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高纯锗  射线探测器 及其新技术 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) , M  30 ,及高本底等极端条件.

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高纯锗  射线探测器 及其新技术

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Presentation Transcript


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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


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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Ge

  • 6.射线踪迹阵列

  • 7.脉冲形状分析

  • 总结


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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.

  • 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.


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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+ E2n 2keV,

  • 2.全能效率(full energy efficiency),

  • 3.峰总比(peak-to-total ratio)P/T,

  • 4.颗粒度(granularity),


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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+ E2n +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.


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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.


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Ge探测器的发展

  • 提高E, ,P/T性能指标.

  • 显著提高分辨本领.


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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.


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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。


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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。


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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。


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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。


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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.


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脉冲形状甄别

  • 单次和多次相互作用产生的电流脉冲形状


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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。


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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 ,78cm2,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E2MeV时。单色化脉冲谱.

  • 联合谱仪。


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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。


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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。


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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


Gammasphere1

Gammasphere


Euroball

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。


Euroball1

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。


Clover cluster

4.Clover和cluster

  • Clover,四叶苜蓿草

  • 四个5070mm2,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

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 cluster1

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.


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5.电极分割的Ge

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Ge分割.

  • 平面Ge正交条.

  • Canberra Eurisys Mesures in France


5 1 e

5.1 单端同轴电极分割的Ge

  • 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.


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外电极两维分割

GRETA


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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

5.2 Ge平面正交条

  • LBNL

  • P-type,11mm Thick,

  • 3.8cm3.8cm,

  • 1919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.


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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

Compton Telescope

  • 3D平面做Compton Telescope的原理


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先进的康普顿望远镜

  • Advanced Compton Telescope


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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

Compton 散射

  • Compton 散射

  • 150keV-8MeV

  • 3-4次产生全能峰。


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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

  • GRETA

    Gamma Ray Energy Tracking Array


Gretina

Multiple Scattering

GRETINA

  • 30个36重单端同轴,10组.1/4GRETA.

  • $18.8M,2008年.


Compton1

Compton散射公式

  • Compton


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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。


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线极化度测量

  • 线极化度测量


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7.脉冲形状分析计算

脉冲形状计算

  • dQ/dt=q [E(re)Ve + E(rh)Vh] /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。


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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。


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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)


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静态和瞬态电荷信号

  • 瞬态


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静态和瞬态电流信号

  • 电流信号


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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.

  • Ge30000颗粒.


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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


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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.


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