غیرفعال شده (PIPS), آشکارساز سدّ سطحی سیلیکونی (SSB), ذرات آلفا, ذرات بتا, آشکارسازی پرتو.,
چکیده مقاله :
هدف: افزایش تقاضا برای ایمنی در تأسیسات هسته‌ای، مستلزم بررسی مداوم ذرات رادیواکتیو موجود در هوا، در داخل و اطراف سایت‌های هسته‌ای است. در حالی‌که حوادث هسته‌ای بالقوه مستلزم نظارت جهانی است. آشکارسازهای سیلیکونی نقش مهمی در اندازه‌گیری‌های هسته‌ای و پزشکی ایفا می‌کنند؛ به ویژه در تشخیص دقیق ذرات باردار نظیر آلفا و بتا. دو نوع رایج از این آشکارسازها، یعنی آشکارسازهای با سدّ سطحی سیلیکونی (SSB) و آشکارسازهای سیلیکونی غیرفعال شده (PIPS)، هر یک مزایا و محدودیت‌های منحصربه فردی دارند. در این پژوهش، به بررسی ویژگی‌های ساختاری و عملکردی این دو نوع آشکارساز پرداخته و مقایسه‌ای جامع در زمینه کارایی، پایداری در شرایط محیطی مختلف، و دقت اندازه‌گیری ارائه شده است.
مواد و روش‌ها: ماده اصلی موجود در آشکارسازهای SSB و PIPS سیلیکون (Si14) می‌باشد. روش کتابخانه‌ای برای مقایسه خواص این دو آشکارساز و امکان کاربرد فناوری نانو در ساختار آنها استفاده گردید.
یافته‌ها: نتایج نشان می‌دهد که آشکارسازهایPIPS با داشتن پایداری دمایی و رطوبتی بالاتر، برای کاربردهای طولانی مدت مناسب‌تر هستند. در حالی‌که آشکارسازهای SSB به دلیل حساسیت بالا و پاسخ سریع در شرایط کوتاه مدت و کم هزینه‌تر آزمایشگاهی، در برخی کاربردهای خاص، برتری دارند. این مقایسه می‌تواند به محققان در انتخاب آشکارساز مناسب براساس نیازهای خاص پژوهشی و شرایط محیطی کمک کند.
نتیجه‌گیری: آشکارساز PIPS نسل جدیدی از آشکارسازهای سیلیکونی است که می‌تواند دقت اندازه‌گیری پرتوزایی در نمونه‌های زیستی را افزایش دهد.
Objective: The growing demand for safety in nuclear facilities necessitates continuous monitoring of radioactive particles in the air, both within and around nuclear sites. Meanwhile, potential nuclear incidents require global oversight. Silicon detectors play a vital role in nuclear and medical measurements, particularly in the precise detection of charged particles such as alpha and beta particles. Two common types of these detectors—Silicon Surface Barrier (SSB) detectors and Passivated Implanted Planar Silicon (PIPS) detectors—each offer unique advantages and limitations. This study investigates the structural and functional characteristics of these two detector types and provides a comprehensive comparison of their efficiency, stability under varying environmental conditions, and measurement accuracy.
Materials and Methods: The primary material in both SSB and PIPS detectors is silicon (Si14). A library-based method was employed to compare the properties of the two detectors, along with an exploration of the potential application of nanotechnology in their structures.
Findings: The results indicate that PIPS detectors, with their superior thermal and humidity stability, are more suitable for long-term applications. In contrast, SSB detectors excel in short-term, low-cost laboratory settings due to their high sensitivity and rapid response, offering advantages in specific use cases. This comparison can assist researchers in selecting the appropriate detector based on specific research needs and environmental conditions.
Conclusion: PIPS detectors represent a new generation of silicon detectors capable of enhancing the accuracy of radioactivity measurements in biological samples.
Keywords: Passivated Implanted Planar Silicon (PIPS) detector, Silicon Surface Barrier (SSB) detector, alpha particles, beta particles, radiation detection.
1. Moradnasab Badr Abadi S, Sardari D & Athari M. Application, Advantages and Disadvantages of Galium Arsenide Detectors. Applied Biology. 2016; 6(22): 15-38.
2. Knoll, Glenn F. Radiation detection and measurement. John Wiley & Sons, 2010.
3. Bao, P-F & et al. Development of large-area quadrant silicon detector for charged particles. Chinese Physics C. 2014; 38(12): 126001.
4. Kim, H S & et al. Characteristics of silicon surface barrier radiation detectors for alpha particle detection. Journal of the Korean Physical Society. 2008; 52(6): 1754-1758.
5. Phong, T H N, Van T N & Le Cong H. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2018; 908: 128-135.
6. Domula A R & Thurn J, & Zuber K. Beta-spectroscopy of long lived nuclides with a PIPS detector-setup. EPJ Web of Conferences. vol. 146. EDP Sciences, 2017.
7. Bosch H E & et al. Semiconductor detectors setup for nuclear spectroscopy studies. Nuclear Instruments and Methods. 1974; 117(1): 213-219.
8. Shani G. Radiation Dosimetry Instrumentation and Methods (2001). CRC press, 2017.
9. Muehl B. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Technik und Umwelt, Programme nuclear safety research. Annual report 2001. Pt. 2. Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Technik und Umwelt, Programm Nukleare Sicherheitsforschung. Jahresbericht. T. 2. 2002.
10. Baig N, Kammakakam I & Falath W. Nanomaterials: A review of synthesis methods, properties, recent progress, and challenges. Materials advances. 2021; 2(6): 1821-1871.
11. Kemmer J & et al. Performance and applications of passivated ion-implanted silicon detectors. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2007; 29(1): 733-737.
12. Pelletier J & Anders A. Plasma-based ion implantation and deposition: A review of
physics, technology, and applications. IEEE Transactions on Plasma Science. 2005; 33(6): 1944-1959.
13. Candelori A & et al. Radiation hardness of silicon detectors for high-energy physics applications. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2003; 50(4): 1121-1128.
14. Li S S. Metal–semiconductor contacts. In: Semiconductor Physical Electronics. New York, NY: Springer New York, 2006: 284-333.
15. Bardelli L & et al. Application of digital sampling techniques to particle identification in scintillation detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section
A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2002; 491(1-2):
244-257.
16. Jang M & et al. Design of Radioactive Krypton Detection System using PIPS Detector. 2021.
URL= https://www.kns.org/files/pre_paper/45/21S-035-%EC%9E%A5%EB%AF%B8.pdf
17. Choppin G, Liljenzin J, Rydberg J & Ekberg C. Detection and Measurement Techniques. In: Radiochemistry and Nuclear Chemistry (pp.239-295). 2013
18. The Continuous Air Monitoring (CAM) PIPS Detector Properties and Applications. Mirion, 2021.
19. Aggarwal S K. Alpha-particle spectrometry for the determination of alpha emitting isotopes in nuclear, environmental and biological samples: past, present and future. Analytical methods. 2016; 8(27): 5353-5371.
20. Wang Nan & et al. Design of a Preamplifier for Silicon Detector Redout Experiment. Open Access Library Journal. 2022; 9(11): 1-9.
21. Liu J & et al. Development of Low-Noise Charge-Sensitive Preamplifier Based on PIPS Detector. Open Access Library Journal. 2020; 7(10): 1-8.
22. Mirion Technologies, mirion, Mirion Technologies, Inc., 2025. [Online]. Available at: https://www.mirion.com/faq-for-passivated-implanted-planar-silicon-pips-detectors.