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高纯锗 射线探测器 及其新技术. 石宗仁 放射性计量测试部 中国原子能科学研究院 西安, 2006,10 21. 报告内容. 引言 1. Ge 探测器 2. Ge 反康普顿和对谱仪 3. Ge 反康普顿谱仪阵列 4. clover 和 cluster 5.电极分割的G e 6.射线踪迹阵列 7.脉冲形状分析 总结. 引言-基础和应用研究. Ge 射线探测器有广泛的应用 . 放射性离子束核物理面对着:小的反应率,高速 射线源的 Doppler 展宽,大的 射线的多重性 (multiplicity) , M 30 ,及高本底等极端条件. - PowerPoint PPT Presentation
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高纯锗射线探测器及其新技术
石宗仁
放射性计量测试部中国原子能科学研究院
西安, 2006,10 21
报告内容• 引言• 1. Ge 探测器• 2. Ge 反康普顿和对谱仪• 3. Ge 反康普顿谱仪阵列• 4. clover 和 cluster • 5.电极分割的G e • 6.射线踪迹阵列• 7.脉冲形状分析• 总结
引言-基础和应用研究
• Ge 射线探测器有广泛的应用 .
• 放射性离子束核物理面对着:小的反应率,高速射线源的 Doppler 展宽,大的射线的多重性 (multiplicity) , M30 ,及高本底等极端条件.
• 无中微子的双衰变.• 天体物理 (Compton Telescope) 、核医学、核保障等促进了 HPGe 探测器的发展.
引言-射线探测器的特性
固有的、导出的及与源和环境有关的三种特性参数。• 1. 本征能量分辨率 E/E , Doppler 展宽
=0,
FWHM = E2s+ E2
n 2keV ,• 2. 全能效率 (full energy efficiency) ,• 3. 峰总比 (peak-to-total ratio) P/T ,• 4. 颗粒度 (granularity) ,
导出的特性参数• 角分辨率 (angular resolution),• 位置分辨率 ,• 考虑 Doppler 效应的有效能量分辨率 E ,
E2= E2s+ E2
n +E2D.
• 优良指数fom=P/T E-1.
• 分辨本领 (resolving power), 在大的复杂的本底中挑选出弱射线的能力.RP=exp[ln(N0/N)/(1-ln/lnR)],R=0.76(SE/E)P/T.
引言-射线探测器的特性
• 5. 能量范围,• 6. 定时分辨率,• 7. 线极化灵敏度及其优良指数,• 8. 探测下限等。所有参数都是射线能量E及其多重性M
的函数,通常指E=1.332MeV 和M =1 .
Ge 探测器的发展
• 提高 E, ,P/T 性能指标.
• 显著提高分辨本领 .
有关技术的发展
• 电制冷技术使其广泛的应用,• MC 模拟为设计良好的探测器及计算其特性提供工具,
• 数字电子学.
1. HPGe 探测器
• 在 1962 年 Ge(Li) , A.J.Tavendale and G.T.Ewan 。
FWHM=6keV, 分辨率的革命. 相对 NaI(Tl) 的效率 1 %。• 在 1971 年 HPGe,R.H.Pehi et al. 。 大体积,现在 p 型 HPGe 的直径和高度达 98
110mm2, 体积 800cc, 质量 4.4kg , 207.6% , FWHM=2.4keV 。
HPGe 探测器类型• n- 型和 p- 型 Ge .
n- 型几 keV-20MeV ,抗辐照及损伤可恢复 .p- 型几十 keV-20MeV ,有较好的能量分辨率.
• 在几何上,常用的为单开端同轴和平面两种,及特殊的,如井型等 .
• 单开端同轴可认为由同轴平面和真同轴两部分组成 .
• 单开端同轴从 n- 型和 p- 型的中心电极通过 DC 耦合分别引出负的和正的信号。
HPGe 的响应函数• 响应函数,一个单能射线在 HPGe 探测器中产生的脉冲幅度谱,特别是峰形函数。
• 场增量、陷阱和表面道效应影响峰形函数。
脉冲形状• HPGe 探测器输出的脉冲形状与电子和空穴对的产生位置有关。
• 单开端同轴的平面部分与 z 和 r ,及真同轴部分与 r 有关 .
