高纯锗射线探测器及其新技术

石宗仁

放射性计量测试部中国原子能科学研究院

西安， 2006,10 21

报告内容• 引言• １． Ge 探测器• ２． Ge 反康普顿和对谱仪• ３． Ge 反康普顿谱仪阵列• ４． clover 和 cluster • ５．电极分割的Ｇ e • ６．射线踪迹阵列• ７．脉冲形状分析• 总结

引言－基础和应用研究

• Ge 射线探测器有广泛的应用 .

• 放射性离子束核物理面对着：小的反应率，高速射线源的 Doppler 展宽，大的射线的多重性 (multiplicity) ， M30 ，及高本底等极端条件．

• 无中微子的双衰变．• 天体物理 (Compton Telescope) 、核医学、核保障等促进了 HPGe 探测器的发展．

引言－射线探测器的特性

固有的、导出的及与源和环境有关的三种特性参数。• 1. 本征能量分辨率 E/E ， Doppler 展宽

=0,

FWHM ＝ E2s+ E2

n 2keV ，• 2. 全能效率 (full energy efficiency) 　，• 3. 峰总比 (peak-to-total ratio) 　 P/T ，• 4. 颗粒度 (granularity) ，

导出的特性参数• 角分辨率 (angular resolution),• 位置分辨率 ,• 考虑 Doppler 效应的有效能量分辨率 E ，

E2= E2s+ E2

n +E2D.

• 优良指数fom=P/T E-1.

• 分辨本领 (resolving power), 在大的复杂的本底中挑选出弱射线的能力．RP=exp[ln(N0/N)/(1-ln/lnR)],R=0.76(SE/E)P/T.

引言－射线探测器的特性

• 5. 能量范围，• 6. 定时分辨率，• 7. 线极化灵敏度及其优良指数，• 8. 探测下限等。所有参数都是射线能量Ｅ及其多重性Ｍ

的函数，通常指Ｅ＝1.332MeV 和Ｍ ＝１ .

Ge 探测器的发展

• 提高 E, ,P/T 性能指标．

• 显著提高分辨本领 .

有关技术的发展

• 电制冷技术使其广泛的应用，• MC 模拟为设计良好的探测器及计算其特性提供工具，

• 数字电子学．

１． HPGe 探测器

• 在 1962 年 Ge(Li) ， A.J.Tavendale and G.T.Ewan 。

　 FWHM=6keV, 分辨率的革命．　相对 NaI(Tl) 的效率 1 ％。• 在 1971 年 HPGe,R.H.Pehi et al. 。　大体积，现在 p 型 HPGe 的直径和高度达 98

110mm2, 体积 800cc, 质量 4.4kg ， 207.6% ， FWHM=2.4keV 。

HPGe 探测器类型• n- 型和 p- 型 Ge ．

n- 型几 keV-20MeV ，抗辐照及损伤可恢复 .p- 型几十 keV-20MeV ，有较好的能量分辨率．

• 在几何上，常用的为单开端同轴和平面两种，及特殊的，如井型等 .

• 单开端同轴可认为由同轴平面和真同轴两部分组成 .

• 单开端同轴从 n- 型和 p- 型的中心电极通过 DC 耦合分别引出负的和正的信号。

HPGe 的响应函数• 响应函数，一个单能射线在 HPGe 探测器中产生的脉冲幅度谱，特别是峰形函数。

• 场增量、陷阱和表面道效应影响峰形函数。

脉冲形状• HPGe 探测器输出的脉冲形状与电子和空穴对的产生位置有关。

• 单开端同轴的平面部分与 z 和 r ，及真同轴部分与 r 有关 .

