Around Radiation Detectors

1. บทนำ

หลังจากที่ได้กล่าวถึงหัววัดรังสีชนิดวัสดุซินทิลเลชัน (Scintillation Detector) ในบทความก่อนหน้า บทความนี้จะกล่าวถึงหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่มีบทบาทสำคัญในงานตรวจวัดรังสีสมัยใหม่ เนื่องจากหัววัดรังสีชนิดนี้มีความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานสูง (high energy resolution) และสามารถวัดพลังงานของรังสีได้อย่างแม่นยำ

หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำใช้วัสดุสารกึ่งตัวนำ (semiconductor materials) เป็นตัวกลางในการตรวจวัดพลังงานของรังสี แตกต่างจากหัววัดแบบซินทิลเลชันที่อาศัยกระบวนการเปล่งแสงของผลึกซินทิลเลเตอร์ หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำสามารถแปลงพลังงานของรังสีให้กลายเป็น สัญญาณไฟฟ้าโดยตรง ผ่านกระบวนการสร้าง คู่ประจุอิเล็กตรอน–โฮล (electron–hole pairs) ภายในเนื้อวัสดุ

เมื่อรังสี เช่น γ-ray, X-ray หรืออนุภาคมีประจุ เดินทางเข้าสู่หัววัดรังสี พลังงานของรังสีจะถูกถ่ายโอนให้กับอิเล็กตรอนในโครงสร้างผลึกของวัสดุ ส่งผลให้เกิดกระบวนการก่อให้เกิดไอออนและสร้างพาหะประจุไฟฟ้า (charge carriers) ภายในวัสดุ ภายใต้สนามไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นในหัววัดรังสี ตัวพาประจุเหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าและสร้างสัญญาณกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถนำไปขยายและวิเคราะห์เพื่อสร้าง สเปกตรัมพลังงานของรังสี ได้

ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำจึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในงานวิเคราะห์รังสีแกมมา การศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ รวมถึงการตรวจวัดรังสีในงานสิ่งแวดล้อมและการแพทย์นิวเคลียร์

2. หลักการทำงานของหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ

หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำส่วนใหญ่ใช้โครงสร้าง p–n junction diode หรือโครงสร้างที่คล้ายกัน โดยมีการจ่ายแรงดันย้อนกลับ (reverse bias voltage) เพื่อสร้างบริเวณที่เรียกว่า พื้นที่ปลอดพาหะประจุไฟฟ้า (depletion region )ซึ่งเป็นบริเวณที่ปราศจากตัวพาหะประจุอิสระ และเป็นบริเวณหลักที่ใช้สำหรับการตรวจวัดรังสี

เมื่อรังสีตกกระทบบริเวณนี้ จะเกิดกระบวนการสร้าง คู่ประจุอิเล็กตรอน–โฮล ภายในผลึกของสารกึ่งตัวนำ จำนวนคู่ประจุที่เกิดขึ้นมีความสัมพันธ์โดยตรงกับพลังงานของรังสี กล่าวคือ รังสีที่มีพลังงานสูงจะสร้างคู่ประจุได้มากกว่า

ตัวอย่างเช่น ในซิลิคอน (Si) การสร้างหนึ่งคู่ประจุต้องใช้พลังงานประมาณ 3.6 eV ดังนั้นเมื่อรังสีถูกดูดกลืนในวัสดุ หัววัดรังสีจะสามารถแปลงพลังงานของรังสีให้กลายเป็นจำนวนคู่ประจุที่สามารถตรวจวัดได้

ภายใต้สนามไฟฟ้าในบริเวณ พื้นที่ปลอดพาหะประจุไฟฟ้า อิเล็กตรอนและโฮลจะถูกแยกออกจากกันและเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้า การเคลื่อนที่ของประจุเหล่านี้ก่อให้เกิด สัญญาณกระแสไฟฟ้า (current pulse) ซึ่งสามารถนำไปขยายและประมวลผลในระบบอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อสร้างสเปกตรัมพลังงานของรังสีได้

3. ชนิดสารกึ่งตัวนำที่เป็นวัสดุพื้นฐานของหัววัดรังสี

วัสดุพื้นฐานของหัววัดชนิดนี้ต้องมีความบริสุทธิ์สูง และมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เหมาะสม เช่น band gap ที่เหมาะสม ความคล่องตัวของตัวพาประจุสูง และความสามารถในการรวบรวมประจุได้ดี ตัวอย่างวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่

