高纯锗探测器课件.ppt

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1、高纯锗探测器与其他探测器第四节：高纯锗探测器1.高纯锗探测器的结构2.同轴型高纯锗探测器的电场和电容3.高纯锗探测器的主要性能由于一般半导体材料的杂质浓度和外加高压的限制，耗尽层厚度为1～2mm。对强穿透能力的辐射而言，探测效率受很大的局限。由此而研发的一种耗尽层厚度较大，杂质浓度低，电阻率极大的半导体探测器。其基底为高纯度的锗，称之为高纯锗半导体探测器。什么是高纯锗探测器？4.1高纯锗探测器的结构高纯锗探测器的结构主要有两种：平面型同轴型1）平面型高纯锗探测器其工作原理与结构与PN节半导体探测器区别不大，但体积较小，且厚度为5mm

2、-10mm，常用于低能或X射线的探测以及高能的带电粒子的测量。其工作时需要注意两点：1.要求其工作在全耗尽状态2.要求在液氮温度下使用（77K）高纯锗探测器禁带宽度只有0.7eV左右，，保证Ge晶体工作于半导体状态，并防止电子因为温度自激发带来显著噪声。另外整个探测系统中的前置放大器通常与探测器安装在一起，前置放大器中的第一级场效应晶体管（FET）也被冷却至接近77K的温度，目的是为了减少FET噪音。因此如果温度升高（但在可接受范围内），可能观察到探测器漏电流的显著升高，探测器漏电流会使spectrum中低于30keV的区间内出现

3、显著噪音信号，漏电流的变化可使能量分辨率恶化。2）同轴型高纯锗半导体探测器同轴型的特点：由于锗晶体沿着轴向可以做的很长，因此轴向探测器的有效探测长度以及灵敏体积可以做得很大（可达400cm3），从而可以用来测量穿透能力强的高能射线（10Mev的γ射线）。同轴型高纯锗探测器结构P型HPGe本征区N层探测器外加电压同轴高纯锗可以是P型（常规型）也可以是N型（倒置型）Ge,其外加电压有所不同。P型HPGe本征区N层关于探测器的引出电极通常采用外表面接法，这样随着外加电压的增大耗尽层将由外表面向里扩散，当达到耗尽电压时耗尽层刚好到达内表面。

4、由于电极附近的场强较大，因此有利于载流子的收集，对P型HPGe,外表面为n+接触，通常采用Li作为外表面，厚度为600um左右，外加电压采用外接法，对N型HPGe则正好相反，外表面为P+接触，施加电压为倒置电压。4.2同轴型高纯锗探测器的电场和电容在柱坐标中，泊松方程可以转化为如下形式：这里考虑双端同轴型，设内外径分别为r1,r2，设外加电压为VB，即V（r2）-V（r1）=VB安此边界条件可求出：1）电场：直角坐标柱坐标积分形式:静电场的基本方程微分形式：电势的泊松方程电势的泊松方程电位ϕ满足的泊松方程柱坐标中，电势的泊松方程直角

5、坐标柱坐标2）电容：对于圆柱体由高斯公式可知由此可得到电势从而有圆柱形HPGe的电容4.3高纯锗探测器的主要性能3.1能量分辨率3.5中子辐照3.2探测效率3.4电荷收集和时间特性3.3峰康比与峰形状4.3.1能量分辨率影响分辨率的因素射线产生的电子空穴对的涨落电子空穴对的俘获探测器及仪器的电子学噪声工作温度为载流子数的涨落为漏电流和噪声为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小总能量分辨率4.3.1能量分辨率4.3.2探测效率探测效率的影响因素探测器的灵敏体积几何形状临近探测器的物质射线的能量这里仅讨论了γ射线与特征

6、x射线的探测效率4.3.2探测效率（2）相对效率（1）绝对全能峰探测效率εp绝对全能峰探测效率εpεp=全能峰——光电效应＋所有的累计效应εp是射线能量的函数，因此想要高的探测效率需要使入射的射线全部沉积在灵敏体积当中通常需要知道εp-Eγ的关系曲线，一般采用刻度法。左图为HPGe和Ge(Li)探测器的效率刻度曲线，是用能量和各能量射线分支比已知的放射源进行刻度的，可以看到在能量为200keV-3MeV之间相对效率与射线能量之间的关系近似为一条直线。在这个能量区间的探测效率相对来说可以准确的获得。射线的能量有关与HPGe的灵敏体积有

7、关源与探测器的距离有关εpεp有关的因素相对探测效率相对效率=B=Co(60)1.33MeVgamma射线在NaI（ϕ7.62cm×7.62cm）闪烁体探测器中光电峰面积A=Co(60)1.33MeVgamma射线在HPGe灵敏体积中的光电峰面积由于相对效率与光电峰的面积有关，而光电峰与灵敏体积有关，因此，体积越大效率会增加，其间的关系（相对于1.33MeV）可表示为如下公式相对效率（%）=4.3.3峰康比与峰形状峰康比：全能峰(光电峰)多次Compton散射单逃逸峰双逃逸峰提高峰康比的方法：增大灵敏体积；选着好的几何形状（轴长等于

8、直径，中心孔尽量小）；高的能量分辨率；相对效率为10%到100%的同轴型HPGe峰康比约为40:1到80:1低能射线的全能峰一种HPGe反康普顿谱仪反符合屏蔽与康普顿抑制低本底HPGeγ谱仪用HPGe反康普顿探测器测得的60Co