Qu’est-ce qu’un détecteur au germanium de haute pureté – HPGe – Définition

Les détecteurs au germanium de haute pureté (détecteurs HPGe) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise. Les détecteurs HPGe doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide. Dosimétrie des rayonnements
Détecteur HPGe - Germanium
Détecteur HPGe avec cryostat LN2 Source: canberra.com

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.

Avant que les techniques de purification actuelles ne soient raffinées, les cristaux de germanium ne pouvaient pas être produits avec une pureté suffisante pour permettre leur utilisation comme détecteurs de spectroscopie. La pureté d’un matériau détecteur est de la plus haute importance. La collecte de paires électron-trou dans le détecteur doit être effectuée dans un délai raisonnablement court. De plus, il ne doit pas y avoir de pièges qui peuvent les empêcher d’atteindre les contacts de collecte. Les centres de piégeage peuvent être dus à:

  • Impuretés dans le réseau semi-conducteur
  • Atomes interstitiels et lacunes dans le réseau en raison de défauts structurels
  • Atomes interstitiels causés par les dommages causés par les radiations

Les impuretés dans les cristaux emprisonnent les électrons et les trous, ruinant les performances des détecteurs. Par conséquent, les cristaux de germanium ont été dopés avec des ions lithium (Ge (Li)), afin de produire une région intrinsèque dans laquelle les électrons et les trous pourraient atteindre les contacts et produire un signal.

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.

Étant donné que les détecteurs HPGe produisent la résolution la plus élevée actuellement disponible, ils sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris la surveillance du personnel et de l’environnement pour la contamination radioactive, les applications médicales, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires.

Pièces de 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 alimenté électriquement, complètement LN 2 libre .

Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Détecteur HPGe – Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des détecteurs semi-conducteurs est résumé dans les points suivants:

  • Le rayonnement ionisant pénètre dans le volume sensible ( cristal de germanium ) du détecteur et interagit avec le matériau semi-conducteur.
  • Le photon de haute énergie traversant le détecteur ionise les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou . Le nombre de paires électron-trou est proportionnel à l’énergie du rayonnement vers le semi-conducteur. En conséquence, un certain nombre d’électrons sont transférés de la bande de valence à la bande de conduction, et un nombre égal de trous sont créés dans la bande de valence.
  • Étant donné que le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, il est capable d’ absorber totalement les photons de haute énergie  (jusqu’à quelques MeV).
  • Sous l’influence d’un champ électrique, les électrons et les trous se déplacent vers les électrodes, où ils produisent une impulsion qui peut être mesurée dans un circuit extérieur.
  • Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Dans tous les cas, un photon dépose une partie de son énergie sur son trajet et peut être totalement absorbé. L’absorption totale d’un photon de 1 MeV produit environ 3 x 10 5 paires électron-trou. Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs libres dans un semi-conducteur intrinsèque de 1 cm 3 . Les particules traversant le détecteur ionisent les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Mais dans les détecteurs à base de germanium à température ambiante, l’ excitation thermique est dominante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant . Cela dépend fortement de l’ écart E(distance entre valence et bande de conduction), très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium).

Germanium - semi-conducteurNotez que, un échantillon de 1 cm 3 de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 22 atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 13 électrons libres et 2,5 x 10 13 trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime (comparez-le avec 3 x 10 5 paires électron-trou). L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne un supplément de 10 17des électrons libres dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge (donc le courant de fuite inverse) à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur.

Jonction biaisée inversée

Le détecteur à semi-conducteur fonctionne beaucoup mieux en tant que détecteur de rayonnement si une tension externe est appliquée aux bornes de la jonction dans le sens de polarisation inverse . La région d’appauvrissement fonctionnera comme un détecteur de rayonnement. Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PNpour épuiser le détecteur de porteurs libres, qui est le principe de la plupart des détecteurs semi-conducteurs. La polarisation inverse d’une jonction augmente l’épaisseur de la région d’appauvrissement car la différence de potentiel à travers la jonction est améliorée. Les détecteurs au germanium ont une structure de broches dans laquelle la région intrinsèque (i) est sensible aux rayonnements ionisants, en particulier aux rayons X et aux rayons gamma. Sous polarisation inverse, un champ électrique s’étend à travers la région intrinsèque ou appauvrie. Dans ce cas, une tension négative est appliquée du côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés par la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n. Cette charge, qui est proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur par le photon entrant,

Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Application des détecteurs au germanium – Spectroscopie gamma

Comme il a été écrit, l’étude et l’analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques sont appelées spectroscopie gamma, et les spectromètres à rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Un spectromètre à rayons gamma (GRS) est un appareil sophistiqué pour mesurer la distribution d’énergie du rayonnement gamma. Pour la mesure des rayons gamma au-dessus de plusieurs centaines de keV, il existe deux catégories de détecteurs d’importance majeure,  les scintillateurs inorganiques comme le NaI (Tl)  et les détecteurs semi –  conducteurs. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

Spectre du détecteur HPGe
Figure: Légende: Comparaison des spectres NaI (Tl) et HPGe pour le cobalt-60. Source: Radioisotopes et méthodologie de rayonnement I, II. Soo Hyun Byun, notes de cours. Université McMaster, Canada.

Mais si une  résolution énergétique parfaite  est requise, nous devons utiliser un  détecteur à base de germanium , tel que le  détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteur à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour  la spectroscopie gamma , ainsi que la  spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une 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. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. La FWHM (pleine largeur à moitié maximum) pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.

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