Funktionsprinzip von HPGe-Detektoren – Definition

Hochreine Germaniumdetektoren ( HPGe-Detektoren ) sind die beste Lösung für die präzise Gamma- und Röntgenspektroskopie . Im Vergleich zu Siliziumdetektoren ist Germanium für die Strahlungsdetektion viel effizienter als Silizium , da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die für die Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderliche durchschnittliche Energie niedriger ist, und zwar 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Aufgrund seiner höheren Ordnungszahl hat Ge einen viel größeren linearen Dämpfungskoeffizienten, was zu einem kürzeren mittleren freien Weg führt. Darüber hinaus können Siliziumdetektoren nicht dicker als ein paar Millimeter sein, während Germanium einen verbrauchten Anteil haben kann.empfindliche Dicke von Zentimetern und kann daher als Totalabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen , müssen die HPGe-Detektoren bei sehr niedrigen Temperaturen von flüssigem Stickstoff (-196 ° C) arbeiten, da bei Raumtemperaturen das durch thermische Anregung verursachte Rauschen sehr hoch ist.

HPGe Detector – Funktionsprinzip

Die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren ist in folgenden Punkten zusammengefasst:

• Ionisierende Strahlung tritt in das empfindliche Volumen ( Germaniumkristall ) des Detektors ein und interagiert mit dem Halbleitermaterial.
• Durch den Detektor hindurchtretendes hochenergetisches Photon ionisiert die Atome des Halbleiters und erzeugt die Elektron-Loch-Paare . Die Anzahl der Elektronen-Loch-Paare ist proportional zur Energie der Strahlung zum Halbleiter. Infolgedessen wird eine Anzahl von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband übertragen, und es wird eine gleiche Anzahl von Löchern im Valenzband erzeugt.
• Da Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern haben kann, können sie energiereiche Photonen  (bis zu wenigen MeV) vollständig absorbieren .
• Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wandern Elektronen und Löcher zu den Elektroden, wo sie zu einem Impuls führen, der in einem äußeren Stromkreis gemessen werden kann.
• Dieser Impuls gibt Auskunft über die Energie der ursprünglich einfallenden Strahlung. Die Anzahl solcher Impulse pro Zeiteinheit gibt auch Auskunft über die Intensität der Strahlung.

In allen Fällen lagert ein Photon einen Teil seiner Energie auf seinem Weg ab und kann vollständig absorbiert werden. Die Gesamtabsorption eines 1-MeV-Photons erzeugt etwa 3 × 10 ⁵ Elektronenlochpaare. Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger in einem 1 cm ³ -Halbleiter von untergeordneter Bedeutung . Durch den Detektor gelangende Teilchen ionisieren die Atome des Halbleiters und erzeugen die Elektronen-Loch-Paare. In Germanium-basierten Detektoren bei Raumtemperatur ist jedoch die thermische Anregung dominierend. Es wird durch Verunreinigungen, Unregelmäßigkeiten im Strukturgitter oder durch Dotierstoffe verursacht . Es hängt stark von der E- _{Lücke ab}(ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband), der für Germanium sehr gering ist (Egap = 0,67 eV). Da thermische Anregung zu Detektorrauschen führt, ist für einige Halbleitertypen (z. B. Germanium) eine aktive Kühlung erforderlich.

Es ist zu beachten, dass eine 1 cm ³ -Probe von reinem Germanium bei 20 ° C ungefähr 4,2 × 10 ²² Atome enthält, aber auch ungefähr 2,5 × 10 ¹³ freie Elektronen und 2,5 × 10 ¹³ Löcher, die konstant aus thermischer Energie erzeugt werden. Wie man sehen kann, würde das Signal – zu – Rausch – Verhältnis (S / N) minimal (vergleiche es mit 3 x 10 ⁵ Elektron-Loch – Paaren). Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 ¹⁷Freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit erhöhen sich um den Faktor 10.000. Bei dotiertem Material wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) noch kleiner. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist, müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern (also den umgekehrten Leckstrom) auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. Andernfalls zerstört durch leckstrominduziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors.