Qué es el detector de germanio de alta pureza – HPGe – Definición

Los detectores de germanio de alta pureza (detectores HPGe) son la mejor solución para la espectroscopía precisa de rayos gamma y rayos X. Los detectores HPGe deben funcionar a temperaturas muy bajas de nitrógeno líquido. Dosimetría de radiación
Detector HPGe - Germanio
Detector HPGe con criostato LN2 Fuente: canberra.com

Detectores de germanio de alta pureza ( detectores de HPGe ) son la mejor solución para precisa gamma y espectroscopia de rayos x . En comparación con los detectores de silicio , el germanio es mucho más eficiente que el silicio para la detección de radiación debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y debido a la menor energía promedio necesaria para crear un par de agujeros de electrones , que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio Debido a su mayor número atómico, Ge tiene un coeficiente de atenuación lineal mucho más lager, lo que conduce a una ruta libre media más corta. Además, los detectores de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, mientras que el germanio puede tener un agotamiento,espesor sensible de centímetros y, por lo tanto, se puede utilizar como detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.

Antes de que se refinaran las técnicas de purificación actuales, los cristales de germanio no podían producirse con la pureza suficiente para permitir su uso como detectores de espectroscopía. La pureza de un material detector es de suma importancia. La colección de pares de electrones dentro del detector debe hacerse dentro de un tiempo razonablemente corto. Además, no debe haber trampas que puedan evitar que lleguen a los contactos de recolección. Los centros de captura pueden deberse a:

  • Impurezas dentro de la red semiconductora
  • Átomos intersticiales y vacantes dentro de la red debido a defectos estructurales.
  • Atomos intersticiales causados ​​por daño por radiación

Las impurezas en los cristales atrapan electrones y agujeros, arruinando el rendimiento de los detectores. En consecuencia, los cristales de germanio se doparon con iones de litio (Ge (Li)), para producir una región intrínseca en la que los electrones y los agujeros podrían alcanzar los contactos y producir una señal.

Para lograr la máxima eficiencia, los detectores HPGe deben funcionar a temperaturas muy bajas de nitrógeno líquido (-196 ° C), porque a temperaturas ambiente el ruido causado por la excitación térmica es muy alto.

Dado que los detectores HPGe producen la resolución más alta disponible en la actualidad, se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones, incluido el monitoreo del personal y el medio ambiente para detectar contaminación radiactiva, aplicaciones médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares.

Partes de detectores HPGe

El principal inconveniente de los detectores de germanio es que deben enfriarse a temperaturas de nitrógeno líquido. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo , estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de portadores de carga a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector. Recuerde, la brecha de banda (una distancia entre la valencia y la banda de conducción ) es muy baja para germanio (Egap = 0.67 eV). El enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido (-195.8 ° C; -320 ° F) reduce las excitaciones térmicas de los electrones de valencia, de modo que solo una interacción de rayos gamma puede dar a un electrón la energía necesaria para cruzar la brecha de banda y alcanzar la banda de conducción.

Por lo tanto, los detectores HPGe generalmente están equipados con un criostato . Los cristales de germanio se mantienen dentro de un recipiente de metal evacuado denominado soporte del detector . El soporte del detector, así como la «tapa final», son delgados para evitar la atenuación de los fotones de baja energía. El soporte generalmente está hecho de aluminio y típicamente tiene un grosor de 1 mm. La tapa final, también está generalmente hecha de aluminio. El cristal HPGe dentro del soporte está en contacto térmico con una varilla de metal llamada dedo frío . El dedo frío transfiere calor desde el conjunto del detector al depósito de nitrógeno líquido (LN 2 ). La combinación del recipiente de metal al vacío, el dedo frío y el matraz Dewarpara el nitrógeno líquido el criógeno se llama criostato. El preamplificador detector de germanio normalmente se incluye como parte del paquete de criostato. Dado que el preamplificador debe ubicarse lo más cerca posible para que se pueda minimizar la capacitancia general, el preamplificador se instala conjuntamente. Las etapas de entrada del preamplificador también se enfrían. El dedo frío se extiende más allá del límite de vacío del criostato en un matraz Dewar que está lleno de nitrógeno líquido. La inmersión del dedo frío en el nitrógeno líquido mantiene el cristal HPGe a una temperatura baja constante. La temperatura del nitrógeno líquido se mantiene constante a 77 K (-195.8 ° C; -320 ° F) por ebullición lenta del líquido, lo que resulta en la evolución del gas nitrógeno. Dependiendo del tamaño y el diseño, el tiempo de retención de los matraces de vacío varía de unas pocas horas a unas pocas semanas.

El enfriamiento con nitrógeno líquido es inconveniente, ya que el detector requiere horas para enfriarse a la temperatura de funcionamiento antes de que pueda usarse, y no se puede permitir que se caliente durante el uso. Los detectores HPGe pueden calentarse a temperatura ambiente cuando no están en uso . Cabe señalar que los cristales de Ge (Li) nunca podrían calentarse, ya que el litio saldría del cristal y arruinaría el detector.

Se hicieron disponibles sistemas comerciales que utilizan técnicas avanzadas de refrigeración (por ejemplo, un  enfriador de tubo de pulso ) para eliminar la necesidad de enfriamiento con nitrógeno líquido. Este sistema de enfriamiento es un criostato alimentado eléctricamente, completamente libre de LN 2 .

