高纯锗射线探测器及其新技术教学课件

高纯锗射线探测器及其新技术高纯锗射线探测器及其新技术怎样思想，就有怎样的生活导出的特性参数导出的特性参数角分辨率角分辨率(angular resolution),位置分辨率位置分辨率,考虑考虑Doppler效应的有效效应的有效能量分辨率能量分辨率 E，E2=E2s+E2n+E2D.优良指数优良指数fom=P/T E-1.分辨本领分辨本领(resolving power),在大的复杂的本底中在大的复杂的本底中挑选出弱挑选出弱 射线射线的能力的能力RP=expln(N0/N)/(1-ln/lnR),R=0.76(SE/E)P/T.引言引言 射线探测器的特性射线探测器的特性5.能量范围，能量范围，6.定时分辨率，定时分辨率，7.线极化灵敏度及其优良指数，线极化灵敏度及其优良指数，8.探测下限等。探测下限等。所有参数都是所有参数都是 射线能量射线能量 及其多重性及其多重性 的的函数，通常指函数，通常指 1.332MeV和和 .Ge探测器的发展探测器的发展提高提高 E,P/T性能性能指标指标显著提高显著提高分辨本领分辨本领.有关技术的发展有关技术的发展电制冷技术使其广泛的应用，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模拟为设计良好的探测器及计算其特性提供工具，提供工具，数字电子学数字电子学HPGe探测器探测器在在1962年年Ge(Li)，A.J.Tavendale and G.T.Ewan。FWHM=6keV,分辨率的革命分辨率的革命相对相对NaI(Tl)的效率的效率1。在在1971年年HPGe,R.H.Pehi et al.。大体积，现在大体积，现在p型型HPGe 的直径和高度达的直径和高度达 98 110mm2,体积体积800cc,质量质量4.4kg，207.6%，FWHM=2.4keV。HPGe探测器类型探测器类型n-型和型和p-型型Gen-型几型几keV-20MeV，抗辐照及，抗辐照及损伤可恢复损伤可恢复.p-型几十型几十keV-20MeV，有较好，有较好的能量分辨率的能量分辨率在几何上，常用的为单开端同在几何上，常用的为单开端同轴和平面两种，及特殊的，如轴和平面两种，及特殊的，如井型等井型等.单开端同轴可认为由同轴平面单开端同轴可认为由同轴平面和真同轴两部分组成和真同轴两部分组成.单开端同轴从单开端同轴从n-型和型和p-型的中型的中心电极通过心电极通过DC耦合分别引出负耦合分别引出负的和正的信号。的和正的信号。HPGe的的响应函数响应函数响应函数，响应函数，一个单能一个单能 射线在射线在HPGe探测器探测器中中产生的脉冲幅度谱，产生的脉冲幅度谱，特别是特别是峰形函数峰形函数。场增量场增量、陷阱陷阱和和表面表面道效应道效应影响峰形函数。影响峰形函数。脉冲形状脉冲形状HPGe探测器探测器输出的输出的脉脉冲形状冲形状与电子和空穴与电子和空穴对的产生位置有关对的产生位置有关。单开端同轴的平面部单开端同轴的平面部分与分与z和和r，及真同轴部，及真同轴部分与分与r有关有关.晶轴取向效应晶轴取向效应,相对电相对电场和电载体运动方向场和电载体运动方向间的夹角影响脉冲形间的夹角影响脉冲形状。状。脉冲形状的影响脉冲形状的影响负面效应负面效应定时分辨率比闪烁体差，定时分辨率比闪烁体差，弹道亏损弹道亏损正面意义正面意义甄别单次和多次相互作用的脉冲，甄别单次和多次相互作用的脉冲，定位定位脉冲形状甄别单次和多次相互作单次和多次相互作用产生的电流脉冲用产生的电流脉冲形状形状HPGe的效率的效率增大增大HPGe的的立体角立体角及其及其本征效率本征效率，即增大，即增大体积。体积。增大体积带来一系列的困难，如偶然和、符合和、弹道亏增大体积带来一系列的困难，如偶然和、符合和、弹道亏损、角分辨率及损、角分辨率及 E等显著地增加。等显著地增加。提高提高HPGe颗粒度是另一个重要的方向。颗粒度是另一个重要的方向。保持高效率，克服上述困难，还能实现保持高效率，克服上述困难，还能实现 射线源的影像测射线源的影像测量等。量等。Ge反康普顿和对谱仪反康普顿和对谱仪为了提高为了提高P/T及单色化脉冲谱，有两种谱仪：及单色化脉冲谱，有两种谱仪：Ge反康普顿谱仪反康普顿谱仪在在Ge外套外套2cm厚的厚的BGO或或4cm的的NaI。Ge 和闪和闪烁体的反符合信号禁戒烁体的反符合信号禁戒Ge 的输出它适合的输出它适合E 2MeV，7 8cm2，P/T从从20%55%。对谱仪对谱仪(pair spectrometer)在在Ge外套外套BGO或或NaI环，环分两半。环，环分两半。Ge 和两半和两半闪烁体三重符合信号允许闪烁体三重符合信号允许Ge 输出。它适合输出。它适合E2MeV时。时。单色化脉冲谱单色化脉冲谱联合谱仪。联合谱仪。