Detector germânio hiper-puro – HPGe

Detectores germânio hiper-puro (detectores HPGe) são a melhor solução para espectroscopia precisa de raios gama e raios-x. Os detectores HPGe devem operar a temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido. Dosimetria de Radiação
Detector HPGe - Germânio
Detector HPGe com criostato LN2 Fonte: canberra.com

Detectores germânio hiper-puro ( detectores HPGe ) são a melhor solução para espectroscopia precisa de raios gama e raios-x . Em comparação com os detectores de silício , o germânio é muito mais eficiente do que o silício para a detecção de radiação devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e à menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios , que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Devido ao seu número atômico mais alto, o Ge possui um coeficiente de atenuação linear muito maior, o que leva a um caminho livre médio mais curto. Além disso, os detectores de silício não podem ser mais grossos do que alguns milímetros, enquanto o germânio pode ter um esgotamento,espessura sensível de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.

Antes que as atuais técnicas de purificação fossem refinadas, os cristais de germânio não podiam ser produzidos com pureza suficiente para permitir seu uso como detectores de espectroscopia. A pureza de um material detector é da maior importância. A coleta de pares de elétrons e orifícios no detector deve ser realizada dentro de um prazo razoavelmente curto. Além disso, não deve haver armadilhas que os impeçam de alcançar os contatos de coleta. Os centros de captura podem ser devidos a:

  • Impurezas na rede de semicondutores
  • Átomos e vagas intersticiais na rede devido a defeitos estruturais
  • Átomos intersticiais causados ​​por dano por radiação

As impurezas nos cristais retêm elétrons e orifícios, prejudicando o desempenho dos detectores. Consequentemente, os cristais de germânio foram dopados com íons de lítio (Ge (Li)), a fim de produzir uma região intrínseca na qual os elétrons e buracos seriam capazes de alcançar os contatos e produzir um sinal.

Para obter a máxima eficiência, os detectores de HPGe devem operar a temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido (-196 ° C), porque, à temperatura ambiente, o ruído causado pela excitação térmica é muito alto.

Como os detectores HPGe produzem a mais alta resolução comumente disponível atualmente, eles são usados ​​para medir radiação em diversas aplicações, incluindo monitoramento pessoal e ambiental de contaminação radioativa, aplicações médicas, ensaio radiométrico, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares.

Peças dos detectores HPGe

A principal desvantagem dos detectores de germânio é que eles devem ser resfriados a temperaturas de nitrogênio líquido. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo , esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. Lembre-se, a diferença de banda (uma distância entre a valência e a banda de condução ) é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). O resfriamento até a temperatura do nitrogênio líquido (-195,8 ° C; -320 ° F) reduz as excitações térmicas dos elétrons de valência, de modo que apenas uma interação de raios gama pode fornecer ao elétron a energia necessária para atravessar o intervalo da banda e alcançar a banda de condução.

Portanto, os detectores HPGe geralmente são equipados com um criostato . Os cristais de germânio são mantidos dentro de um recipiente de metal evacuado, conhecido como suporte do detector . O suporte do detector e a “tampa” são finos para evitar a atenuação de fótons de baixa energia. O suporte é geralmente feito de alumínio e normalmente tem 1 mm de espessura. A tampa também é geralmente feita de alumínio. O cristal HPGe dentro do suporte está em contato térmico com uma haste de metal chamada dedo frio . O dedo frio transfere o calor do conjunto do detector para o reservatório de nitrogênio líquido (LN 2 ). A combinação do recipiente de metal a vácuo, o dedo frio e o balão Dewarpara o nitrogênio líquido criogênico é chamado o criostato. O pré-amplificador do detector de germânio é normalmente incluído como parte do pacote de criostato. Como o pré-amplificador deve estar localizado o mais próximo possível, para que a capacitância geral possa ser minimizada, o pré-amplificador é instalado juntos. Os estágios de entrada do pré-amplificador também são resfriados. O dedo frio se estende além do limite de vácuo do criostato para um balão Dewar que é preenchido com nitrogênio líquido. A imersão do dedo frio no nitrogênio líquido mantém o cristal HPGe a uma temperatura baixa constante. A temperatura do nitrogênio líquido é mantida constante a 77 K (-195,8 ° C; -320 ° F) por ebulição lenta do líquido, resultando na evolução do gás nitrogênio. Dependendo do tamanho e design, o tempo de espera dos frascos a vácuo varia de algumas horas a algumas semanas.

O resfriamento com nitrogênio líquido é inconveniente, pois o detector requer horas para esfriar até a temperatura operacional antes de poder ser usado e não pode aquecer durante o uso. Os detectores HPGe podem aquecer até a temperatura ambiente quando não estiverem em uso . Deve-se notar que nunca foi possível aquecer os cristais de Ge (Li), pois o lítio flutuava para fora do cristal, arruinando o detector.

