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.
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.
Enfriamiento 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 pusieron a disposición sistemas comerciales que utilizan técnicas avanzadas de refrigeración (por ejemplo, un enfriador de tubos 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>.
