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1、高純鍺?射線探測(cè)器及其新技術(shù),石宗仁放射性計(jì)量測(cè)試部中國原子能科學(xué)研究院西安,2019,10 21,報(bào)告內(nèi)容,引言1.Ge探測(cè)器2.Ge反康普頓和對(duì)譜儀3.Ge反康普頓譜儀陣列4.clover和cluster 5.電極分割的Ge 6.?射線蹤跡陣列7.脈沖形狀分析總結(jié),引言-基礎(chǔ)和應(yīng)用研究,Ge?射線探測(cè)器有廣泛的應(yīng)用.放射性離子束核物理面對(duì)著:小的反應(yīng)率,高速?射線源的Doppler展寬,大的?射線的多重性
2、(multiplicity),M??30,及高本底等極端條件.無中微子的雙?衰變.天體物理(Compton Telescope)、核醫(yī)學(xué)、核保障等促進(jìn)了HPGe探測(cè)器的發(fā)展.,引言-?射線探測(cè)器的特性,固有的、導(dǎo)出的及與源和環(huán)境有關(guān)的三種特性參數(shù)。1.本征能量分辨率?E/E,Doppler展寬=0, FWHM= ?E2s+ ?E2n ?2keV,2.全能效率(full energy efficiency) ?,3
3、.峰總比(peak-to-total ratio) P/T,4.顆粒度(granularity),,導(dǎo)出的特性參數(shù),角分辨率(angular resolution)??,位置分辨率,考慮Doppler效應(yīng)的有效能量分辨率?E,?E2= ?E2s+ ?E2n +?E2D.優(yōu)良指數(shù)fom=??P/T? ?E-1.分辨本領(lǐng)(resolving power),在大的復(fù)雜的本底中挑選出弱?射線的能力.RP=exp[ln(N0
4、/N)/(1-ln?/lnR)],R=0.76(SE/?E)P/T.,引言-?射線探測(cè)器的特性,5.能量范圍,6.定時(shí)分辨率,7.線極化靈敏度及其優(yōu)良指數(shù),8.探測(cè)下限等。所有參數(shù)都是?射線能量E?及其多重性M?的函數(shù),通常指E?=1.332MeV和M? =1.,Ge探測(cè)器的發(fā)展,提高?E, ?,P/T性能指標(biāo).顯著提高分辨本領(lǐng).,有關(guān)技術(shù)的發(fā)展,電制冷技術(shù)使其廣泛的應(yīng)用,MC模擬為設(shè)計(jì)良好的探測(cè)器及計(jì)算其特性提供工具
5、,數(shù)字電子學(xué).,1.HPGe探測(cè)器,在1962年Ge(Li), A.J.Tavendale and G.T.Ewan?!WHM=6keV,分辨率的革命. 相對(duì)NaI(Tl)的效率??1%。在1971年HPGe,R.H.Pehi et al.?!〈篌w積,現(xiàn)在p型HPGe 的直徑和高度達(dá)?98?110mm2,體積800cc, 質(zhì)量4.4kg,?? 207.6%,F(xiàn)WHM=2.4keV。,HPGe探測(cè)器類型,n-型和p-型Ge
6、.n-型幾keV-20MeV,抗輻照及損傷可恢復(fù).p-型幾十keV-20MeV,有較好的能量分辨率.在幾何上,常用的為單開端同軸和平面兩種,及特殊的,如井型等.單開端同軸可認(rèn)為由同軸平面和真同軸兩部分組成.單開端同軸從n-型和p-型的中心電極通過DC耦合分別引出負(fù)的和正的信號(hào)。,HPGe的響應(yīng)函數(shù),響應(yīng)函數(shù),一個(gè)單能?射線在HPGe探測(cè)器中產(chǎn)生的脈沖幅度譜,特別是峰形函數(shù)。場(chǎng)增量、陷阱和表面道效應(yīng)影響峰形函數(shù)。,脈沖形狀
7、,HPGe探測(cè)器輸出的脈沖形狀與電子和空穴對(duì)的產(chǎn)生位置有關(guān)。單開端同軸的平面部分與z和r,及真同軸部分與r有關(guān).晶軸取向效應(yīng),相對(duì)電場(chǎng)和電載體運(yùn)動(dòng)方向間的夾角影響脈沖形狀。,脈沖形狀的影響,負(fù)面效應(yīng)定時(shí)分辨率比閃爍體差,彈道虧損.正面意義甄別單次和多次相互作用的脈沖,定位.,脈沖形狀甄別,單次和多次相互作用產(chǎn)生的電流脈沖形狀,HPGe的效率,增大HPGe的立體角及其本征效率,即增大體積。增大體積帶來一系列的困難,如偶
