Radon ist ein natürlich vorkommendes, radioaktives Edelgas, das aus dem Boden in Gebäude eindringen kann und beim Zerfall Alphateilchen freisetzt. Da diese Strahlung als eine der Hauptursachen für Lungenkrebs nach Tabakkonsum gilt, ist eine zuverlässige Messung der Radonkonzentration in Innenräumen von erheblicher praktischer Bedeutung. Der hier vorgestellte Sensor setzt auf eine großflächige PIN-Photodiode, die nicht primär Licht, sondern die energiereichen Alphateilchen direkt detektiert.
Trifft ein Alphateilchen auf die Sperrschicht der PIN-Diode, erzeugt es dort durch Ionisation Elektron-Loch-Paare, deren Ladungsmenge proportional zur Energie des Teilchens ist. Über eine nachgeschaltete Ladungsverstärkerstufe und Pulsformung lässt sich daraus ein Spektrum gewinnen, das verschiedene Alphaenergien unterscheidet. Diese Energiediskriminierung ist entscheidend, um die Zerfallsprodukte von Radon-222 von anderen natürlichen Strahlungsquellen abzugrenzen und so eine belastbare Konzentrationsangabe zu ermöglichen.
Bauform und Messprinzip
Die vergleichsweise große aktive Fläche der PIN-Photodiode erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass emittierte Alphateilchen überhaupt erfasst werden, was insbesondere bei den ohnehin geringen Zerfallsraten in Wohnraumluft die Nachweisempfindlichkeit verbessert. Die Diode arbeitet dabei in Sperrrichtung vorgespannt, wodurch die Verarmungszone vergrößert und die Ladungssammlung effizienter wird. Eine integrierte Auswerteelektronik übernimmt Pulszählung und spektrale Klassifizierung direkt im Gerät, sodass sich kompakte, batteriebetriebene Endprodukte für den Heimgebrauch realisieren lassen.
Für die Halbleiterfertigung solcher Sensoren sind vor allem eine niedrige Leckstromdichte und eine hohe Reinheit des Silizium-Ausgangsmaterials von Bedeutung, da Störsignale das schwache Nutzsignal einzelner Teilchentreffer leicht überdecken können. Damit reiht sich diese Anwendung in die wachsende Zahl strahlungssensitiver Siliziumdetektoren ein, die von der Dosimetrie bis zur Umweltüberwachung reichen.