ซิลิกอน (Silicon: Si)

ซิลิกอนเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับหัววัดอนุภาค เนื่องจากสามารถผลิตเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำได้ง่ายและมีความเสถียรภาพสูง หัววัดรังสีที่ใช้ซิลิคอนเป็นวัสดุพื้นฐานมักใช้ในการตรวจวัดอนุภาคแอลฟาและบีตา รวมถึงระบบหัววัดรังสีแบบสร้างภาพ (imaging detector) ในฟิสิกส์อนุภาค

นอกจากนี้ ซิลิคอนยังถูกนำมาใช้สำหรับหัววัดรังสีขนาดเล็กและระบบตรวจวัดที่ต้องการความละเอียดเชิงตำแหน่งสูง เช่น หัววัดรังสีแบบระบุตำแหน่งแบบพิกเซล (pixel detector) และ หัววัดรังสีแบบระบุตำแหน่งแบบแถบ (strip detector)

เจอร์มาเนียมบริสุทธิ์สูง (High-Purity Germanium: HPGe)

หัววัดเจอร์มาเนียมบริสุทธิ์สูง High-Purity Germanium (HPGe) เป็นหัววัดรังสีแกมมาที่มีความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานสูงมาก จึงนิยมใช้ในงานวิเคราะห์สเปกตรัมรังสี เช่น

• การวิเคราะห์กัมมันตภาพรังสีในสิ่งแวดล้อม environmental radioactivity analysis มักใช้ในงานการตรวจติดตามการปนเปื้อนทางรังสีในสิ่งแวดล้อม
• การตรวจวิเคราะห์กัมมันตภาพรังสีในตัวอย่างสิ่งแวดล้อม
• การวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานรังสี

อย่างไรก็ตาม หัววัดเจอร์มาเนียมบริสุทธิ์นี้ต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากกระแสรั่วไหลภายในวัสดุจะเพิ่มขึ้นอย่างมากที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นจึงมักต้องใช้ ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) เพื่อทำให้หัววัดรังสี ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

4. ข้อดีของหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ

หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับหัววัดชนิดอื่น ได้แก่

• มี ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงาน (energy resolution) สูงมาก ทำให้สามารถแยกพลังงานของรังสีได้อย่างแม่นยำ
• สัญญาณไฟฟ้าเกิดขึ้นโดยตรงจากการสร้างประจุไฟฟ้า จึงมีการสูญเสียพลังงานในกระบวนการแปลงสัญญาณน้อย
• สามารถออกแบบเป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กและรวมเข้ากับระบบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ได้ง่าย

ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำจึงถูกใช้ในงานวิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์ การแพทย์นิวเคลียร์ การตรวจวัดรังสีสิ่งแวดล้อม และการสำรวจรังสีในอวกาศ

5. ข้อจำกัดของหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ

แม้ว่าหัววัดชนิดนี้จะมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็มีข้อจำกัดบางประการ เช่น

• วัสดุบางชนิดมีต้นทุนสูง โดยเฉพาะเจอร์มาเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง
• บางระบบต้องใช้การทำความเย็นเพื่อให้ หัววัดรังสี ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• อาจเกิดความเสียหายจากรังสี (radiation damage) ได้เมื่อใช้งานในสภาวะการได้รับรังสีความแรงสูงมากเป็นเวลานาน

6. แนวโน้มการพัฒนาในงานวิจัย

ในงานวิจัยสมัยใหม่ นักวิจัยกำลังพัฒนาโครงสร้างแบบใหม่ของหัววัดรังสี ที่รวมข้อดีของวัสดุหลายชนิดเข้าด้วยกัน เช่น

• การรวมวัสดุซินทิลเลเตอร์กับสารกึ่งตัวนำ
• การสร้างโครงสร้างทางเลือก  เช่น การใช้หัววัดรังสีแบบรอยต่อเฮเทอโร (heterojunction detectors) หรือหัววัดรังสีแบบรอยต่อระหว่างสารกึ่งตัวนำต่างชนิดกัน
• การพัฒนาหัววัดรังสีขนาดเล็กที่สามารถรวมเข้ากับระบบอิเล็กทรอนิกส์และระบบอ่านสัญญาณสมัยใหม่ได้