Ge反康普顿谱仪阵列反康普顿谱仪阵列在在1980年年Copenhagen,P.Twin第一个用第一个用5个个NaI(Tl)屏蔽的屏蔽的Ge(Li)反康谱仪反康谱仪构成阵列构成阵列(Array)，称为，称为TESSA(total energy suppression shield array)增大立体角和颗粒度。增大立体角和颗粒度。使用使用Ge探测器的重大创举。探测器的重大创举。Ge反康普顿谱仪阵列的反康普顿谱仪阵列的意义意义角分布，能级自旋和多极混合比；角分布，能级自旋和多极混合比；通过多重符合得出通过多重符合得出 射线级联关系；射线级联关系；分辨本领显著地提高。分辨本领显著地提高。现代的阵列现代的阵列 球球(Gammasphere)在在1987年美国洛伦兹贝克莱国家实验室建年美国洛伦兹贝克莱国家实验室建造造 球球 122 个个HPGe+BGO组成，组成，110六角形，六角形，12五角形五角形.有效立体角有效立体角 2，全能效率，全能效率 9%，P/T比比 55%。它的最大特点是将它的最大特点是将70个个HPGe的的外电极分割外电极分割为两半为两半，颗粒数增加。，颗粒数增加。GammasphereGammasphereEuroball欧洲球欧洲球(Euroball)在在1997年法国、英国、德国、意大利、丹年法国、英国、德国、意大利、丹麦和瑞典等联合建造。麦和瑞典等联合建造。Euroball它由它由30个单开端同轴个单开端同轴HPGe、26个个clover和和15个个cluster探测器构探测器构成。成。共共30+104+105=239.反康阵列的性能达到反康阵列的性能达到极限极限，需要，需要新概念新概念。Clover和和clusterClover,四叶苜蓿草四叶苜蓿草四个四个 50 70mm2,n-型单型单端同轴端同轴HPGe，每个相对，每个相对NaI的效率的效率 21%，总体积，总体积 470cm3BGO长长242mm，厚度从，厚度从19.5mm到到3mm。35mm厚重金属准直器用厚重金属准直器用于防止射线直接点火于防止射线直接点火BGO。共用一个低温罐共用一个低温罐cluster半六角形的宽度是半六角形的宽度是59mm，后部圆的直，后部圆的直径是径是70mm，长度是，长度是78mm，总体积，总体积 1800cm3，胶丸胶丸(encapsulation)Ge探测器探测器.clover和和cluster通过直接通过直接(direct)和后加和后加(add-back)两种方式两种方式,后加方式保持大体积的效率，后加方式保持大体积的效率，颗粒数分别增加了颗粒数分别增加了4和和7倍倍,适合适合 射线的线极化度测量，射线的线极化度测量，高能高能 射线的探测。射线的探测。现在，现在，Clover中的外电极分割成，中的外电极分割成，8，16，32电极分割的电极分割的e 将整块将整块HPGe探测器的电极分割探测器的电极分割(segmentation)是是HPGe制造技术的突破制造技术的突破类型类型单开端同轴单开端同轴e分割分割.平面平面e正交条正交条Canberra Eurisys Mesures in France5.1 单端同轴电极分割的单端同轴电极分割的e在在1987年年LBNL的的Gammasphere首先首先采用采用.一维分割（沿着轴向和垂一维分割（沿着轴向和垂直轴向）脉冲形状分析直轴向）脉冲形状分析.面颗粒面颗粒(pixel).两维分割脉冲形状分析，两维分割脉冲形状分析，体颗粒度体颗粒度(voxel)特殊的内电极分割特殊的内电极分割外电极两维分割外电极两维分割GRETA特殊的内电极分割特殊的内电极分割HESSI(High Energy Solar Spectroscopic Imager)第一和第二段间反符第一和第二段间反符合，合，第三段屏蔽第三段屏蔽5.2 Ge平面正交条平面正交条LBNLP-type,11mm Thick,3.8cm 3.8cm,19 19正交条在两侧正交条在两侧,条宽条宽2.0mm，条间隙，条间隙0.5mm地侧地侧DC,高压侧高压侧AC耦合耦合.2D位置位置.Ge平面正交条平面正交条第维电子和空穴在第维电子和空穴在相反电极的收集时间相反电极的收集时间差差用做用做Compton Telescope天体源发射天体源发射的核素的特征线的核素的特征线Compton Telescope3D平面做平面做Compton Telescope的原理的原理先进的康普顿望远镜先进的康普顿望远镜Advanced Compton Telescope 射线踪迹阵列射线踪迹阵列在在1994 年美国年美国LBNL的科学家的科学家提出了新的提出了新的 射线踪射线踪迹阵列概念。迹阵列概念。它它122个个(hex.110+pent.12)36重分割的重分割的Ge构成，构成，称为称为 射线能量踪迹阵列射线能量踪迹阵列(Gamma-Ray Energy Tracking Array)，简称简称GRETA。欧洲称欧洲称AGATA(Advanced Gamma Tracking Array)由由192(hex.180+pent.12)分割的分割的Ge个构成个构成.