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高纯锗  射线探测器 及其新技术

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) ， M  30 ，及高本底等极端条件．

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高纯锗  射线探测器 及其新技术

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  1. 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

  2. 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Ｇe • ６．射线踪迹阵列 • ７．脉冲形状分析 • 总结

  3. 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)，M30，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．

  4. 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+ E2n 2keV， • 2.全能效率(full energy efficiency)， • 3.峰总比(peak-to-total ratio)P/T， • 4.颗粒度(granularity)，

  5. 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+ E2n +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.

  6. 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.

  7. Ge探测器的发展 • 提高E, ,P/T性能指标． • 显著提高分辨本领.

  8. 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．

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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。

  12. 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。

  13. 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．

  14. 脉冲形状甄别 • 单次和多次相互作用产生的电流脉冲形状

  15. 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。

  16. 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 ，78cm2，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E2MeV时。单色化脉冲谱． • 联合谱仪。

  17. 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。

  18. 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。

  19. 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。

  20. Gammasphere

  21. Gammasphere

  22. 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。

  23. 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。

  24. ４．Clover和cluster • Clover,四叶苜蓿草 • 四个5070mm2,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．

  25. 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.

  26. 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．

  27. ５．电极分割的Ｇe 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Ｇe分割. • 平面Ｇe正交条． • Canberra Eurisys Mesures in France

  28. 5.1 单端同轴电极分割的Ｇe • 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．

  29. 外电极两维分割 GRETA

  30. 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．

  31. 5.2 Ge平面正交条 • LBNL • P-type,11mm Thick, • 3.8cm3.8cm, • 1919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.

  32. 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．

  33. Compton Telescope • 3D平面做Compton Telescope的原理

  34. 先进的康普顿望远镜 • Advanced Compton Telescope

  35. 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。

  36. Compton 散射 • Compton 散射 • 150keV-8MeV • 3-4次产生全能峰。

  37. 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．

  38. GRETA • GRETA Gamma Ray Energy Tracking Array

  39. Multiple Scattering GRETINA • 30个36重单端同轴,10组.1/4GRETA. • ＄18.8M，2008年.

  40. Compton散射公式 • Compton

  41. 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。

  42. 线极化度测量 • 线极化度测量

  43. ７．脉冲形状分析计算 脉冲形状计算 • dQ/dt=q [E(re)Ｖe + E(rh)Ｖh] /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。

  44. 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。

  45. 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)

  46. 静态和瞬态电荷信号 • 瞬态

  47. 静态和瞬态电流信号 • 电流信号

  48. 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. • Ge30000颗粒.

  49. 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

  50. 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．

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