高純鍺射線探測器及其新技術(shù)

1、高純鍺?射線探測器及其新技術(shù),石宗仁放射性計量測試部中國原子能科學(xué)研究院西安，2019,10 21,報告內(nèi)容,引言１．Ge探測器２．Ge反康普頓和對譜儀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?射線探測器有廣泛的應(yīng)用.放射性離子束核物理面對著：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探測器的發(fā)展．,引言－?射線探測器的特性,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－?射線探測器的特性,5.能量范圍，6.定時分辨率，7.線極化靈敏度及其優(yōu)良指數(shù)，8.探測下限等。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)計良好的探測器及計算其特性提供工具

5、，數(shù)字電子學(xué)．,１．HPGe探測器,在1962年Ge(Li)， A.J.Tavendale and G.T.Ewan?！WHM=6keV,分辨率的革命．　相對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。,HPGe的響應(yīng)函數(shù),響應(yīng)函數(shù)，一個單能?射線在HPGe探測器中產(chǎn)生的脈沖幅度譜，特別是峰形函數(shù)。場增量、陷阱和表面道效應(yīng)影響峰形函數(shù)。,脈沖形狀

7、,HPGe探測器輸出的脈沖形狀與電子和空穴對的產(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),相對電場和電載體運動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顆粒度是另一個重要的方向。保持高效率，克服上述困難，還能實現(xiàn)?射線源的影像測量等。,２．Ge反康普頓和對譜儀,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　　爍體的反符合信號禁戒Ge 的輸出．它適合E?＜2MeV ，?7?8cm2，P/T從20%?55%。對譜儀(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允許Ge 輸出。它適合E??2MeV時。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．　第一個用5個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，能級自旋和多極混合比；通過多重符合得出?射線級聯(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驗室建造?球． 122 個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%。它的最大特點是將70個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個單開端同軸HPGe、26個clover和15個cluster探測器構(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?50?70mm2,n-型單端同軸HPGe，每個相對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火B(yǎng)GO。共用一個低溫罐．,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?射線的線極化度測量，高能?射線的探測?，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(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)，簡稱GRETA。歐洲稱AGATA (Advanced Gamma Tracking Array)．由192(hex.180+pent.12)分割的Ge個構(gòu)成.基于Ge電極的高度分割、脈沖形狀分析(pulse shape analysis)、蹤跡運算(tracking al

17、gorithm)和數(shù)字信號處理電子學(xué)等四個技術(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?射線每次相互作用的位置、沉積能量及產(chǎn)生時間，根據(jù)位置和能量，蹤跡運算重建一個?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，從第一相互作用點得到?射線的?角，修正Doppler移位．提高?E．,GRETA,GRETAGamma Ray Energy Tracking Array,GRETINA,30個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,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?；允許高計數(shù)率；在10MeV，效率

19、提高一個量級；通過第二相互作用點確定?射線的線極化度；具有高的優(yōu)良指數(shù)?cQ(E?)2等。,線極化度測量,線極化度測量,７．脈沖形狀分析計算,脈沖形狀計算dQ/dt=q [E(re)Ｖe + E(rh)Ｖh] /V0,電場幾何、電場強度、晶體取向、雜質(zhì)濃度、偏置電壓、探測器的溫度、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算的與測量的，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,在目標(biāo)電極的靜電荷信號(net charge signal), 在鄰近區(qū)段產(chǎn)生的信號稱瞬態(tài)電荷信號(transient charge signal),,靜態(tài)和瞬態(tài)電荷信號,瞬態(tài),靜態(tài)和瞬態(tài)電流信號,電流信號,位置分辨率,比較靜態(tài)和瞬態(tài)電荷的幅度和形狀，比較電流信號的幅度和過零點，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時類型 ?E keV ?% P/T% ??? 線極化 計數(shù)率MHz　Ge 39 0.07 20 10　 － 0.08反康Ge 39 0.07