高纯锗简介
高纯锗探测器简介
半导体（高纯锗和Si（Li））探测器拥有精锐的能量分辨率，由其组成的γ和X射线能谱测量技术与产品，不仅是核结构、分子物理、原子碰撞等核物理与核反应研究的重要工具，而且在核电、环境、检验检疫、生物医学、天体物理与化学、地质、法学、考古学、冶金和材料科学等诸多科学与社会领域得到了越来越广泛的应用。
四十多年来，ORTEC 探测器种类不断丰富、性能不断提高，在探测效率上，能提供相对效率200%的P型同轴探测器、175%效率的P型优化（“宽能”）同轴探测器和100%效率的N型探测器。
一、探测器机理与各指标的简要意义放射性核素产生的γ光子和X射线，其能量一般在keV至MeV范围。
由于其不带电荷，通过物质时不能直接使物质产生电离，不能直接被探测到，因此γ和X射线的探测主要依赖于其通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子。
这种相互作用表现出光子的突变性和多样性，在吸收物质中主要产生三种不同类型的相互作用：光电效应、康普顿效应或电子对效应，而产生的次级电子（光电子）再引起物质的电离和激发，形成电脉冲流，电脉冲的幅度正比于γ和X射线的能量。
三种效应中，光电效应中γ光子把全部能量传递给光电子而产生全能峰，是谱仪系统中用于定性定量分析的主要信号；而康普顿效应和电子对效应则会产生干扰，应尽可能予以抑制。
在谱仪中，探测器（包括晶体、高压和前置放大器）实际上是一个光电转换器，将光子的能量转变成幅度与其成正比的电脉冲。
然后通过谱仪放大器将该脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器即ADC中将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号，并将该数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成谱图并进行分析。
以下简要阐明所涉及的相关物理概念：1、相对效率、绝对效率与实际效率相对探测效率（即标称效率）的定义：按ANSI/IEEE Std. 325-1996定义，Co-60点源置于探测器端面正上方25cm处，对1.33MeV能量峰，半导体探测器与3"×3" NaI探测器计数率的比值，以%表示。
高纯锗探测器与其他探测器课件
医疗影像
某些探测器可用于医疗影 像设备，如CT和PET扫描 仪。
优缺点比较
优点
高纯锗探测器具有较高的探测效率和 能量分辨率，能够提供更准确的数据 。
缺点
与其他探测器相比，高纯锗探测器的 制造成本较高，且维护和操作要求也 较为严格。
04
高纯锗探测器的制造工艺
材料制备
提纯
将锗元素进行高纯度提纯，去除杂质 ，确保探测器的性能稳定。
单晶生长
通过特定技术生长高纯度锗单晶，为 制造探测器提供优质材料。
制造流程
晶片制备
将锗单晶加工成薄片， 并进行抛光、清洗等处
理。
欧姆接触制作
在锗晶片上制作欧姆接 触，确保电流有效传输
。
刻蚀与结构制备
通过刻蚀技术形成探测 器的敏感结构。
表面处理与镀膜
在探测器表面进行特殊 处理和镀膜，提高探测
器的性能。
应用领域
核科学研究
环境监测
高纯锗探测器在核科学研究领域中广泛应 用于测量放射性同位素、核反应堆监测、 核废料处理等方面。
高纯锗探测器可用于环境监测领域，测量 土壤、水体、空气中的放射性物质含量， 评估环境质量。
医学诊断
其他领域
高纯锗探测器在医学诊断领域中可用于检 测肿瘤、炎症等病变，以及测量药物代谢 过程中的放射性标记物。
高纯锗探测器与其他探测器 课件
contents
目录
• 高纯锗探测器介绍 • 其他探测器介绍 • 高纯锗探测器与其他探测器的比较 • 高纯锗探测器的制造工艺 • 高纯锗探测器的未来发展
01
高纯锗探测器介绍
定义与特性
定义
高纯锗探测器是一种基于高纯锗 材料制成的半导体探测器，用于 测量物质中的微量成分。
锗---简介
锗百科名片锗（旧译作鈤）是一种化学元素，它的化学符号是Ge，它的原子序数是32，是一种灰白色的类金属。
锗的性质与锡类似。
锗最常用在半导体之中，用来制造晶体管。