Ver también: detectores de germanio, MIRION Technologies. <disponible en: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Detector HPGe – Principio de funcionamiento

El funcionamiento de los detectores de semiconductores se resume en los siguientes puntos:

  • La radiación ionizante ingresa al volumen sensible ( cristal de germanio ) del detector e interactúa con el material semiconductor.
  • El fotón de alta energía que pasa a través del detector ioniza los átomos de semiconductores, produciendo los pares de electrones . El número de pares de electrones es proporcional a la energía de la radiación al semiconductor. Como resultado, se transfieren varios electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción, y se crea un número igual de agujeros en la banda de valencia.
  • Dado que el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible, pueden absorber totalmente fotones de alta energía  (hasta pocos MeV).
  • Bajo la influencia de un campo eléctrico, los electrones y los agujeros viajan a los electrodos, donde producen un pulso que se puede medir en un circuito externo.
  • Este pulso lleva información sobre la energía de la radiación incidente original. El número de tales pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación.

En todos los casos, un fotón deposita una parte de su energía a lo largo de su trayectoria y puede ser absorbido totalmente. La absorción total de un fotón de 1 MeV produce alrededor de 3 x 10 5 pares de electrones. Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en un semiconductor intrínseco de 1 cm 3 . La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones. Pero en los detectores basados ​​en germanio a temperatura ambiente, la excitación térmica es dominante. Es causada por impurezas, irregularidades en la estructura reticular o por dopante . Depende mucho de la brecha E(una distancia entre la valencia y la banda de conducción), que es muy baja para germanio (Egap = 0,67 eV). Dado que la excitación térmica produce el ruido del detector, se requiere enfriamiento activo para algunos tipos de semiconductores (por ejemplo, germanio).

Germanio - semiconductorTenga en cuenta que una muestra de 1 cm 3 de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 4.2 × 10 22 átomos, pero también contiene aproximadamente 2.5 x 10 13 electrones libres y 2.5 x 10 13 agujeros generados constantemente por la energía térmica. Como se puede ver, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima (compárela con 3 x 10 5 pares de electrones). La adición de 0.001% de arsénico (una impureza) dona un extra de 10 17electrones libres en el mismo volumen y la conductividad eléctrica se incrementa en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo, estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de los portadores de carga (por lo tanto, invertir la corriente de fuga) a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector.

Unión sesgada inversa

El detector de semiconductores funciona mucho mejor como detector de radiación si se aplica un voltaje externo a través de la unión en la dirección de polarización inversa . La región de agotamiento funcionará como un detector de radiación. Se puede lograr una mejora mediante el uso de un voltaje de polarización inversa a la unión PNpara agotar el detector de portadores libres, que es el principio de la mayoría de los detectores de semiconductores. La polarización inversa de una unión aumenta el grosor de la región de agotamiento porque se mejora la diferencia de potencial a través de la unión. Los detectores de germanio tienen una estructura de clavijas en la que la región intrínseca (i) es sensible a la radiación ionizante, particularmente los rayos X y los rayos gamma. Bajo polarización inversa, un campo eléctrico se extiende a través de la región intrínseca o agotada. En este caso, se aplica voltaje negativo al lado p y positivo al segundo. Los agujeros en la región p son atraídos desde la unión hacia el contacto p y de manera similar para los electrones y el contacto n. Esta carga, que es proporcional a la energía depositada en el detector por el fotón entrante,

Ver también: detectores de germanio, MIRION Technologies. <disponible en: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Aplicación de detectores de germanio – espectroscopía gamma

Como se escribió, el estudio y análisis de los espectros de rayos gamma para uso científico y técnico se llama espectroscopía gamma, y ​​los espectrómetros de rayos gamma son los instrumentos que observan y recopilan dichos datos. Un espectrómetro de rayos gamma (GRS) es un dispositivo sofisticado para medir la distribución de energía de la radiación gamma. Para la medición de rayos gamma por encima de varios cientos de keV, hay dos categorías de detectores de gran importancia,  centelleadores inorgánicos como NaI (Tl)  y  detectores de semiconductores.. En los artículos anteriores, describimos la espectroscopía gamma utilizando un detector de centelleo, que consiste en un cristal centelleador adecuado, un tubo fotomultiplicador y un circuito para medir la altura de los pulsos producidos por el fotomultiplicador. Las ventajas de un contador de centelleo son su eficiencia (gran tamaño y alta densidad) y las altas tasas de precisión y conteo que son posibles. Debido al alto número atómico de yodo, una gran cantidad de todas las interacciones dará como resultado la absorción completa de la energía de los rayos gamma, por lo que la fracción de la foto será alta.

Espectro del detector HPGe
Figura: Leyenda: Comparación de los espectros de NaI (Tl) y HPGe para cobalto-60. Fuente: Radioisótopos y Metodología de Radiación I, II. Soo Hyun Byun, Notas de la conferencia. Universidad McMaster, Canadá.

Pero si  se requiere una  resolución energética perfecta , tenemos que usar  un detector basado en germanio , como el  detector HPGe . Los detectores de semiconductores basados ​​en germanio se usan más comúnmente cuando se requiere una muy buena resolución de energía, especialmente para  la espectroscopía gamma , así como  la espectroscopía de rayos X. En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía promedio menor necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía. El FWHM (ancho completo a la mitad máximo) para detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.

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