Les détecteurs au germanium de haute pureté ( détecteurs HPGe ) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise . Par rapport aux détecteurs au silicium , le germanium est beaucoup plus efficace que le silicium pour la détection des radiations en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et en raison de l’énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou , qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. En raison de son numéro atomique plus élevé, Ge a un coefficient d’atténuation linéaire beaucoup plus important, ce qui conduit à un libre parcours moyen plus court. De plus, les détecteurs au silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, tandis que le germanium peut avoir unépaisseur sensible de quelques centimètres , et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.
Afin d’atteindre une efficacité maximale, les détecteurs HPGe doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C), car à température ambiante, le bruit provoqué par l’excitation thermique est très élevé.
Refroidissement des détecteurs HPGe
L’inconvénient majeur des détecteurs au germanium est qu’ils doivent être refroidis à des températures d’azote liquide. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible , ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Rappelons que la bande interdite (une distance entre la valence et la bande de conduction ) est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Le refroidissement à la température de l’azote liquide (-195,8 ° C; -320 ° F) réduit les excitations thermiques des électrons de valence de sorte que seule une interaction des rayons gamma peut donner à un électron l’énergie nécessaire pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.
Par conséquent, les détecteurs HPGe sont généralement équipés d’un cryostat . Les cristaux de germanium sont maintenus dans un conteneur métallique évacué appelé support de détecteur . Le support du détecteur ainsi que le «capuchon d’extrémité» sont minces pour éviter l’atténuation des photons de faible énergie. Le support est généralement en aluminium et a généralement une épaisseur de 1 mm. Le capuchon d’extrémité est également généralement en aluminium. Le cristal HPGe à l’intérieur du support est en contact thermique avec une tige métallique appelée doigt froid . Le doigt froid transfère la chaleur de l’ensemble détecteur au réservoir d’ azote liquide (LN 2 ). La combinaison du récipient métallique sous vide, du doigt froid et du ballon Dewarpour le cryogène de l’azote liquide est appelé le cryostat. Le préamplificateur détecteur de germanium est normalement inclus dans le package cryostat. Étant donné que le préampli doit être situé le plus près possible afin de minimiser la capacité globale, le préampli est installé ensemble. Les étages d’entrée du préampli sont également refroidis. Le doigt froid s’étend au-delà de la limite de vide du cryostat dans un ballon Dewar rempli d’azote liquide. L’immersion du doigt froid dans l’azote liquide maintient le cristal HPGe à une basse température constante. La température de l’azote liquide est maintenue constante à 77 K (-195,8 ° C; -320 ° F) par une lente ébullition du liquide, entraînant le dégagement d’azote gazeux. Selon la taille et la conception, le temps de maintien des flacons à vide varie de quelques heures à quelques semaines.
Le refroidissement avec de l’azote liquide n’est pas pratique, car le détecteur a besoin d’heures pour se refroidir à la température de fonctionnement avant de pouvoir être utilisé, et ne peut pas se réchauffer pendant l’utilisation. Les détecteurs HPGe peuvent se réchauffer à température ambiante lorsqu’ils ne sont pas utilisés . Il faut noter que les cristaux de Ge (Li) ne pourraient jamais se réchauffer, car le lithium dériverait du cristal, ruinant le détecteur.
Des systèmes commerciaux sont devenus disponibles qui utilisent des techniques de réfrigération avancées (par exemple un refroidisseur à tube pulsé ) pour éliminer le besoin de refroidissement à l’azote liquide. Ce système de refroidissement est un cryostat à alimentation électrique, totalement exempt de LN 2 .
Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.