• 晶轴取向效应 , 相对电场和电载体运动方向间的夹角影响脉冲形状。
脉冲形状的影响负面效应
• 定时分辨率比闪烁体差,• 弹道亏损.
正面意义• 甄别单次和多次相互作用的脉冲,• 定位.
脉冲形状甄别
• 单次和多次相互作用产生的电流脉冲形状
HPGe 的效率
• 增大 HPGe 的立体角及其本征效率,即增大体积。
• 增大体积带来一系列的困难,如偶然和、符合和、弹道亏损、角分辨率及 E 等显著地增加。
• 提高 HPGe 颗粒度是另一个重要的方向。• 保持高效率,克服上述困难,还能实现射线源的影像测
量等。
2. Ge 反康普顿和对谱仪为了提高 P/T 及单色化脉冲谱,有两种谱仪:• Ge 反康普顿谱仪在 Ge外套 2cm厚的 BGO或 4cm 的 NaI 。 Ge 和闪 烁体的反符合信号禁戒 Ge 的输出.它适合 E< 2MeV , 78cm2, P/T 从 20%55% 。
• 对谱仪 (pair spectrometer)在 Ge外套 BGO或 NaI 环,环分两半。 Ge 和两半闪烁体三重符合信号允许 Ge 输出。它适合 E2MeV 时。单色化脉冲谱.
• 联合谱仪。
3. Ge 反康普顿谱仪阵列
• 在 1980 年 Copenhagen, P.Twin . 第一个用 5 个 NaI(Tl)屏蔽的 Ge(Li) 反康谱仪构成阵列 (Array) ,称为 TESSA .
(total energy suppression shield array)
• 增大立体角和颗粒度。• 使用 Ge 探测器的重大创举。
Ge 反康普顿谱仪阵列的意义
• 角分布,能级自旋和多极混合比;• 通过多重符合得出射线级联关系;• 分辨本领显著地提高。
现代的阵列
球 (Gammasphere)• 在 1987 年美国洛伦兹贝克莱国家实验室建造球.
122 个 HPGe + BGO 组成, 110六角形, 12五角形 .
有效立体角 2 ,全能效率 9% , P/T 比 55% 。
• 它的最大特点是将 70 个 HPGe 的外电极分割为两半,颗粒数增加。
Gammasphere
Gammasphere
Euroball
欧洲球 (Euroball)• 在 1997 年法国、英国、德国、意大利、丹麦和瑞典等联合建造。
Euroball
• 它由 30 个单开端同轴HPGe 、 26 个 clover和 15 个 cluster 探测器构成。
共 30+104+105=239.
• 反康阵列的性能达到极限,需要新概念。
4. Clover 和 cluster
• Clover,四叶苜蓿草• 四个 5070mm2,n- 型单
端同轴 HPGe ,每个相对NaI 的效率 21% ,总体积 470cm3.
• BGO长 242mm ,厚度从19.5mm到 3mm 。
• 35mm厚重金属准直器用于防止射线直接点火 BGO 。
• 共用一个低温罐.
cluster
• 半六角形的宽度是59mm ,后部圆的直径是 70mm ,长度是78mm ,总体积 1800cm3,
• 胶丸 (encapsulation) Ge 探测器 .
clover 和 cluster
• 通过直接 (direct) 和后加 (add-back) 两种方式 ,• 后加方式保持大体积的效率,• 颗粒数分别增加了 4 和 7倍 ,• 适合射线的线极化度测量,• 高能射线的探测。• 现在, Clover 中的外电极分割成, 8 , 16 , 32 .
5.电极分割的G e
将整块 HPGe 探测器的电极分割 (segmentation) 是 HPGe 制造技术的突破.
类型• 单开端同轴G e 分割 .
• 平面G e 正交条.• Canberra Eurisys Mesures in Franc
e
5.1 单端同轴电极分割的G e
• 在 1987 年 LBNL 的 Gammasphere首先采用 .
• 一维分割(沿着轴向和垂直轴向)+脉冲形状分析 .面颗粒 (pixel).
• 两维分割+脉冲形状分析,体颗粒度 (voxel) .
• 特殊的内电极分割.
外电极两维分割
GRETA
特殊的内电极分割
• HESSI(High Energy Solar Spectroscopic Imager)
• 第一和第二段间反符合,
• 第三段屏蔽.