• 晶轴取向效应 , 相对电场和电载体运动方向间的夹角影响脉冲形状。

脉冲形状的影响负面效应

• 定时分辨率比闪烁体差，• 弹道亏损．

正面意义• 甄别单次和多次相互作用的脉冲，• 定位．

脉冲形状甄别

• 单次和多次相互作用产生的电流脉冲形状

HPGe 的效率

• 增大 HPGe 的立体角及其本征效率，即增大体积。

• 增大体积带来一系列的困难，如偶然和、符合和、弹道亏损、角分辨率及 E 等显著地增加。

• 提高 HPGe 颗粒度是另一个重要的方向。• 保持高效率，克服上述困难，还能实现射线源的影像测

量等。

２． Ge 反康普顿和对谱仪为了提高 P/T 及单色化脉冲谱，有两种谱仪：• Ge 反康普顿谱仪在 Ge外套 2cm厚的 BGO或 4cm 的 NaI 。 Ge 和闪　　烁体的反符合信号禁戒 Ge 的输出．它适合 E＜ 2MeV ， 78cm2， P/T 从 20%55% 。

• 对谱仪 (pair spectrometer)在 Ge外套 BGO或 NaI 环，环分两半。 Ge 和两半闪烁体三重符合信号允许 Ge 输出。它适合 E2MeV 时。单色化脉冲谱．

• 联合谱仪。

３． Ge 反康普顿谱仪阵列

• 在 1980 年 Copenhagen, P.Twin ．　第一个用 5 个 NaI(Tl)屏蔽的 Ge(Li) 反康谱仪构成阵列 (Array) ，称为 TESSA ．

　 (total energy suppression shield array)

• 增大立体角和颗粒度。• 使用 Ge 探测器的重大创举。

Ge 反康普顿谱仪阵列的意义

• 角分布，能级自旋和多极混合比；• 通过多重符合得出射线级联关系；• 分辨本领显著地提高。

现代的阵列

球 (Gammasphere)• 在 1987 年美国洛伦兹贝克莱国家实验室建造球．

122 个 HPGe + BGO 组成， 110六角形， 12五角形 .

有效立体角 2 ，全能效率 9% ， P/T 比 55% 。

• 它的最大特点是将 70 个 HPGe 的外电极分割为两半，颗粒数增加。

Gammasphere

Gammasphere

Euroball

欧洲球 (Euroball)• 在 1997 年法国、英国、德国、意大利、丹麦和瑞典等联合建造。

Euroball

• 它由 30 个单开端同轴HPGe 、 26 个 clover和 15 个 cluster 探测器构成。

共 30+104+105=239.

• 反康阵列的性能达到极限，需要新概念。

４． Clover 和 cluster

• Clover,四叶苜蓿草• 四个 5070mm2,n- 型单

端同轴 HPGe ，每个相对NaI 的效率 21% ，总体积 470cm3．

• BGO长 242mm ，厚度从19.5mm到 3mm 。

• 35mm厚重金属准直器用于防止射线直接点火 BGO 。

• 共用一个低温罐．

cluster

• 半六角形的宽度是59mm ，后部圆的直径是 70mm ，长度是78mm ，总体积 1800cm3，

• 胶丸 (encapsulation) Ge 探测器 .

clover 和 cluster

• 通过直接 (direct) 和后加 (add-back) 两种方式 ,• 后加方式保持大体积的效率，• 颗粒数分别增加了 4 和 7倍 ,• 适合射线的线极化度测量，• 高能射线的探测。• 现在， Clover 中的外电极分割成， 8 ， 16 ， 32 ．

５．电极分割的Ｇ e

将整块 HPGe 探测器的电极分割 (segmentation) 是 HPGe 制造技术的突破．

类型• 单开端同轴Ｇ e 分割 .

• 平面Ｇ e 正交条．• Canberra Eurisys Mesures in Franc

e

5.1 单端同轴电极分割的Ｇ e

• 在 1987 年 LBNL 的 Gammasphere首先采用 .

• 一维分割（沿着轴向和垂直轴向）＋脉冲形状分析 .面颗粒 (pixel).

• 两维分割＋脉冲形状分析，体颗粒度 (voxel) ．

• 特殊的内电极分割．

外电极两维分割

GRETA

特殊的内电极分割

• HESSI(High Energy Solar Spectroscopic Imager)

• 第一和第二段间反符合，

• 第三段屏蔽．

5.2 Ge 平面正交条

• LBNL• P-type,11mm Thick,• 3.8cm3.8cm,• 1919 正交条在两侧 ,• 条宽 2.0mm ，条间隙

0.5mm• 地侧 DC, 高压侧 AC 耦合 .

• 2D 位置 .