目录[隐藏]汉字元素概述元素描述元素来源元素用途元素辅助资料对人体的影响[编辑本段]汉字拼音:zhě繁体字:锗部首:钅,部外笔画:8,总笔画:13 ; 繁体部首:金,部外笔画:8,总笔画:16五笔86&98:QFTJ仓颉:XCJKA笔顺编号:3111512132511四角号码:84760UniCode:CJK 统一汉字U+9517基本字义● 锗zhěㄓㄜˇ◎一种金属元素，灰白色结晶，质脆，是重要的半导体材料。
汉英互译◎锗germanium germanium n.[编辑本段]元素概述元素名称：锗元素符号：Ge元素英文名称：Germanium元素类型：金属元素原子体积:(立方厘米/摩尔) 13.6元素在宇宙中的含量:(ppm) 0.2元素在太阳中的含量:(ppm) 0.2元素在海水中的含量:(ppm) 太平洋表面0.00000035地壳中含量：（ppm）1.8相对原子质量：72.61氧化态：Main Ge+2, Ge+4化学键能：(kJ /mol)Ge-H 288Ge-C 237Ge-O 363Ge-F 464Ge-Cl 340Ge-Ge 163原子序数：32质子数：32中子数：41摩尔质量：73所属周期：4所属族数：IVA电子层排布：2-8-18-4晶体结构：晶胞为面心立方晶胞，每个晶胞含有4个金属原子。
晶胞参数：a = 565.75 pmb = 565.75 pmc = 565.75 pmα = 90°β = 90°γ = 90°莫氏硬度：6声音在其中的传播速率：（m/S）5400电离能(kJ/ mol)M - M+ 762.1M+ - M2+ 1537M2+ - M3+ 3302M3+ - M4+ 4410M4+ - M5+ 9020M5+ - M6+ 11900M6+ - M7+ 15000M7+ - M8+ 18200M8+ - M9+ 21800M9+ - M10+ 27000颜色和状态:银白色固体密度：5.35克/立方厘米熔点：938.25℃沸点：2833℃热光系数：dn/dT≈0.0004/K (25~150°C）原子半径：122皮米，Ge4+半径53皮米发现人：文克勒发现年代：1886年发现过程：1886年，德国的文克勒在分析硫银锗矿时，发现了锗的存在；后由硫化锗与氢共热，制出了锗[1]。
仪器简介：高纯锗探测系统
高纯锗探测系统简介
仪器名称：高纯锗探测系统
英文名称：ORTEC
仪器型号：MPA-3
生产厂家：FAST 公司
仪器简介：
高纯锗探测器(High Purity Germanium,HPGe)是20世纪70年代左右发展起来的一种新型半导体探测器,因其优越的能量分辨率、高的探测效率、较宽的能量测量范围、极低的内部放射性水平、稳定的性能等优点,高纯锗探测器成为核素识别、活度测量及X射线分析领域的关键设备,大量地应用于材料科学、环境科学及核技术应用等领域的低本底测量,微量元素分析等方面,并且在基础研究、环境监测、安全监控等领域得到了广泛而重要的应用。
生长中的高纯锗晶体
主要性能指标
1、晶体反向漏电
2、能量分辨率
3、系统噪声
4、探测器相对效率指标
应用范围：
是核素识别、活度测量及X射线分析领域的关键设备，大量地应用于材料科学、环境科学及核技术应用等领域的低本底测量,微量元素分析等方面,并且在基础研究、环境监测、安全监控等领域得到了广泛而重要的应用。
高纯锗的生产工艺及其性能研究
高纯锗的生产工艺及其性能研究高纯锗是一种重要的半导体材料，其在医疗、通讯、航空等领域有广泛应用。
其制备过程复杂，需要采用精细的生产工艺。
本文旨在深入探讨高纯锗的生产工艺及其性能研究。
一、高纯锗的生产工艺高纯锗的制备主要分为化学法和物理法两种。
化学法是通过气相或液相沉积的方法制备高纯锗的过程，其工艺复杂、效率低，但产品纯度高。
物理法则是通过熔融法或气相传输法制备高纯锗，其工艺简单，但产品纯度较低。
其中，熔融法生产高纯锗是目前应用最为广泛的一种方法。
其主要原理是通过电弧熔炼法制备高纯度锗，然后通过晶体生长法制备晶粒纯度高达99.999%以上的高纯锗。
高纯度锗的晶体结构和电学性能都与硅类似，可以用于晶振、半导体器件等领域，且具有很好的光电性能。
二、高纯锗的性能研究高纯锗的性能研究主要涉及其热电性能和光电性能。
