O que é Detector de Germânio – Princípio de Operação – Definição

Detector de germânio – princípio de operação. A operação dos detectores de semicondutores é resumida nos seguintes pontos: A radiação ionizante entra no volume sensível (cristal de germânio) …… Dosimetria de radiação
Detector HPGe - Germânio
Detector HPGe com criostato LN2 Fonte: canberra.com

Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução muito boa de energia , 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. Por outro lado, para obter a máxima eficiência, os detectores devem operar a temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido (-196 ° C), porque, à temperatura ambiente, o ruído causado pela excitação térmica é muito alto.

Detector de germânio – 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, irregularidades 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.

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.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

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.