แนวทางดังกล่าวนำไปสู่การพัฒนา อุปกรณ์ตรวจวัดรังสีแบบไฮบริด (hybrid radiation detectors) ซึ่งมีศักยภาพในการเพิ่มความไวในการตรวจวัดและปรับปรุงประสิทธิภาพของ หัววัดรังสี ในงานวิจัยและการใช้งานจริง

เปรียบเทียบหัววัดรังสีสามประเภท

หัววัดรังสีที่ใช้กันในงานวิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมสามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่มหลัก ได้แก่

• หัววัดรังสีชนิดบรรจุก๊าซ (gas detectors)
• หัววัดรังสีชนิดวัสดุซินทิลเลชัน (scintillation detectors)
• หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ

แม้ว่าทั้งสามระบบจะมีจุดประสงค์เดียวกันคือการตรวจวัดรังสี แต่กลไกการสร้างสัญญาณมีความแตกต่างกันอย่างชัดเจน

ตารางเปรียบเทียบกลไกของหัววัดรังสี

ประเภทหัววัด	กลไกการเกิดสัญญาณ	วัสดุที่ใช้โดยทั่วไป	ข้อดีสำคัญ
หัววัดแบบบรรจุก๊าซ	การก่อให้เกิดไอออนกับโมเลกุลหรืออะตอมก๊าซ	Ar, He	โครงสร้างเรียบง่ายและทนทาน
หัววัดแบบวัสดุซินทิลเลชัน	การเปล่งแสงของผลึกซินทิลเลเตอร์	NaI(Tl), CsI(Tl)	ประสิทธิภาพการตรวจวัดรังสีสูง
หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ	การสร้างคู่ประจุไฟฟ้าอิเล็กตรอน -โฮล	Si, Ge	ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานสูง

สมการพื้นฐานของการสร้างประจุในหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ

เมื่อรังสีถูกดูดกลืนในสารกึ่งตัวนำ พลังงานของรังสีจะถูกใช้ในการสร้าง คู่ประจุอิเล็กตรอน–โฮล (electron–hole pairs) จำนวนของคู่ประจุที่เกิดขึ้นมีความสัมพันธ์โดยตรงกับพลังงานที่ถูกดูดกลืนในวัสดุ ซึ่งสามารถประมาณได้จากความสัมพันธ์พื้นฐานดังนี้

โดยที่

• = จำนวนคู่ประจุที่เกิดขึ้น
• = พลังงานของรังสีที่ถูกดูดกลืนในหัววัดรังสี
• = พลังงานเฉลี่ยที่ใช้ในการสร้างหนึ่งคู่ประจุในวัสดุ

ตัวอย่างเช่น ใน ซิลิกอน (Si) ค่า มีค่าประมาณ 3.6 eV ดังนั้นหากรังสีมีพลังงาน 1 MeV และถูกดูดกลืนทั้งหมดใน หัววัดรังสี จะสามารถสร้างคู่ประจุได้ประมาณ

จำนวนประจุที่เกิดขึ้นนี้จะถูกเก็บรวบรวมโดยสนามไฟฟ้าในหัววัดรังสี และถูกแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถนำไปวิเคราะห์ต่อได้

แผนภาพหลักการทำงานของ หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ

หลักการทำงานของหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ สามารถอธิบายได้จากกระบวนการต่อไปนี้

1. รังสีที่ตกกระทบหัววัดรังสีจะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนในโครงสร้างผลึกของวัสดุ
2. พลังงานดังกล่าวทำให้เกิดคู่ประจุอิเล็กตรอน–โฮล ภายในบริเวณ พื้นที่ปลอดพาหะประจุไฟฟ้า
3. ภายใต้สนามไฟฟ้าที่เกิดจากจ่ายแรงดันย้อนกลับ (reverse bias) ทำให้ อิเล็กตรอนและโฮลจะถูกแยกออกจากกัน
4. ประจุจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าและสร้างสัญญาณกระแสไฟฟ้า (current pulse)
5. สัญญาณดังกล่าวจะถูกขยายและประมวลผลโดยระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อสร้างสเปกตรัมพลังงานของรังสี