8、然和、符合和、彈道虧損、角分辨率及?E等顯著地增加。提高HPGe顆粒度是另一個(gè)重要的方向。保持高效率,克服上述困難,還能實(shí)現(xiàn)?射線源的影像測(cè)量等。,2.Ge反康普頓和對(duì)譜儀,為了提高P/T及單色化脈沖譜,有兩種譜儀:Ge反康普頓譜儀在Ge外套2cm厚的BGO或4cm的NaI。Ge 和閃 爍體的反符合信號(hào)禁戒Ge 的輸出.它適合E?<2MeV ,?7?8cm2,P/T從20%?55%。對(duì)譜儀(pair spectromete
9、r)在Ge外套BGO或NaI環(huán),環(huán)分兩半。Ge 和兩半閃爍體三重符合信號(hào)允許Ge 輸出。它適合E??2MeV時(shí)。單色化脈沖譜.聯(lián)合譜儀。,3. Ge反康普頓譜儀陣列,在1980年Copenhagen, P.Twin. 第一個(gè)用5個(gè)NaI(Tl)屏蔽的Ge(Li)反康譜儀構(gòu)成陣列(Array),稱為TESSA . (total energy suppression shield array)增大立體角和顆粒度。使用Ge探測(cè)器
10、的重大創(chuàng)舉。,Ge反康普頓譜儀陣列的意義,角分布,能級(jí)自旋和多極混合比;通過多重符合得出?射線級(jí)聯(lián)關(guān)系;分辨本領(lǐng)顯著地提高。,現(xiàn)代的陣列,?球(Gammasphere)在1987年美國洛倫茲貝克萊國家實(shí)驗(yàn)室建造?球. 122 個(gè)HPGe + BGO組成,110六角形,12五角形. 有效立體角?2?,全能效率?9%,P/T比?55%。它的最大特點(diǎn)是將70個(gè)HPGe的外電極分割為兩半,顆粒數(shù)增加。,Gammasphere,G
11、ammasphere,Euroball,歐洲球(Euroball)在2019年法國、英國、德國、意大利、丹麥和瑞典等聯(lián)合建造。,Euroball,它由30個(gè)單開端同軸HPGe、26個(gè)clover和15個(gè)cluster探測(cè)器構(gòu)成。 共30+104+105=239.反康陣列的性能達(dá)到極限,需要新概念。,4.Clover和cluster,Clover,四葉苜蓿草四個(gè)?50?70mm2,n-型單端同軸HPGe,每個(gè)相對(duì)NaI的效率
12、?21%,總體積?470cm3.BGO長242mm,厚度從19.5mm到3mm。35mm厚重金屬準(zhǔn)直器用于防止射線直接點(diǎn)火B(yǎng)GO。共用一個(gè)低溫罐.,cluster,半六角形的寬度是59mm,后部圓的直徑是70mm,長度是78mm,總體積?1800cm3,膠丸(encapsulation) Ge探測(cè)器.,clover和cluster,通過直接(direct)和后加 (add-back)兩種方式,后加方式保持大體積的效率,顆粒數(shù)
13、分別增加了4和7倍,適合?射線的線極化度測(cè)量,高能?射線的探測(cè)?,F(xiàn)在,Clover中的外電極分割成,8,16,32.,5.電極分割的Ge,將整塊HPGe探測(cè)器的電極分割(segmentation)是HPGe制造技術(shù)的突破.類型單開端同軸Ge分割.平面Ge正交條.Canberra Eurisys Mesures in France,5.1 單端同軸電極分割的Ge,在1987年LBNL的Gammasphere首先采用.一維
14、分割(沿著軸向和垂直軸向)+脈沖形狀分析.面顆粒(pixel). 兩維分割+脈沖形狀分析,體顆粒度(voxel).特殊的內(nèi)電極分割.,外電極兩維分割,GRETA,特殊的內(nèi)電極分割,HESSI(High Energy Solar Spectroscopic Imager)第一和第二段間反符合,第三段屏蔽.,5.2 Ge平面正交條,LBNLP-type,11mm Thick,3.8cm?3.8cm,19?19正交條在兩側(cè),