热电性能研究表明，高纯锗具有很好的热电性能，能够在高温和弱磁场下产生热电效应。
其热电效应系数比普通半导体材料高出很多，因此常被用于热电转换器件中，如太阳能电池、热电制冷和热电发电等。
此外，高纯锗具有良好的温度稳定性，能够在宽温度范围内保持良好的电学性能。
光电性能研究表明，高纯锗具有很好的光电性能，其光感应的过程和硅类似。
其带隙较小、吸收截面大，能够有效地吸收太阳光，因此常被用于太阳能电池和红外探测器等领域。
此外，高纯锗还具有很好的光放大特性，可以应用于光学放大器、激光器等领域。
三、结论本文全面分析了高纯锗的生产工艺及其性能研究。
高纯锗作为一种半导体材料，具有广泛的应用前景。
随着生产工艺的不断发展和完善，高纯锗的品种、规格和质量将得到进一步提高，其应用范围将进一步扩大。
高纯锗
高纯锗(high purity germanium)电阻率为4700Ω•m和净载流子浓度小于1.5×1012/cm3的金属锗。
高纯锗一般通过区域熔炼提纯制取。
高纯锗是半导体，微量杂质元素会显著地使其电阻率降低。
元素周期表中的第V族元素会使锗呈电子型导电(称N型导电)，称这些元素为施主杂质；Ⅲ族元素会使锗呈穴型导电(称P型导电)，称这些元素为受主杂质。
一般用电阻率的大小来表示高纯锗的纯度，电阻率越大，纯度越高。
两类不同的导电杂质对高纯锗导电性起着相反的作用，当两类杂质同时存在时，它们对锗的导电性的影响相互抵消。
称这种相互抵消的现象为补偿。
高纯锗的导电特性就由占优势的那类杂质所决定。
因而，有时电阻率不足以表征高纯锗的纯度。
严格的表示纯度的方法，应该根据霍尔效应测量从液氦到液氮温度范围的高纯锗的净载流子浓度和补偿度。
当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，物体两侧产生的电位差现象称为霍尔效应。
研究半导体的霍尔效应可以确定它的导电类型及其载流子浓度等。
半导体的导电作用是通过带电粒子运动(形成电流)来实现的，这种电流的载体称为载流子。
施主杂质和受主杂质经补偿后每立方厘米体积半导体中的载流子数目称为净载流子浓度。
高纯锗用于制作半导体二极管、晶体管、红外光学镜片、棱镜、y射线探测器，以及用于铸造红外光学镜片和真空镀膜。
将化学提纯制得的99.999％锗用区域熔炼法提纯而得到高纯锗。
区域熔炼法1952年为美国普凡(W.G.Pfann)所发明。
锗的区域熔炼提纯是将欲提纯的锗锭放入石英或石墨舟皿中，舟皿则放在透明石英l辛一一重蓦管中，管内抽真空或通入保护气体。
利用高频感应加热或电阻加热器使锗锭形成一个或数个熔区，当以一定速度移动加热器或舟皿时，熔区也相应沿锗锭移动。
由于锗锭中各杂质的分配系数K(见有效分配系数)不同，大部分杂质的K<l(见表)。
区域熔炼时K>1的杂质移向头部，K<1的杂质移向尾部。
高纯锗探测器简介
半导体（高纯锗和Si（Li））探测器拥有精锐的能量分辨率，由其组成的γ和X射线能谱测量技术与产品，不仅是核结构、分子物理、原子碰撞等核物理与核反应研究的重要工具，而且在核电、环境、检验检疫、生物医学、天体物理与化学、地质、法学、考古学、冶金和材料科学等诸多科学与社会领域得到了越来越广泛的应用。
四十多年来，ORTEC 探测器种类不断丰富、性能不断提高，在探测效率上，能提供相对效率200%的P型同轴探测器、175%效率的P型优化（“宽能”）同轴探测器和100%效率的N型探测器。
一、探测器机理与各指标的简要意义放射性核素产生的γ光子和X射线，其能量一般在keV至MeV范围。
由于其不带电荷，通过物质时不能直接使物质产生电离，不能直接被探测到，因此γ和X射线的探测主要依赖于其通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子。
这种相互作用表现出光子的突变性和多样性，在吸收物质中主要产生三种不同类型的相互作用：光电效应、康普顿效应或电子对效应，而产生的次级电子（光电子）再引起物质的电离和激发，形成电脉冲流，电脉冲的幅度正比于γ和X射线的能量。
三种效应中，光电效应中γ光子把全部能量传递给光电子而产生全能峰，是谱仪系统中用于定性定量分析的主要信号；而康普顿效应和电子对效应则会产生干扰，应尽可能予以抑制。
