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.
Kühlung 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 Kältetechniken (zum Beispiel einen Pulsrohrkühler ) verwenden, um die Notwendigkeit einer Kühlung mit flüssigem Stickstoff zu beseitigen. Dieses Kühlsystem ist ein elektrisch angetriebener Kryostat, der vollständig LN 2 -frei ist .
Siehe auch: Germaniumdetektoren, MIRION Technologies. <erhältlich unter: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.
