高纯锗探测器简介

半导体（高纯锗和Si（Li））探测器拥有精锐的能量分辨率，由其组成的γ和X射线能谱测量技术与产品，不仅是核结构、分子物理、原子碰撞等核物理与核反应研究的重要工具，而且在核电、环境、检验检疫、生物医学、天体物理与化学、地质、法学、考古学、冶金和材料科学等诸多科学与社会领域得到了越来越广泛的应用。四十多年来，ORTEC探测器种类不断丰富、性能不断提高，在探测效率上，能提供相对效率200%的P型同轴探测器、175%效率的P型优化（“宽能”）同轴探测器和100%效率的N型探测器。一、探测器机理与各指标的简要意义放射性核素产生的γ光子和X射线，其能量一般在keV至MeV范围。由于其不带电荷，通过物质时不能直接使物质产生电离，不能直接被探测到，因此γ和X射线的探测主要依赖于其通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子。这种相互作用表现出光子的突变性和多样性，在吸收物质中主要产生三种不同类型的相互作用：光电效应、康普顿效应或电子对效应，而产生的次级电子（光电子）再引起物质的电离和激发，形成电脉冲流，电脉冲的幅度正比于γ和X射线的能量。三种效应中，光电效应中γ光子把全部能量传递给光电子而产生全能峰，是谱仪系统中用于定性定量分析的主要信号；而康普顿效应和电子对效应则会产生干扰，应尽可能予以抑制。在谱仪中，探测器（包括晶体、高压和前置放大器）实际上是一个光电转换器，将光子的能量转变成幅度与其成正比的电脉冲。然后通过谱仪放大器将该脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器即ADC中将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号，并将该数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成谱图并进行分析。以下简要阐明所涉及的相关物理概念：1、相对效率、绝对效率与实际效率相对探测效率（即标称效率）的定义：按ANSI/IEEEStd.325-1996定义，Co-60点源置于探测器端面正上方25cm处，对1.33MeV能量峰，半导体探测器与3×3NaI探测器计数率的比值，以%表示。绝对效率：Co-60点源置于探测器端面正上方25cm处，1.33MeV能量峰处所产生的实际探测效率（3×3NaI探测器，此绝对效率为0.12%）。实际探测效率：取决于感兴趣核素所在能量峰、探测器的晶体结构、实际样品的形状、体积及探测器与样品间的相对位置关系等因素。针对低活度样品的测量，通过提高实际探测效率以提高测量灵敏度是选择探测器的出发点。2、能量分辨率（FWHM）：探测器或系统对不同能量γ和X射线在探测中的分辨能力，通常以半高宽（FWHM，全能峰高度一半处所对应的能量宽度）表示。比如对于1.33MeV能量峰，按ANSI/IEEEStd.325-1996定义，Co-60点源置于探测器端面正上方25cm处，在计数率为1kcps时的全能半高宽。由于高纯锗探测器的分辨率本身已经相当精锐，除了在中子活化、超铀元素分析等少数应用中，能量分辨率已不是首要考虑的因素。更加实际的分辨率问题是在高计数率和计数率动态变化（如中子活化、裂变产物、在线监测、现场测量）情况下，如何保证分辨率尽可能的稳定。3、康普顿效应与峰康比γ光子与探测器中的半导体原子的电子相互作用时，将部分能量传递给电子，剩余能量的γ光子以一定的角度散射出去，成为康普顿散射。康普顿效应的结果会导致在低能部分的全能峰下方形成康普顿坪，成为相关能量峰的本底或甚至淹没此能量峰。峰康比：对1.33MeV能量峰，指其全能峰的中心道计数与1.040MeV至1.096MeV区间内康普顿坪的平均道计数之比。4、峰形表征全能峰对称性之指标，通常以FTWH（十分之一全高宽）与FWHM（半高宽）之比表示。为严格定义峰形，ORTEC对部分探测器同时提供F.02WH（五十分之一全高宽）与FWHM（半高宽）之比。二、ORTEC所有同轴探测器全面严格保证能量分辨率、峰康比和峰形指标。1、ORTECHPGe与Si（Li）探测器的分类与特点：GEM系列:P型同轴HPGe探测器GEMProfile系列:P型优化同轴HPGe探测器同一型号的探测器采用相同的晶体结构和尺寸，从而保证了相当一致的效率曲线；GEM-M系列：专门设计适用于马林杯状样品的测量，探测器端窗直径与晶体有效厚度一致；GEM-F系列：采用扁平结构晶体（直径长度），对于滤纸、滤膜等薄层样品的测量能获得最理想的实际探测效率；GEM-FX系列：有着-F系列类似的晶体结构，但采用超薄的接触极和碳纤维端窗，能量响应范围10keV至10MeV；还可作为超铀元素测量的理想选择；提供15%，20%和50%三种探测效率选择；GEM-MX系列：结合-M与-FX工艺，能量响应范围10keV-10MeV，尤其适合于马林杯状样品；提供38%,66%，115%和175%四种效率选择；GEM-FX与GEM-MX在整个10keV至10MeV（“宽能”）的能量范围内都有十分优异的能量分辨率，从指标与实用意义上实现了传统P型与N型探测器的“优势组合”。Actinide-85:肺部计数HPGe探测器：采用GEM-FX8530探测器工艺，用于肺部计数探测器；采用超低本底冷指材料和整体碳纤维封装结构。SLP系列:X-射线Si(Li)探测器：用于X-射线能谱测量；能量响应范围1keV至30keV；有效面积12.5至200mm2。对于700keV以下的能量峰，120cc体积的井式探测器已能很好的满足探测效率的要求，增大探测器体积并没有太多的实际意义。2、探测器的附属选项及其意义