Was ist hochreiner Germaniumdetektor – HPGe – Definition

Hochreine Germaniumdetektoren (HPGe-Detektoren) sind die beste Lösung für die präzise Gamma- und Röntgenspektroskopie. HPGe-Detektoren müssen bei sehr niedrigen Temperaturen von flüssigem Stickstoff arbeiten. Strahlendosimetrie
HPGe Detektor - Germanium
HPGe-Detektor mit LN2-Kryostat Quelle: canberra.com

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.

Bevor die derzeitigen Reinigungstechniken verfeinert wurden, konnten Germaniumkristalle nicht mit ausreichender Reinheit hergestellt werden, um als Spektroskopiedetektoren eingesetzt werden zu können. Die Reinheit eines Detektormaterials ist von höchster Bedeutung. Die Elektron-Loch-Paar-Sammlung innerhalb des Detektors muss innerhalb einer angemessen kurzen Zeit erfolgen. Außerdem dürfen keine Fallen vorhanden sein, die ein Erreichen der Sammelkontakte verhindern können. Fangzentren können folgende Ursachen haben:

  • Verunreinigungen im Halbleitergitter
  • Zwischenatome und Lücken im Gitter aufgrund von Strukturdefekten
  • Interstitielle Atome, die durch Strahlenschäden verursacht werden

Verunreinigungen in den Kristallen fangen Elektronen und Löcher ein und beeinträchtigen die Leistung der Detektoren. Folglich wurden Germaniumkristalle mit Lithiumionen (Ge (Li)) dotiert, um einen intrinsischen Bereich zu erzeugen, in dem die Elektronen und Löcher die Kontakte erreichen und ein Signal erzeugen könnten.

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.

Da HPGe-Detektoren die höchste heute allgemein verfügbare Auflösung erzeugen, werden sie zur Messung von Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich Personal- und Umgebungsüberwachung auf radioaktive Kontamination, medizinische Anwendungen, radiometrische Tests, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken.

Teile von HPGe-Detektoren

Der Hauptnachteil von Germaniumdetektoren besteht darin, dass sie auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff abgekühlt werden müssen. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist , müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren . Andernfalls zerstört durch leckstrominduziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors. Erinnern wir uns , dass die Bandlücke (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband ) für Germanium sehr gering ist (Egap = 0,67 eV). Durch Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (-195,8 ° C) werden thermische Anregungen von Valenzelektronen verringert, so dass nur durch eine Gammastrahlenwechselwirkung einem Elektron die Energie verliehen werden kann, die erforderlich ist, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen.

Daher sind HPGe-Detektoren normalerweise mit einem Kryostat ausgestattet . Germaniumkristalle werden in einem evakuierten Metallbehälter aufbewahrt, der als Detektorhalter bezeichnet wird . Der Detektorhalter sowie die „Endkappe“ sind dünn, um eine Abschwächung von Photonen mit niedriger Energie zu vermeiden. Der Halter besteht in der Regel aus Aluminium und ist typischerweise 1 mm dick. Die Endkappe besteht ebenfalls im Allgemeinen aus Aluminium. Der HPGe-Kristall in der Halterung steht in thermischem Kontakt mit einem Metallstab, dem so genannten Kaltfinger . Der kalte Finger überträgt die Wärme von der Detektoreinheit auf das Reservoir für flüssigen Stickstoff (LN 2 ). Die Kombination aus Vakuummetallbehälter, Kaltfinger und Dewargefäßfür den flüssigen Stickstoff wird Kryogen als Kryostat bezeichnet. Der Germaniumdetektor-Vorverstärker ist normalerweise im Kryostat-Paket enthalten. Da der Vorverstärker so nahe wie möglich angeordnet sein sollte, damit die Gesamtkapazität minimiert werden kann, wird der Vorverstärker zusammen installiert. Die Eingangsstufen des Vorverstärkers werden ebenfalls gekühlt. Der kalte Finger reicht über die Vakuumgrenze des Kryostaten hinaus in einen Dewar-Kolben, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist. Das Eintauchen des kalten Fingers in den flüssigen Stickstoff hält den HPGe-Kristall auf einer konstant niedrigen Temperatur. Die Temperatur des flüssigen Stickstoffs wird durch langsames Kochen der Flüssigkeit bei 77 K (-195,8ºC; -320ºF) konstant gehalten, was zur Entwicklung von Stickstoffgas führt. Je nach Größe und Ausführung beträgt die Haltezeit von Vakuumkolben einige Stunden bis einige Wochen.

Das Kühlen mit flüssigem Stickstoff ist unbequem, da der Detektor Stunden benötigt, um auf Betriebstemperatur abzukühlen, bevor er verwendet werden kann, und nicht während des Betriebs aufgewärmt werden kann. HPGe Detektoren können auf Raumtemperatur erwärmen gelassen werden , wenn sie nicht in Gebrauch . Es muss beachtet werden, dass sich Ge (Li) -Kristalle niemals erwärmen dürfen, da das Lithium aus dem Kristall herausdriften und den Detektor zerstören würde.