กระบวนการนี้ทำให้ หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำสามารถวัดพลังงานของรังสีได้อย่างแม่นยำ และเป็นเหตุผลสำคัญที่หัววัดรังสีชนิดนี้ถูกใช้ในงานวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีที่ต้องการความละเอียดสูง

ปัจจัยที่มีผลต่อความละเอียดของหัววัดรังสี

แม้ว่าหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำจะสามารถแปลงพลังงานของรังสีเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่คุณภาพของสัญญาณที่ได้ยังขึ้นอยู่กับปัจจัยทางสถิติและทางอิเล็กทรอนิกส์หลายประการ ปัจจัยสำคัญที่มักถูกกล่าวถึงในงานวิเคราะห์ หัววัดรังสี ได้แก่ Fano factor, electronic noise และ detector resolution

ค่าแฟกเตอร์ฟาโน (Fano Factor)

ในกระบวนการสร้างคู่ประจุอิเล็กตรอน–โฮล จำนวนคู่ประจุที่เกิดขึ้นไม่ได้มีค่าคงที่แน่นอนในทุกเหตุการณ์ แม้ว่าพลังงานของรังสีจะเท่ากันก็ตาม ความแปรปรวนของจำนวนคู่ประจุนี้เกิดจากธรรมชาติของกระบวนการสร้างประจุในวัสดุ

ปัจจัยที่ใช้บรรยายความแปรปรวนดังกล่าวเรียกว่าค่าแฟกเตอร์ฟาโน (Fano Factor) เป็นค่าที่บ่งบอกว่าการกระจายของจำนวนคู่ประจุมีความผันผวนมากน้อยเพียงใดเมื่อเทียบกับการกระจายแบบ Poisson โดยทั่วไปสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอนและเจอร์เมเนียม จะมีค่า Fano factor ต่ำ ทำให้การกระจายของจำนวนประจุมีความแปรปรวนน้อย และช่วยให้หัววัดรังสีมีความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานได้ดี

สัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Noise)

นอกจากความแปรปรวนทางสถิติของกระบวนการสร้างประจุแล้ว สัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากหัววัดรังสียังอาจถูกรบกวนจากสัญญาณรบกวนจากระบบอิเล็กทรอนิกส์ ที่ใช้ในการขยายและประมวลผลสัญญาณ

แหล่งกำเนิดของสัญญาณรบกวนจากระบบอิเล็กทรอนิกส์ อาจมาจากหลายปัจจัย เช่น

• ความผันผวนของกระแสไฟฟ้าในวงจรอิเล็กทรอนิกส์
• กระแสรั่วไหล (leakage current) ภายในหัววัดรังสี
• สัญญาณรบกวนผลจากความร้อนสะสม (thermal noise) ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

สัญญาณรบกวนเหล่านี้อาจทำให้สัญญาณที่ได้จากหัววัดรังสีกว้างขึ้นหรือกระจายมากขึ้น และลดความสามารถในการแยกพลังงานของรังสีที่มีค่าใกล้เคียงกัน

ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานของหัววัดรังสี (Detector Energy Resolution)

ความสามารถของหัววัดรังสีในการแยกพลังงานของรังสีที่แตกต่างกันเรียกว่า ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานของ หัววัดรังสี (detector energy resolution) ซึ่งเป็นหนึ่งในคุณสมบัติสำคัญของหัววัดรังสี

โดยทั่วไปความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานมักแสดงในรูปของ Full Width at Half Maximum (FWHM) หรือ ความกว้างที่ตำแหน่งกึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด หรือ ค่า FWHM ของพีคพลังงานในสเปกตรัมพลังงานของรังสี ถ้าหากได้ค่า FWHM มีค่าต่ำ หมายถึงหัววัดรังสีนั้นสามารถแยกพลังงานของรังสีได้ดี

ในหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานที่ดีเกิดจากการรวมกันของหลายปัจจัย ได้แก่

• จำนวนคู่ประจุที่เกิดขึ้นต่อพลังงานรังสีสูง
• ค่าแฟกเตอร์ฟาโนต่ำ
• ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ

ด้วยเหตุนี้ หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำจึงเป็นเครื่องมือวัดที่สำคัญยิ่งในงานวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานรังสีที่ต้องการความแม่นยำสูง

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าแฟกเตอร์ฟาโน (Fano Factor), สัญญาณรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ Electronic Noise) และ ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงาน (Detector Resolution)

ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานของหัววัดรังสี ไม่ได้ขึ้นอยู่กับปัจจัยเพียงอย่างเดียว แต่เป็นผลรวมของกระบวนการหลายส่วน ตั้งแต่การสร้างประจุภายในวัสดุไปจนถึงการขยายสัญญาณในระบบอิเล็กทรอนิกส์ โดยทั่วไปสามารถพิจารณาองค์ประกอบสำคัญได้สามส่วน ได้แก่

• ความแปรปรวนทางสถิติของกระบวนการสร้างประจุ (Fano statistics)
• สัญญาณรบกวนจากระบบอิเล็กทรอนิกส์ (electronic noise)
• กระบวนการรวบรวมประจุภายในหัววัดรังสี (charge collection)

ในกรณีของหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานสามารถประมาณได้จากความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างพลังงานของรังสีและจำนวนคู่ประจุที่เกิดขึ้นใน หัววัดรังสี

จำนวนคู่ประจุที่เกิดขึ้นมีค่า

โดยที่

•  คือจำนวนคู่ประจุที่เกิดขึ้น
•  คือพลังงานของรังสีที่ถูกดูดกลืน
•  คือพลังงานเฉลี่ยที่ใช้ในการสร้างหนึ่งคู่ประจุ

อย่างไรก็ตาม จำนวนคู่ประจุที่เกิดขึ้นจริงจะมีความผันผวนทางสถิติ ซึ่งถูกอธิบายด้วยค่าแฟกเตอร์ฟาโน ทำให้ความแปรปรวนของจำนวนประจุมีค่า

โดยที่

• คือ ค่าแฟกเตอร์ฟาโน
• คือจำนวนคู่ประจุเฉลี่ย

ความแปรปรวนนี้ส่งผลโดยตรงต่อความกว้างของพีคพลังงานในสเปกตรัมรังสี และสามารถนำไปใช้ประมาณ ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานของ หัววัดรังสี ได้

โดยทั่วไปความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานในรูปของค่า FWHM สามารถประมาณได้จาก

สมการนี้แสดงให้เห็นว่า

• หัววัดรังสี ที่มีค่าแฟกเตอร์ฟาโนต่ำ จะมีความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานดี
• พลังงานเฉลี่ยที่ใช้สร้างคู่ประจุ () มีผลต่อความละเอียดของหัววัดรังสี

ในสารกึ่งตัวนำ เช่น Si และ Ge ค่า Fano factor มีค่าค่อนข้างต่ำดังในตาราง ทำให้หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำมีความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานดีกว่าหัววัดรังสีหลายชนิด

ความสำคัญต่อหัววัดรังสี คือ ค่า Fano factor ที่ต่ำทำให้ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานรังสีได้ดีขึ้น

Detector	Fano factor (ประมาณ)
Si detector	~0.1
Ge detector	~0.08
Gas detector	~0.2

อย่างไรก็ตาม ในระบบตรวจวัดจริง ความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานยังได้รับผลจากสัญญาณรบกวนจากระบบอิเล็กทรอนิกส์ และกระบวนการรวบรวมประจุในหัววัดรังสี ดังนั้นความสามารถในการจำแนกแยกพลังงานรวมของระบบจึงมักพิจารณาเป็นผลรวมของหลายองค์ประกอบ ซึ่งสามารถเขียนในรูปแบบทั่วไปได้ว่า

โดยที่

• คือความแปรปรวนจากสถิติของการสร้างประจุ
• คือผลจากสัญญาณรบกวนจากระบบอิเล็กทรอนิกส์
• คือผลจากความไม่สมบูรณ์ของการรวบรวมประจุ

ความเข้าใจในปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญต่อการออกแบบและปรับปรุง หัววัดรังสีที่มีความสามารถสูงในการจำแนกแยกพลังงาน โดยเฉพาะในงานวิเคราะห์สเปกตรัมพลังงานรังสีแกมมาและการศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ

