Detectores de germânio de alta pureza ( 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.
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.
Arrefecimento de 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>.