5.2 Ge 平面正交条
• LBNL• P-type,11mm Thick,• 3.8cm3.8cm,• 1919 正交条在两侧 ,• 条宽 2.0mm ,条间隙
0.5mm• 地侧 DC, 高压侧 AC 耦合 .
• 2D 位置 .
GE X-Y 52 STRIPS TELESCOPE
2 segmented crystals with 13 strips oneach side. Pitch 3mm
THIN WINDOW TECHNOLOGYFabricated by EURISYS MESURES mail: [email protected]
Ge 平面正交条
• 第3维电子和空穴在相反电极的收集时间差.
• 用做 Compton Telescope 天体源发射的核素的特征线.
Compton Telescope
• 3D 平面做 Compton Telescope 的原理
先进的康普顿望远镜
• Advanced Compton Telescope
6.射线踪迹阵列• 在 1994 年美国 LBNL 的科学家提出了新的射线踪迹阵列概念。
• 它 122 个 (hex.110+pent.12)36 重分割的 Ge构成,称为射线能量踪迹阵列 (Gamma-Ray Energy Tracking Array) ,简称 GRETA 。
• 欧洲称 AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) .由192(hex.180+pent.12) 分割的 Ge 个构成 .
• 基于 Ge 电极的高度分割、脉冲形状分析 (pulse shape analysis) 、踪迹运算 (tracking algorithm) 和数字信号处理电子学等四个技术。
Compton 散射• Compton 散射• 150keV-8MeV
• 3-4次产生全能峰。
原理
• 36 重分割 Ge 构成4立体角的球壳, Compton散射到其它电极区段的通过后加方式能够恢复,提高了,
• 脉冲形状分析确定一个射线每次相互作用的位置、沉积能量及产生时间,
• 根据位置和能量,踪迹运算重建一个射线在球壳内的踪迹。全能沉积的保留,非全能的剔出,提高 P/T 。
• 利用 Compton散射公式,从第一相互作用点得到射线的角,修正 Doppler移位.提高 E .
GRETA
• GRETA
Gamma Ray Energy Tracking Array
GRETINA
• 30 个 36 重单端同轴 ,10 组 .1/4GRETA.
• $ 18.8M , 2008 年 .
Multiple Scattering
Compton散射公式• Compton
)cos1(12
0
'
cm
EE
E
其它优点• 当源的位置已知,从可拒绝本底;• 高颗粒度,消除偶然和符合和,角分辨率减小 , 0.8;
• 允许高计数率;• 在 10MeV ,效率提高一个量级;• 通过第二相互作用点确定射线的线极化度;• 具有高的优良指数 cQ(E)2等。
线极化度测量• 线极化度测量
]cossin2'
'['
222
2
220
E
E
E
E
E
Er
d
d
7.脉冲形状分析计算
脉冲形状计算• dQ/dt=q [E(re) V e + E(rh) V h] /V0,
• 电场几何、电场强度、晶体取向、杂质浓度、偏置电压、探测器的温度、及前置放大器的特性等决定了在特定位置产生的脉冲形状。
• 建立 30000 个位置的脉冲形状的数据库。
脉冲形状分析的目的和方法
目的• 得到构成脉冲的相互作用次数、每次的位置及其沉积能量。方法• 通过最小二乘法比较计算的与测量的,得出次数、每次的位置及其沉积能量。
静态和瞬态电荷信号
• 在目标电极的静电荷信号 (net charge signal),
• 在邻近区段产生的信号称瞬态电荷信号 (transient charge signal)
静态和瞬态电荷信号
• 瞬态
静态和瞬态电流信号
• 电流信号
位置分辨率
• 比较静态和瞬态电荷的幅度和形状,• 比较电流信号的幅度和过零点,• 位置分辨率远小于区段的几何尺度 .
• 在 r 、 z 和位置分辨率 2mm.
• Ge30000 颗粒 .
总结 - 性能比较在 =30% , M =1 时• 类型 E keV % P/T% 线极化 计数率
MHz • Ge 39 0.07 20 10 - 0.08• 反康 Ge 39 0.07 55 10 - 0.08• Gammasphere 39 9 55 10 - 0.08• GRETA 3.7 60 80 1 能 3
总结
• 胶丸,• 共用一个低温罐,• 整块 Ge 的电极分割 ,
• 脉冲形状分析 ,
• 极低本底的 Ge 工作在液体 Argon 等.