ตารางเปรียบเทียบวัสดุกึ่งตัวนำสำหรับหัววัดรังสีสมัยใหม่

วัสดุ	สูตรเคมี	พลังงานช่องว่างแถบ (eV)	พลังงานสร้างคู่ประจุ (eV)	ความคล่องตัวของตัวพาประจุ (cm²/V·s)	ความหนาแน่น (g/cm³)	คุณสมบัติเด่น	ตัวอย่างการใช้งาน
ซิลิคอน	Si	~1.12	~3.6	~1350 (อิเล็กตรอน)	2.33	เทคโนโลยีการผลิตพัฒนาแล้ว สัญญาณรบกวนต่ำ	เครื่องตรวจวัดอนุภาคและเครื่องตรวจวัดตำแหน่ง
เจอร์เมเนียมบริสุทธิ์สูง	HPGe	~0.67	~2.9	~3900	5.32	ความละเอียดพลังงานสูงมาก	เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีแกมมา
ซิลิคอนคาร์ไบด์	SiC	~3.2	~7.8	~900	3.21	ทนรังสีสูง ทำงานที่อุณหภูมิสูง	การตรวจวัดนิวตรอนและอนุภาคพลังงานสูง
แกลเลียมไนไตรด์	GaN	~3.4	~8–9	~1000	6.15	ทนต่อสภาวะรุนแรง	หัววัดรังสีไอออไนซ์และรังสีอัลตราไวโอเลต
แกลเลียมออกไซด์	β-Ga₂O₃	~4.8–5.0	~10	~300	5.88	ช่องว่างพลังงานกว้างมาก กระแสรั่วไหลต่ำ	หัววัดรังสีเอกซ์
เพชรสังเคราะห์	C (Diamond)	~5.5	~13	~2200	3.51	ทนรังสีสูงมาก การนำความร้อนดี	เครื่องตรวจวัดอนุภาคพลังงานสูง
โบรอนไนไตรด์	BN	~5–6	~15	~1000	3.45	ทนรังสีและอุณหภูมิสูง	การตรวจวัดนิวตรอน
แคดเมียมซิงค์เทลลูไรด์	CZT	~1.6	~4.6	~1000	5.8	ดูดกลืนรังสีแกมมาดี ทำงานที่อุณหภูมิห้อง	หัววัดรังสีแกมมา
แทลเลียมโบรไมด์	TlBr	~2.7	~6.5	~100	7.56	stopping power สูงมาก	เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีแกมมาแบบพกพา
เพอรอฟสไกต์โลหะเฮไลด์	เช่น MAPbI₃	~1.5–2.3	~4–5	~10–60	~4	ผลิตง่าย ความไวสูง	หัววัดรังสีเอกซ์

วัสดุกึ่งตัวนำรุ่นใหม่สำหรับหัววัดรังสี

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา วัสดุกึ่งตัวนำที่ใช้ในหัววัดรังสีโดยทั่วไป ได้แก่ ซิลิคอน (Si) และ เจอร์เมเนียมบริสุทธิ์สูง (High-Purity Germanium; HPGe) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์เหมาะสมต่อการสร้างและรวบรวมประจุไฟฟ้าที่เกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของรังสีกับสสาร อย่างไรก็ตาม ความต้องการในการตรวจวัดรังสีพลังงานสูง การใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง และการพัฒนาเครื่องตรวจวัดที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง ได้กระตุ้นให้เกิดการวิจัยและพัฒนาวัสดุกึ่งตัวนำชนิดใหม่อย่างต่อเนื่อง

วัสดุเหล่านี้มักอยู่ในกลุ่ม วัสดุกึ่งตัวนำแถบพลังงานกว้าง (วัสดุแถบช่องว่างพลังงานกว้าง; wide-bandgap semiconductors) หรือวัสดุที่มี เลขอะตอมเฉลี่ยสูง (วัสดุเลขอะตอมสูง; high-Z materials) ซึ่งมีคุณสมบัติช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดกลืนรังสีพลังงานสูง เช่น รังสีเอกซ์ (X-ray) และ รังสีแกมมา (γ-ray) อีกทั้งยังช่วยลดการเกิดกระแสรั่วไหลภายในอุปกรณ์ตรวจวัด ทำให้สามารถทำงานได้ที่ อุณหภูมิห้อง (room-temperature operation) โดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบทำความเย็น