GE X-Y 52 STRIPS TELESCOPE

2 segmented crystals with 13 strips oneach side. Pitch 3mm

THIN WINDOW TECHNOLOGYFabricated by EURISYS MESURES mail: dda_eurisys@compuserve.com

Ge 平面正交条

• 第３维电子和空穴在相反电极的收集时间差．

• 用做 Compton Telescope 天体源发射的核素的特征线．

Compton Telescope

• 3D 平面做 Compton Telescope 的原理

先进的康普顿望远镜

• Advanced Compton Telescope

６．射线踪迹阵列• 在 1994 年美国 LBNL 的科学家提出了新的射线踪迹阵列概念。

• 它 122 个 (hex.110+pent.12)36 重分割的 Ge构成，称为射线能量踪迹阵列 (Gamma-Ray Energy Tracking Array) ，简称 GRETA 。

• 欧洲称 AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) ．由192(hex.180+pent.12) 分割的 Ge 个构成 .

• 基于 Ge 电极的高度分割、脉冲形状分析 (pulse shape analysis) 、踪迹运算 (tracking algorithm) 和数字信号处理电子学等四个技术。

Compton 散射• Compton 散射• 150keV-8MeV

• 3-4次产生全能峰。

原理

• 36 重分割 Ge 构成４立体角的球壳， Compton散射到其它电极区段的通过后加方式能够恢复，提高了，

• 脉冲形状分析确定一个射线每次相互作用的位置、沉积能量及产生时间，

• 根据位置和能量，踪迹运算重建一个射线在球壳内的踪迹。全能沉积的保留，非全能的剔出，提高 P/T 。

• 利用 Compton散射公式，从第一相互作用点得到射线的角，修正 Doppler移位．提高 E ．

GRETA

• GRETA

Gamma Ray Energy Tracking Array

GRETINA

• 30 个 36 重单端同轴 ,10 组 .1/4GRETA.

• ＄ 18.8M ， 2008 年 .

Multiple Scattering

Compton散射公式• Compton

)cos1(12

0

'

cm

EE

E

其它优点• 当源的位置已知，从可拒绝本底；• 高颗粒度，消除偶然和符合和，角分辨率减小 ， 0.8；

• 允许高计数率；• 在 10MeV ，效率提高一个量级；• 通过第二相互作用点确定射线的线极化度；• 具有高的优良指数 cQ(E)2等。

线极化度测量• 线极化度测量

]cossin2'

'['

222

2

220

E

E

E

E

E

Er

d

d

７．脉冲形状分析计算

脉冲形状计算• dQ/dt=q [E(re) Ｖ e + E(rh) Ｖ h] /V0,

• 电场几何、电场强度、晶体取向、杂质浓度、偏置电压、探测器的温度、及前置放大器的特性等决定了在特定位置产生的脉冲形状。

• 建立 30000 个位置的脉冲形状的数据库。

脉冲形状分析的目的和方法

目的• 得到构成脉冲的相互作用次数、每次的位置及其沉积能量。方法• 通过最小二乘法比较计算的与测量的，得出次数、每次的位置及其沉积能量。

静态和瞬态电荷信号

• 在目标电极的静电荷信号 (net charge signal),

• 在邻近区段产生的信号称瞬态电荷信号 (transient charge signal)

静态和瞬态电荷信号

• 瞬态

静态和瞬态电流信号

• 电流信号

位置分辨率

• 比较静态和瞬态电荷的幅度和形状，• 比较电流信号的幅度和过零点，• 位置分辨率远小于区段的几何尺度 .

• 在 r 、 z 和位置分辨率 2mm.

• Ge30000 颗粒 .

总结 - 性能比较在 =30% ， M =1 时• 类型 E keV % P/T% 线极化 计数率

MHz 　• Ge 39 0.07 20 10 　 － 0.08• 反康 Ge 39 0.07 55 10 － 0.08• Gammasphere 39 9 55 10 　 － 0.08• GRETA 3.7 60 80 1 　　能　　 3

总结

• 胶丸，• 共用一个低温罐，• 整块 Ge 的电极分割 ,

• 脉冲形状分析 ,

• 极低本底的 Ge 工作在液体 Argon 等．