在谱仪中，探测器（包括晶体、高压和前置放大器）实际上是一个光电转换器，将光子的能量转变成幅度与其成正比的电脉冲。
然后通过谱仪放大器将该脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器即ADC中将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号，并将该数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成谱图并进行分析。
以下简要阐明所涉及的相关物理概念：1、相对效率、绝对效率与实际效率相对探测效率（即标称效率）的定义：按ANSI/IEEE Std. 325-1996定义，Co-60点源置于探测器端面正上方25cm处，对1.33MeV能量峰，半导体探测器与3"×3" NaI探测器计数率的比值，以%表示。
锗含量分析专业知识
钢铁及其合金中锗含量旳分析
元素性质
存在形式
用途
钢铁中旳作用
检测措施
元素性质
锗
原子序数：32 相对原子质量：72.64 化学符号：Ge 所属周期：第四面期 所属族数：IVA
氧化态 ：Ge+2,Ge+4 锗为银灰色晶体，熔
点937.4°C，沸点 2830°C 一种稀有金属， 主要 旳半导体材料
用途
检测措施
• 锗旳测定根据含量不同分别采用下列几种 措施：质量分数低旳，一般采用原子吸收 光谱法、萃取分光光度法、蒸馏分光光度 法；
• 质量分数较高旳，采用碘酸钾滴定法，重 量法等
蒸馏分离苯芴酮-十六烷基三甲基溴 化铵光度法
1、仪器和设备 ⑴分光光度计 ⑵简易蒸馏装置
• 2、试验环节 取样 式样分解
锗地壳中旳含量约0.0007%（一百万分之七），大量旳锗 以分散状态存在于多种金属旳硅酸盐矿、硫化物矿以及多 种类型旳煤中。锗在自然界分布很散、很广，煤、铜矿、 铁矿 、某些银矿中，也成锗石产出，岩石，泥土和泉水中 都具有微量旳锗。诸多植物中都具有限量锗。
பைடு நூலகம் 钢铁中旳作用
• 锗有着良好旳半导体性质,如电子迁移率、 空穴迁移率，能将光能转化为电能，能利 用温差发电等等 在合金中加入锗可提升合 金旳导电性
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高纯锗γ谱仪
分析对象：可以用来分析水、土壤、固体、气溶胶、沉降物、生物中的放射性核素活度。
原理：样品中的核素放射出的γ射线被探头所检测，变成信号进入数字化谱仪中，把脉冲信号变为谱图来进行计算得知这种核素的活度。
数字化谱仪：数字化谱仪是高纯锗谱仪采集、处理的重要部件。
他完成的温度、高压状况的实时数据的采集、发出控制信号、报警，以实现高纯锗探测器正常工作；完成死时间的计算与传输；完成脉冲信号的放大、成形；完成脉冲信号的采集(采用DSP芯片对信号进行实时采集)；完成电源的交直流转换、升压、稳压成比较稳定的高压电源以便输出到炮筒中的高压滤波模块中供探头使用；完成高压直流源向低压电源的转换，以便供系统中其他芯片使用；完成与计算机之间的数据传输与交流；个性化设置、保存及出厂设置的恢复。
铅室：为了实现低活度核素的测量，减少本低计数，以相对提高谱峰净计数的统计涨落，提高低活度核素分析的精度，必须使高纯锗多道谱仪在低本底环境下运行。
铅室的作用就是为屏蔽外界射线的干扰、保持测量环境的稳定、减少样品或刻度放射源对测试人员的辐射，实现谱仪的低活度、高精度测量目的，减少测试人员所受剂量。
能量刻度：能量刻度是建立γ射线能量和脉冲幅度的对应关系，可以使用常规标准源进行刻度，如：137Cs，60Co，152Eu，241Am,等等，经能量刻度的谱仪可以实现测量样品的放射性核素识别。
是核素定性分析不可缺少的。
效率刻度：效率刻度就是建立测量样品核素的能量效率对应关系或效率曲线，要分析样品中放射性核素的活度，还需要谱仪进行效率刻度。
是核素定量分析不可缺少的。
无源效率刻度软件：软件几何和材料建模能力强大，计算精度高，速度快，界面简单，使用方便。
其核心算法的正确性经过了200多块不同形状和能量体源的实验测量结果检验。
与参考源的结果基本保持一致。