15、條寬2.0mm,條間隙0.5mm地側(cè)DC,高壓側(cè)AC耦合.2D位置.,Ge平面正交條,第3維電子和空穴在相反電極的收集時(shí)間差.用做Compton Telescope天體源發(fā)射的核素的特征線.,Compton Telescope,3D平面做Compton Telescope的原理,先進(jìn)的康普頓望遠(yuǎn)鏡,Advanced Compton Telescope,6.?射線蹤跡陣列,在1994 年美國LBNL的科學(xué)家提出了新的?射線蹤跡陣列概
16、念。它122個(gè)(hex.110+pent.12)36重分割的Ge構(gòu)成,稱為?射線能量蹤跡陣列 (Gamma-Ray Energy Tracking Array),簡(jiǎn)稱GRETA。歐洲稱AGATA (Advanced Gamma Tracking Array).由192(hex.180+pent.12)分割的Ge個(gè)構(gòu)成.基于Ge電極的高度分割、脈沖形狀分析(pulse shape analysis)、蹤跡運(yùn)算(tracking al
17、gorithm)和數(shù)字信號(hào)處理電子學(xué)等四個(gè)技術(shù)。,Compton 散射,Compton 散射150keV-8MeV3-4次產(chǎn)生全能峰。,原理,36重分割Ge 構(gòu)成?4?立體角的球殼, Compton散射到其它電極區(qū)段的通過后加方式能夠恢復(fù),提高了?,脈沖形狀分析確定一個(gè)?射線每次相互作用的位置、沉積能量及產(chǎn)生時(shí)間,根據(jù)位置和能量,蹤跡運(yùn)算重建一個(gè)?射線在球殼內(nèi)的蹤跡。全能沉積的保留,非全能的剔出,提高P/T。利用Compton
18、散射公式,從第一相互作用點(diǎn)得到?射線的?角,修正Doppler移位.提高?E.,GRETA,GRETAGamma Ray Energy Tracking Array,GRETINA,30個(gè)36重單端同軸,10組.1/4GRETA.$18.8M,2019年.,Compton散射公式,Compton,,其它優(yōu)點(diǎn),當(dāng)源的位置已知,從?可拒絕本底;高顆粒度,消除偶然和符合和,角分辨率減小 ,0.8?;允許高計(jì)數(shù)率;在10MeV,效率
19、提高一個(gè)量級(jí);通過第二相互作用點(diǎn)確定?射線的線極化度;具有高的優(yōu)良指數(shù)?cQ(E?)2等。,線極化度測(cè)量,線極化度測(cè)量,7.脈沖形狀分析計(jì)算,脈沖形狀計(jì)算dQ/dt=q [E(re)Ve + E(rh)Vh] /V0,電場(chǎng)幾何、電場(chǎng)強(qiáng)度、晶體取向、雜質(zhì)濃度、偏置電壓、探測(cè)器的溫度、及前置放大器的特性等決定了在特定位置產(chǎn)生的脈沖形狀。建立30000個(gè)位置的脈沖形狀的數(shù)據(jù)庫。,脈沖形狀分析的目的和方法,目的得到構(gòu)成脈沖的相互作用
20、次數(shù)、每次的位置及其沉積能量。方法通過最小二乘法比較計(jì)算的與測(cè)量的,得出次數(shù)、每次的位置及其沉積能量。,靜態(tài)和瞬態(tài)電荷信號(hào),在目標(biāo)電極的靜電荷信號(hào)(net charge signal), 在鄰近區(qū)段產(chǎn)生的信號(hào)稱瞬態(tài)電荷信號(hào)(transient charge signal),,靜態(tài)和瞬態(tài)電荷信號(hào),瞬態(tài),靜態(tài)和瞬態(tài)電流信號(hào),電流信號(hào),位置分辨率,比較靜態(tài)和瞬態(tài)電荷的幅度和形狀,比較電流信號(hào)的幅度和過零點(diǎn),位置分辨率遠(yuǎn)小于區(qū)段的幾何
21、尺度.在r、z和?位置分辨率?2mm.Ge?30000顆粒.,總結(jié)-性能比較,在?=30%,M? =1時(shí)類型 ?E keV ?% P/T% ??? 線極化 計(jì)數(shù)率MHz Ge 39 0.07 20 10 - 0.08反康Ge 39 0.07
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