Tornaram-se disponíveis sistemas comerciais que utilizam técnicas avançadas de refrigeração (por exemplo, um  resfriador de tubo de pulso ) para eliminar a necessidade de resfriamento com nitrogênio líquido. Este sistema de refrigeração é um criostato elétrico, completamente livre de LN 2 .

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Detector HPGe – Princípio de operação

A operação dos detectores de semicondutores é resumida nos seguintes pontos:

  • A radiação ionizante entra no volume sensível ( cristal de germânio ) do detector e interage com o material semicondutor.
  • O fóton de alta energia que passa pelo detector ioniza os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . O número de pares elétron-buraco é proporcional à energia da radiação para o semicondutor. Como resultado, um número de elétrons é transferido da banda de valência para a banda de condução e um número igual de orifícios é criado na banda de valência.
  • Como o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros, eles são capazes de absorver totalmente os fótons de alta energia  (até alguns MeV).
  • Sob a influência de um campo elétrico, elétrons e buracos viajam para os eletrodos, onde resultam em um pulso que pode ser medido em um circuito externo.
  • Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.

Em todos os casos, um fóton deposita uma parte de sua energia ao longo do caminho e pode ser absorvido totalmente. A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 5 pares de furos de elétrons. Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres em de 1 cm semicondutor intrínseco . As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco. Mas em detectores à base de germânio à temperatura ambiente, a excitação térmica é dominante. É causada por impurezas, irregularidade na estrutura ou dopante . Depende fortemente da diferença E(uma distância entre a valência e a banda de condução), que é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio).

Germânio - semicondutorObserve que uma amostra de 1 cm 3 de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 22 átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 13 elétrons livres e 2,5 x 10 13 orifícios gerados constantemente a partir da energia térmica. Como pode ser visto, a relação sinal-ruído (S / N) seria mínima (comparar com 3 x 10 5 pares de electrão-lacuna). A adição de 0,001% de arsênico (uma impureza) doa um extra de 10 17elétrons livres no mesmo volume e a condutividade elétrica é aumentada em um fator de 10.000. No material dopado, a relação sinal / ruído (S / N) seria ainda menor. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo, esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga (portanto, reverter a corrente de fuga) para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector.

Junção polarizada inversa

O detector de semicondutores opera muito melhor como detector de radiação se uma tensão externa for aplicada através da junção na direção inversa . A região de depleção funcionará como um detector de radiação. A melhoria pode ser alcançada pelo uso de uma tensão de polarização reversa na junção PNesgotar o detector de portadores livres, que é o princípio da maioria dos detectores de semicondutores. A polarização reversa de uma junção aumenta a espessura da região de depleção porque a diferença de potencial entre a junção é aprimorada. Os detectores de germânio possuem uma estrutura de pinos na qual a região intrínseca (i) é sensível à radiação ionizante, particularmente os raios X e raios gama. Sob polarização reversa, um campo elétrico se estende pela região intrínseca ou esgotada. Nesse caso, a tensão negativa é aplicada no lado p e positiva no segundo. Os furos na região p são atraídos da junção em direção ao contato p e da mesma forma para os elétrons e o contato n. Essa carga, que é proporcional à energia depositada no detector pelo fóton recebido,

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Aplicação de detectores de germânio – espectroscopia gama

Como foi escrito, o estudo e a análise de espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados espectroscopia gama, e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um dispositivo sofisticado para medir a distribuição de energia da radiação gama. Para a medição de raios gama acima de várias centenas de keV, existem duas categorias de detectores de grande importância:  cintiladores inorgânicos como NaI (Tl)  e  detectores semicondutores. Nos artigos anteriores, descrevemos a espectroscopia gama usando um detector de cintilação, que consiste em um cristal cintilador adequado, um tubo fotomultiplicador e um circuito para medir a altura dos pulsos produzidos pelo fotomultiplicador. As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência (tamanho grande e alta densidade) e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Devido ao alto número atômico de iodo, um grande número de todas as interações resultará na absorção completa da energia dos raios gama, de modo que a fração fotográfica será alta.

Espectro do detector HPGe
Figura: Legenda: Comparação dos espectros de NaI (Tl) e HPGe para o cobalto-60. Fonte: Radioisótopos e metodologia de radiação I, II. Soo Hyun Byun, notas de aula. Universidade McMaster, Canadá.

Mas, se  for necessária uma  resolução perfeita de energia , precisamos usar  um detector à base de germânio , como o  detector HPGe . Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa, especialmente para  espectroscopia gama , bem como  espectroscopia de raios-x. Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia. O FWHM (largura total na metade do máximo) para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: [email protected] ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.