วัสดุที่ได้รับความสนใจในการวิจัยด้านหัววัดรังสีในปัจจุบัน ได้แก่

• แกลเลียมออกไซด์ (Gallium Oxide; β-Ga₂O₃)
• เพชรสังเคราะห์ (Diamond)
• โบรอนไนไตรด์ (Boron Nitride; BN)
• เพอรอฟสไกต์โลหะเฮไลด์ (Metal Halide Perovskites)
• แทลเลียมโบรไมด์ (Thallium Bromide; TlBr)
• แคดเมียมซิงค์เทลลูไรด์ (Cadmium Zinc Telluride; CZT)
• ซิลิคอนคาร์ไบด์ (Silicon Carbide; SiC)
• แกลเลียมไนไตรด์ (Gallium Nitride; GaN)

วัสดุเหล่านี้มีศักยภาพในการพัฒนาหัววัดรังสีที่มี ความทนทานต่อรังสีสูง ความละเอียดพลังงานดี และสามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง หรือบริเวณที่มีสนามรังสีเข้มข้น

วัสดุกึ่งตัวนำแถบพลังงานกว้าง

วัสดุในกลุ่ม กึ่งตัวนำแถบพลังงานกว้างมาก (ultra-wide bandgap semiconductors) เช่น

• β-Ga₂O₃
• Diamond
• BN

มีค่าพลังงานช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (bandgap energy) สูงกว่าวัสดุกึ่งตัวนำทั่วไป เช่น ซิลิคอน

ช่องว่างพลังงานที่กว้างช่วยลดการเกิด ตัวพาประจุจากความร้อน (thermal generation of charge carriers) ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของ กระแสรั่วไหลมืด (dark current) ในอุปกรณ์ตรวจวัด ส่งผลให้อุปกรณ์สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงโดยยังคงมีสัญญาณรบกวนต่ำ

วัสดุ เพชร (Diamond) และ โบรอนไนไตรด์ (BN) ยังมีคุณสมบัติเด่นเพิ่มเติม ได้แก่

• ความทนทานต่อรังสีสูง (radiation hardness)
• ความคล่องตัวของตัวพาประจุสูง (carrier mobility)
• การนำความร้อนสูง (thermal conductivity)

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้วัสดุดังกล่าวเหมาะสำหรับการตรวจวัดอนุภาคพลังงานสูง เช่น

• อนุภาคแอลฟา
• การตรวจวัดนิวตรอน

ในขณะเดียวกัน แกลเลียมออกไซด์ (β-Ga₂O₃) ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากสามารถพัฒนาเป็นอุปกรณ์ตรวจวัด รังสีเอกซ์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง

เพอรอฟสไกต์โลหะเฮไลด์

วัสดุในกลุ่ม เพอรอฟสไกต์โลหะเฮไลด์ (metal halide perovskites) เช่น

หรือวัสดุที่มีโครงสร้างผลึกแบบเพอรอฟสไกต์ ได้รับความสนใจอย่างมากในงานวิจัยด้านอุปกรณ์แสง-อิเล็กทรอนิกส์และหัววัดรังสี

คุณสมบัติสำคัญของวัสดุกลุ่มนี้ ได้แก่

• ความทนทานต่อตำหนิในผลึกสูง (defect tolerance)
• ความคล่องตัวของตัวพาประจุสูง
• เลขอะตอมเฉลี่ยสูง

เลขอะตอมที่สูงช่วยเพิ่มความสามารถในการดูดกลืน รังสีเอกซ์และรังสีแกมมา ส่งผลให้วัสดุชนิดนี้มีศักยภาพในการพัฒนาหัววัดรังสีที่มีความไวสูง

นอกจากนี้ วัสดุเพอรอฟสไกต์ยังสามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการเคลือบสารละลาย (solution processing) ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิตและเปิดโอกาสในการสร้างเครื่องตรวจวัดพื้นที่ขนาดใหญ่

วัสดุกึ่งตัวนำสารประกอบสำหรับการตรวจวัดรังสี

วัสดุกึ่งตัวนำชนิดสารประกอบหลายชนิดได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในหัววัดรังสี โดยเฉพาะสำหรับการตรวจวัดรังสีแกมมา

