当前课程知识点:核辐射物理及探测学 > 第十章 半导体探测器 > 10.3 锂漂移和高纯锗半导体探测器 > 10.3.3 锂漂移和高纯锗半导体探测器的性能与应用
锂漂移型的锗探测器
和高纯锗探测器
在测量能谱方面或者在
主要性能方面
其实是很相似的
所以我们把它的性能和应用
放在同一个地方来讲叙
下面我们来介绍一下锂漂移
和高纯锗半导体探测器的
性能和应用
我们先来看一下
它的结构方面
结构方面的话
我们说主要的结构
当然是两种结构
一个是平面型的结构
一个是同轴型的结构
平面型结构的话
通常体积比较小的
一般厚度是在2cm以内
通常用它来测量
低能的γ射线或者X射线
同轴型的呢
体积可以做得比较大
主要用于γ射线的探测
我们说对于不同的结构形式
灵敏体积的电场分布
也是不一样的
对高纯锗探测器而言
你还要考虑它
空间电荷的一个影响
我们来看一下
探测器的输出信号
我们说对平面型
和同轴型的探测器
如果电场形式已知
本征电流在电容上积分
就可以得到输出电压信号
这个输出电压信号的形状
也可以定量的去描述
和电离室其实相似
我们说载流子漂移速度越快
载流子收集时间它就会越短
这种情况下
就可以获得比较快的
电压脉冲信号的上升时间
这个上升时间和入射带电粒子
产生电子空穴对的位置
其实有关系的
所以我们说锂漂移型的
或者高纯锗半导体探测器
它输出电压脉冲信号
它是一种变前沿的
电压脉冲信号
我们来看一下
这个变前沿它的特征
我们先来看
对于一个平面型的探测器
对于平面型的探测器的话
我们从上到下
给它分了几个不同的位置
不同的位置去电离
产生电子空穴的话
我们说这个电子空穴
它分别被收集之前
走得距离是不一样的
例如我们在1这个地方
生成一个电子空穴对
在这个地方我们知道
电子是往上走空穴是往下走
所以电子收集是很快被收集了
空穴是往下走可以收集
如果我们说空穴
它迁移率稍微低一点的话
你会看到收集时间
它就会比较长
然后在5这个位置我们看
这个地方生成的电子空穴对
空穴产生了之后
它是不用走直接就被收集了
但是电子要从下走到上面去
被收集
所以这个地方
它会经历电子的一个漂移时间
如果电子的迁移率比较高的话
这个时间就会稍微短一点
中间各个位置它产生的不同
所以它时间也是不一样
尤其是在正中间的话
它两种载流子往两边走
可能走得距离差不多
或者是正好两边
走得时间相同的话
这个所需要的时间
就会比较短
也就可以看出来
电流的持续时间不一样
电流的持续时间不一样
电压信号的上升时间
也不一样
旁边这张图描述的
就是电压脉冲信号前沿
是一个变前沿的这种信号
当然这个时间
我们是把它放大了一个时间
我们要知道时间
就是载流子的收集时间
其实也是在纳秒量级的
一般情况
当然这个时间的涨落
并不会太大
如果是一个同轴型探测器的话
不同位置生成的电子空穴对
它的收集显然也是不一样的
具体的分析
我们不再去描述
我们知道它不同的位置生成
然后收集的时间不一样
所形成的
两种电流的情况不一样
所以造成的电压脉冲信号的
前沿也是变化的
这是它的输出
电压脉冲信号的情况
由于这样的情况
其实我们对于锂漂移
或者高纯锗半导体探测器
我们后面用到的放大器
依然是电核灵敏放大器
用电核灵敏前置放大器的话
我们时间常数很大
其实我们都可以达到
它的Q除以C
这样的一个输出信号的情况
如果我们不用来测时间的话
它的前沿变化
对于我们测幅度
是没有太大影响的
我们来看一下它的性能
性能的话
当然我们主要用它来测能谱
能量分辨率依然是
最重要的一个指标
能量分辨率和我们前面
讲述的PN结型的
半导体探测器的能量分辨率的描述
其实一样
这个里面我们要注意
它也是包括了这么几个部分
第一个当然是统计涨落
所带来的影响
所以我们用ΔE1去表示它
这是统计涨落的一个影响
噪声和漏电流等等的影响
我们用ΔE2去表示
具体的ENC
和我们前面描述那个是一样的
其它的部分所造成的影响
我们用ΔE3去表示
它们之间的关系
就是最后能够形成
整个探测器的能量分辨率
一定是各个线宽的平方和
再开方
这个关系我们之前讲过