Kommerzielle Systeme wurden verfügbar, die fortschrittliche Kühltechniken (zum Beispiel einen  Pulsrohrkühler ) verwenden, um die Notwendigkeit einer Kühlung mit flüssigem Stickstoff zu beseitigen. Dieses Kühlsystem ist ein elektrisch betriebener Kryostat, der vollständig LN 2 -frei ist .

Siehe auch: Germaniumdetektoren, MIRION Technologies. <verfügbar unter: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

HPGe-Detektor – Funktionsprinzip

Der Betrieb von Halbleiterdetektoren wird in folgenden Punkten zusammengefasst:

  • Ionisierende Strahlung tritt in das empfindliche Volumen ( Germaniumkristall ) des Detektors ein und interagiert mit dem Halbleitermaterial.
  • Durch den Detektor hindurchtretende hochenergetische Photonen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare . Die Anzahl der Elektron-Loch-Paare ist proportional zur Energie der Strahlung zum Halbleiter. Infolgedessen wird eine Anzahl von Elektronen vom Valenzband auf das Leitungsband übertragen, und eine gleiche Anzahl von Löchern wird im Valenzband erzeugt.
  • Da Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern haben kann, können sie hochenergetische Photonen vollständig absorbieren  (bis zu wenigen MeV).
  • 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 enthält Informationen 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 x 10 5 Elektron-Loch-Paare. Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger in einem intrinsischen Halbleiter von 1 cm 3 gering . Durch den Detektor laufende Teilchen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare. Bei Detektoren auf Germaniumbasis bei Raumtemperatur dominiert jedoch die thermische Anregung . 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.

Germanium - HalbleiterEs 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 enthält, die ständig aus Wärmeenergie erzeugt werden. Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal (vergleiche es mit 3 × 10 5 Elektron-Loch-Paaren). Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzlich 10 17freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht. In 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 Maß zu reduzieren. Andernfalls zerstört durch Leckstrom induziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors.

 

Reverse Bias Junction

Der Halbleiterdetektor arbeitet viel besser als Strahlungsdetektor, wenn eine externe Spannung in umgekehrter Richtung über den Übergang angelegt wird . Der Verarmungsbereich fungiert als Strahlungsdetektor. Eine Verbesserung kann durch Verwendung einer Sperrspannung am PN-Übergang erreicht werdenden Detektor von freien Ladungsträgern zu erschöpfen, was das Prinzip der meisten Halbleiterdetektoren ist. Die umgekehrte Vorspannung eines Übergangs erhöht die Dicke des Verarmungsbereichs, da die Potentialdifferenz über den Übergang erhöht wird. Germaniumdetektoren haben eine Stiftstruktur, in der der intrinsische (i) Bereich gegenüber ionisierender Strahlung, insbesondere Röntgen- und Gammastrahlen, empfindlich ist. Unter Sperrvorspannung erstreckt sich ein elektrisches Feld über den intrinsischen oder abgereicherten Bereich. In diesem Fall wird eine negative Spannung an die p-Seite und eine positive an die zweite Seite angelegt. Löcher im p-Bereich werden vom Übergang zum p-Kontakt und ähnlich zu Elektronen und dem n-Kontakt angezogen. Diese Ladung, die proportional zu der vom einfallenden Photon im Detektor abgelagerten Energie ist,

Siehe auch: Germaniumdetektoren, MIRION Technologies. <verfügbar unter: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Anwendung von Germaniumdetektoren – Gammaspektroskopie

Wie bereits geschrieben, wird das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren für wissenschaftliche und technische Zwecke als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln. Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Gerät zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung. Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV gibt es zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung,  anorganische Szintillatoren wie NaI (Tl) –  und  Halbleiterdetektoren. In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Fotovervielfacherröhre und einer Schaltung zum Messen der Höhe der vom Fotovervielfacher erzeugten Impulse besteht. Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz (große Größe und hohe Dichte) und die möglichen hohen Präzisions- und Zählraten. Aufgrund der hohen Atomzahl von Jod führt eine große Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollständigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.

HPGe-Detektorspektrum
Abbildung: Bildunterschrift: Vergleich der NaI (Tl) – und HPGe-Spektren für Cobalt-60. Quelle: Radioisotope und Strahlenmethodik I, II. Soo Hyun Byun, Vorlesungsskript. McMaster University, Kanada.

Wenn jedoch eine  perfekte Energieauflösung  erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf  Germaniumbasis wie den  HPGe-Detektor verwenden . Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die  Gammaspektroskopie sowie für die  Röntgenspektroskopie. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist, nämlich 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letzteren auch eine bessere Energieauflösung. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.