10.3.3 锂漂移和高纯锗半导体探测器的性能与应用在线视频

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