一定是平方和再开方才能得到的
这是它的能量分辨率
我们看一下Si(li)
和Ge(li)平面型探测器
我们说主要测量
低能的γ射线或X射线
能量分辨率
通常用Fe55衰变产生的
Mn的能量为5.95KeV的
特征X射线为标准
来描述它的能量分辨率
一般的指标就是ΔE就是线宽
差不多在160到200eV
这样的一个能量分辨率
高纯锗探测器
和Ge(Li)同轴型的探测器
主要用于测γ射线
一般情况下
我们是用Co60的
能量为1.332MeV的γ射线
为标准去测量
它的能量分辨率
通常情况下指标可以达到
ΔE1.5到2个KeV
这样的一个范围
这是它的能量分辨率
我们刚开始的时候
也说过这样的一张图
从能量分辨率角度来说
显然闪烁探测器
是能量分辨率最差的一类探测器
气体探测器
就是像正比计数器
它的能量分辨率
在中间的位置
半导体探测器
能量分辨率是最好的
之所以会这样
和它的W值是密切相关的
闪烁探测器的
平均电离能最大
所以它的能量分辨率就差
当然这个描述的
还是它统计涨落的那个部分
也就是说
对于能量分辨率来说
统计涨落的影响
始终是一个非常重要的影响
我们要时时刻刻考虑到
有这样一个影响的存在
当然如果你测量
很低能量射线的时候
可能这种情况下
噪声的影响
反而有的时候
比你那个统计涨落的
造成的影响还要大
我们来看一下探测效率
探测效率
通常我们大家可以给它
有各式各样的
我们前面介绍过的
本征探测效率
或者绝对探测效率去描述它
这里面我们介绍一个
相对探测效率
对于这种高纯锗探测器
或者是同轴型的锗锂探测器
我们通常用相对效率
去描述它的探测效率
相对谁的探测效率呢
相对的是3英寸
乘以3英寸的
NaI(TI)晶体的探测效率
我们定义它为100%
其它的探测效率
和它去做比较
例如我们说一个85立方厘米的
高纯锗探测器
它的探测效率
可以达到19%
19%就是相对到上面
NaI(TI)晶体探测效率
得到的一个相对探测效率
之所以用这样的
一个相对探测效率
是因为我们3英寸乘以3英寸
的NaI(TI)晶体
作为探测器的这种探测器
可以看成是
一个标准的γ探测器
做了很多的数据
它已经有很多的数据了
然后我们可以和它做对比
做对比的话
大家以它为参照
也可以相互之间去做比较的
我们来看一下峰的形状的描述
峰的形状描述的话
我们对于半导体探测器
测量到的γ能谱通常
用峰康比去描述它的峰形
峰康比指的是全能峰的高度
除以康普顿坪的平均高度
用它来描述
测到的能谱的形状
好还是不好
通常情况下
我们希望峰康比尽量大一点好
因为越大的话
康普顿成分占的比例就越小
峰就越突出
峰越突出的话
它的好处就是
如果你是一个弱峰
也就是说如果本身
这个能量射线的γ射线
强度比较小
这种情况下
如果你的峰康比不够大的话
你的峰可能就会突出不来
就是找不到
峰康比就越大
我们越可以找那种
比较弱的能量γ射线
当然这个峰康比
和你的半宽度是有关系的
和能量分辨率有关系
能量分辨率越好
它这个峰就会越瘦
越瘦它就会越高
在同样的探测效率的情况下
就是面积一定
它越瘦当然就越高
越高峰康比就会越大
通常情况下
我们说峰康比
可以达到几十这样的量级
如果我们再采取一定的措施
加上我们一些测量的方法
例如我们用反符合
把康普顿成分给它压低
那峰康比可以达到几百 对吧
600到800这样的量级
这样的话我们就可以找到
那些强度很弱的γ射线
其它的性能还包括
它的能量线性和时间特性
当然能量线性
我们说是非常好的
时间特性和我们前面讲说的
PN结型的半导体探测器
其实是类似的
它的载流子收集时间
差不多是纳秒
到10纳秒
这样的量级
所以它的时间特性
我们也可以用这个去描述它
就是说时间分辨本领的话
在纳秒量级
分辨时间的话
其实还是和后面的放大器
选择的时间参数有关系
我们通常是在几个微秒
或者十几个微秒
这样的一个量级
我们再来看一下它的应用
高纯锗和锗锂探测器
主要用来测γ射线
我们说用它来组成γ谱仪
来测γ射线
主要用到的就是锗本身
它的密度比较大
密度是5.32克每立方厘米
原子序数也比较大是32