แคดเมียมซิงค์เทลลูไรด์ (CZT)

วัสดุ แคดเมียมซิงค์เทลลูไรด์ (Cadmium Zinc Telluride; CZT) ถือเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับหัววัดรังสีแกมมา เนื่องจากมี

• เลขอะตอมเฉลี่ยสูง
• ความหนาแน่นของวัสดุสูง
• ช่องว่างพลังงานกว้าง

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ CZT สามารถตรวจวัดรังสีแกมมาได้ที่ อุณหภูมิห้อง โดยไม่ต้องใช้ระบบทำความเย็นเหมือนเครื่องตรวจวัดแบบเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์สูง

แทลเลียมโบรไมด์ (TlBr)

วัสดุ แทลเลียมโบรไมด์ (Thallium Bromide; TlBr) เป็นอีกหนึ่งวัสดุที่มีเลขอะตอมสูงและมีศักยภาพสำหรับการตรวจวัดรังสีแกมมา

คุณสมบัติเด่นของวัสดุชนิดนี้ ได้แก่

• ความสามารถในการหยุดยั้งรังสีสูง (stopping power)
• สมรรถนะด้านสเปกตรัมดี
• สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง

ปัจจุบัน TlBr กำลังถูกศึกษาเพื่อใช้ใน เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีแกมมาแบบพกพา

ซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์

วัสดุ ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) เป็นวัสดุกึ่งตัวนำแถบพลังงานกว้างที่ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องสำหรับหัววัดรังสีที่ต้องทำงานในสภาวะรุนแรง

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (4H-SiC)

วัสดุโพลีไทป์ 4H-SiC มีคุณสมบัติสำคัญ ได้แก่

• ความทนทานต่อรังสีสูง
• เสถียรภาพทางความร้อนสูง
• กระแสรั่วไหลต่ำ

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้หัววัดรังสีที่ใช้ SiC เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น

• การตรวจวัดอนุภาคแอลฟา
• การตรวจวัดนิวตรอน
• การตรวจวัดรังสีในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

แกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

วัสดุ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) มีช่องว่างพลังงานประมาณ 3.4 อิเล็กตรอนโวลต์ และถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์กำเนิดแสง

ในด้านหัววัดรังสี วัสดุ GaN กำลังได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ใน

• หัววัดรังสีอัลตราไวโอเลต
• หัววัดรังสีไอออไนซ์
• เซนเซอร์สำหรับสภาพแวดล้อมรุนแรง

วัสดุกึ่งตัวนำอินทรีย์

นอกจากวัสดุกึ่งตัวนำอนินทรีย์แล้ว ยังมีการศึกษา วัสดุกึ่งตัวนำอินทรีย์ (organic semiconductors) สำหรับการตรวจวัดรังสีในบางการใช้งาน

วัสดุประเภทนี้มีข้อดี ได้แก่

• ความยืดหยุ่นของอุปกรณ์สูง
• ต้นทุนการผลิตต่ำ
• สามารถผลิตเป็นเครื่องตรวจวัดพื้นที่ขนาดใหญ่ได้

ในบางระบบมีการพัฒนาโครงสร้างแบบผสม (hybrid structures) เช่น การผสมวัสดุกึ่งตัวนำอินทรีย์กับ ไทเทเนียมออกไซด์ (TiO₂) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการตรวจจับรังสี

การประยุกต์ใช้งานของวัสดุเหล่านี้

การพัฒนาวัสดุกึ่งตัวนำรุ่นใหม่มีบทบาทสำคัญต่อการเพิ่มประสิทธิภาพของหัววัดรังสีในหลายสาขา ได้แก่

• การแพทย์และการสร้างภาพทางการแพทย์
• ความปลอดภัยทางนิวเคลียร์
• ระบบเฝ้าระวังรังสีเพื่อความมั่นคง
• การทดลองฟิสิกส์พลังงานสูง
• การสำรวจอวกาศและการใช้งานในสภาพแวดล้อมรุนแรง

การวิจัยในทิศทางนี้ยังคงดำเนินต่อไปอย่างรวดเร็ว และมีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนา หัววัดรังสีรุ่นใหม่ที่มีความไวสูง ขนาดเล็ก และสามารถทำงานได้ในสภาวะแวดล้อมที่หลากหลาย