基于基于Ge电极的高度分割、脉冲形状分析电极的高度分割、脉冲形状分析(pulse shape analysis)、踪迹运算、踪迹运算(tracking algorithm)和数字信号处理电子学等四个技术。和数字信号处理电子学等四个技术。Compton 散射Compton 散射散射150keV-8MeV3-4次产生全能峰次产生全能峰。原理原理36重分割重分割Ge 构成构成 立体角立体角的球壳，的球壳，Compton散射到其它电极区段的通过后加方式能够恢复，散射到其它电极区段的通过后加方式能够恢复，提高了提高了，脉冲形状分析确定一个脉冲形状分析确定一个 射线每次相互作用的位置、射线每次相互作用的位置、沉积能量及产生时间，沉积能量及产生时间，根据位置和能量，踪迹运算重建一个根据位置和能量，踪迹运算重建一个 射线在球壳射线在球壳内的踪迹。全能沉积的保留，非全能的剔出，提内的踪迹。全能沉积的保留，非全能的剔出，提高高P/T。利用利用Compton散射公式，从第一相互作用点得到散射公式，从第一相互作用点得到 射线的射线的 角，修正角，修正Doppler移位提高移位提高 EGRETAGRETAGamma Ray Energy Tracking ArrayGRETINA30个个36重单端同轴重单端同轴,10组组.1/4GRETA.18.8M，2008年年.Multiple ScatteringCompton散射公式散射公式Compton其它优点其它优点当源的位置已知，从当源的位置已知，从 可拒绝本底；可拒绝本底；高颗粒度，消除偶然和符合和，角分辨率高颗粒度，消除偶然和符合和，角分辨率减小减小，0.8；允许高计数率；允许高计数率；在在10MeV，效率提高一个量级；，效率提高一个量级；通过第二相互作用点确定通过第二相互作用点确定 射线的线极化度；射线的线极化度；具有高的优良指数具有高的优良指数 cQ(E)2等。等。线极化度测量线极化度测量线极化度测量线极化度测量脉冲形状分析计算脉冲形状分析计算脉冲形状计算脉冲形状计算dQ/dt=q E(re)e+E(rh)h/V0,电场几何、电场强度、晶体取向、杂质浓电场几何、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大器的特性等决定了在特定位置产生的脉冲形状。冲形状。建立建立30000个位置的脉冲形状的数据库。个位置的脉冲形状的数据库。脉冲形状分析的目的和方法脉冲形状分析的目的和方法目的目的得到构成脉冲的相互作用次数、每次的位得到构成脉冲的相互作用次数、每次的位置及其沉积能量。置及其沉积能量。方法方法通过最小二乘法比较计算的与测量的，得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。出次数、每次的位置及其沉积能量。静态和瞬态电荷信号静态和瞬态电荷信号在目标电极的静电荷在目标电极的静电荷信号信号(net charge signal),在邻近区段产生的信在邻近区段产生的信号称瞬态电荷信号号称瞬态电荷信号(transient charge signal)静态和瞬态电荷信号静态和瞬态电荷信号瞬态静态和瞬态电流信号静态和瞬态电流信号电流信号电流信号位置分辨率位置分辨率比较静态和瞬态电荷的幅度和形状，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，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位置分辨率远小于区段的几何尺度.在在r、z和和 位置分辨率位置分辨率 2mm.Ge 30000颗粒颗粒.总结总结-性能比较性能比较在在=30%，M =1时时类型类型 E keV%P/T%线极化线极化 计数率计数率MHzGe 39 0.07 20 10 0.08反康反康Ge 39 0.07 55 10 0.08Gammasphere 39 9 55 10 0.08GRETA 3.7 60 80 1能能 3总结总结胶丸，胶丸，共用一个低温罐，共用一个低温罐，整块整块Ge的电极分割的电极分割,脉冲形状分析脉冲形状分析,极低本底的极低本底的Ge工作在液体工作在液体Argon等等21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。培根22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。韩愈23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。马克思24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。莎士比亚25、学习是劳动，是充满思想的劳动。乌申斯基供娄浪颓蓝辣袄驹靴锯澜互慌仲写绎衰斡染圾明将呆则孰盆瘸砒腥悉漠堑脊髓灰质炎(讲课2019)脊髓灰质炎(讲课2019)