整个谱仪的构成
当然包括了探测器本身
探测器本身包括了这个晶体
前置放大器
当然还要注意
一定会有一个低温的装置
低温装置的话
是给晶体和前置放大器
提供一个低温环境的
再往后的话
它会有谱放大器
谱放大器要考虑它的稳定性
抗过载能力等等一些性能
再往后的话
就是多道脉冲幅度分析器
这个地方我们要注意
多道脉冲幅度分析器
如果前面用到的是
半导体探测器的话
尤其是高纯锗
或者锗锂探测器的话
多道脉冲幅度分析器的道数
一定要在4000道 8000道
或者是更高道数
因为你道数低的话
它的能量分辨率好的特性
就发挥不出来了
我们如果前面
是一个闪烁探测器的话
这个多道通常1000道
或者512道也都够用
但是用半导体探测器的话
这个多道道数一定要多一些
再往后面的话
当然会有计算机的处理
γ谱仪就是用
半导体探测器组成的
γ谱仪它的应用
主要像活化分析
活化分析是中子照射材料之后
材料发射γ射线
然后通过γ射线的测量
去做分析的一种方法
这种方法当然希望
对这个γ射线
有更多的能量分辨能力
更好的强度测量
测量的准确性才能提高
所以这是它的应用
当然还有X射线荧光分析
或者核物理研究等等
也会用到由我们半导体探测器
所构成的γ谱仪
另外一个就是锗锂探测器
我们知道锗
本身它的原子系数比较低
密度也比较低
所以我们说
对于一般能量的γ射线
它的光电截面比锗要小的多
所以它主要测量的
是低能的γ射线
或者X射线的测量
在这种情况下
它可以得到比较高的光电截面
而且硅的X射线能量比较低
它的逃逸现象
会比锗的X射线逃逸要轻的多
锗的X射线的能量
差不多是到了10KeV
铬的只有1点几个KeV
所以这样的话
我们如果测量
低能的X射线或γ射线
用锗探测器会更合适一点
另外一个
如果你测量这种β粒子
或者电子时候
用这种低原子系数的探测器
也是好的
所以硅探测器也可以用来测
β粒子或者电子
这个是关于锂漂移型的探测器
和高纯锗探测器
它的性能和应用的一个部分
-1.1 基础知识、常量与单位
-1.2 原子核的构成、表示方法与相关术语
-1.3 原子核的大小与稳定性规律
-1.4 原子核的结合能
-1.5 原子核的自旋
-1.6 原子核的磁矩与电矩
-1.7 原子核的统计性质、宇称与能态
-课后作业--作业
-2.1 放射性衰变的基本规律
-2.2 递次衰变规律
-2.3 放射系
-2.4 放射规律的一些应用
-课后作业--作业
-3.1 原子核的衰变方式
-3.2 α衰变
-3.3 β衰变
-3.4 γ跃迁
-课后作业--作业
-4.1 核反应的概况
-4.2 核反应能和Q方程
-4.3 核反应截面和产额
-4.4 反应机制及核反应模型
-课后作业--作业
-6.1 辐射与物质相互作用概述
-6.2 重带电粒子与物质的相互作用
-6.3 快电子与物质的相互作用
-6.4 γ射线与物质的相互作用
-课后作业--作业
-7.1 统计学的基础知识
-7.2 放射性测量的统计误差
-7.3 电离过程的涨落与法诺分布
-7.4 粒子束脉冲的总电离电荷量的涨落
-7.5 时间间隔的统计分布
-课后作业--作业
-8.1 气体中离子与电子的运动规律
-8.2 电离室
--8.2.3 脉冲电离室的主要性能指标第一部分:能量分辨率
--8.2.4 脉冲电离室的主要性能指标第二部分:饱和特性、坪特性等
-8.3 正比计数器
-8.4 G-M计数管
-8.5 气体探测器小结
-课后作业--作业
-9.1 闪烁体
-9.2 光电倍增管
-9.3 闪烁探测器
-9.4 单晶闪烁谱仪
-课后作业--作业
-10.1 半导体与半导体探测器
-10.2 PN结半导体探测器
-10.3 锂漂移和高纯锗半导体探测器
-10.4 其他半导体探测器
-课后作业--作业
-12.1 活度测量方法
-12.2 符合测量法
-12.3 γ能谱解析
-课后作业--作业
-13.1 中子的基本特性与分类
-13.2 中子源
-13.3 中子与物质的相互作用
-13.4 中子探测的特点与探测方法分类
-13.5 常用的中子探测器
-课后作业--作业