高纯锗探测器的广泛应用和自主研制进展
高纯锗谱仪作用
高纯锗谱仪作用
高纯锗谱仪是一种用于探测和分析放射性物质的仪器，主要用于核物理、核技术、环境监测、地质勘探、材料科学等领域。
高纯锗谱仪的核心部件是高纯锗探测器，它具有高灵敏度、高分辨率和低本底等优点，可以探测到极微量的放射性物质。
通过对放射性物质的能谱分析，可以确定其种类、含量和半衰期等参数。
在核物理和核技术领域，高纯锗谱仪可以用于研究原子核的结构和反应机制，以及放射性同位素的制备和应用。
在环境监测领域，高纯锗谱仪可以用于检测空气、水和土壤中的放射性物质，评估环境污染的程度和风险。
在地质勘探领域，高纯锗谱仪可以用于探测地下的放射性矿产资源，为矿产资源的开发提供技术支持。
在材料科学领域，高纯锗谱仪可以用于研究材料的放射性性能，评估材料的质量和安全性。
总之，高纯锗谱仪是一种非常重要的放射性物质探测和分析仪器，具有广泛的应用前景和重要的科学价值。
高纯锗探测器波形分析研究进展综述
高纯锗探测器波形分析研究进展综述
米宇豪;曾志;马豪;曾鸣
【期刊名称】《核电子学与探测技术》
【年(卷),期】2022(42)1
【摘要】对于主要用于γ射线探测的高纯锗探测器而言,波形分析是在常规本底抑制措施基础上进一步降低本底水平、提升探测灵敏度的重要手段.针对单点/多点事例甄别、事例作用位置甄别和事例作用点信息完全解析等3类波形分析面临的主要问题,在介绍高纯锗探测器输出波形信号产生机制、获取手段、基本特征的基础上,回顾、总结了不同类型高纯锗探测器在不同应用场景下的波形分析研究进展,并对未来的波形分析研究方向进行了展望.
【总页数】12页(P177-188)
【作者】米宇豪;曾志;马豪;曾鸣
【作者单位】生态环境部核与辐射安全中心;清华大学工程物理系;粒子技术与辐射成像教育部重点实验室(清华大学)
【正文语种】中文
【中图分类】TL814
【相关文献】
1.碘化钠探测器和高纯锗探测器γ能谱仪性能比较
2.GMX型同轴高纯锗探测器用于X射线荧光分析之性能评述
3.高纯锗探测器效率刻度方法对比分析
4.基于高纯
锗探测器的辐射剂量率测量技术研究5.高纯锗探测器应用于稀有事例探测的研究进展
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公斤级点电极高纯锗探测器的暗物质直接探测研究.doc
公斤级点电极高纯锗探测器的暗物质直接探测研究众多强有力的证据显示暗物质是宇宙的重要组成部分,但是迄今为止,其本质仍然未知。
物理学家构建了许多模型来描述暗物质,其中弱作用大质量粒子是最流行的候选者之一。
由于暗物质对物质起源和宇宙演化等具有十分重要的意义,因此暗物质已经成为当今基础物理研究的前沿和热点课题之一。
直接探测法是研究暗物质最直接和有效的方法之一。
有多个实验已经在10 GeV/c2质量附近发现了疑似暗物质事例,因此这个质量区域已经成为暗物质研究的焦点。
本课题利用世界上第一个公斤级的点电极高纯锗探测器设计和研制了暗物质直接探测研究实验系统,旨在对<10 GeV/c2的质量区间进行探测,给出暗物质在“质量-反应截面”参数空间中的灵敏度曲线。
为了降低点电极高纯锗探测器的本底水平,实验在世界最深的中国锦屏地下实验室开展,搭建了有效的被动屏蔽体系统,并且利用低本底的NaI(Tl)反符合探测器作为主动屏蔽体进一步降低本底。
针对实验系统的不同噪声来源,发展了基于时间和波形信息的信号甄别方法。
特别地,针对本课题中脉冲反馈电荷灵敏前放的一种特定电子学噪声,发展了一种时间关联性甄别技术,将实验系统的能量阈值从1 keVee(1)降低到了400 eVee,达到了国际同类型探测器的最低阈值;同时,发展了反康普顿事例甄别技术和针对P型点电极高纯锗探测器的体/表面事例甄别技术,极大地降低了本底水平,其中在3-6 keVee能量区间的本底水平达到了约4 cpkkd(2)。
这两个特性使得此实验系统对低质量(<10 GeV/c2)暗物质的探测灵敏度具有很强的国际竞争力。
本课题利用365天的有效本底数据,经过数据处理得到物理能谱,再扣除掉点电极高纯锗探测器自身的宇生放射性核素和高能γ射线在低能区的贡献,最后得到可能由暗物质贡献的能谱。
通过暗物质与靶核的弹性散射作用模型和最小二乘法的统计分析方法,得到了暗物质的灵敏度曲线。
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。
便携式高纯锗能谱仪用途
便携式高纯锗能谱仪用途
便携式高纯锗能谱仪是一种特殊的仪器设备，用于测量和分析样品中的γ射线能谱。
它具有高灵敏度和高能量分辨率的特点，可以广泛应用于多个领域。
下面是便携式高纯锗能谱仪的几个常见用途：
1. 辐射监测与核事故应急：便携式高纯锗能谱仪可以用于辐射监测和核事故应急。
它可以检测环境中的放射性物质，帮助监测人员了解辐射水平，及时采取措施保护人员和环境安全。
2. 核医学与放射性药物研究：在核医学领域，便携式高纯锗能谱仪可用于测量和分析患者体内注射的放射性药物，以确定其分布、代谢和排泄方式。
这对于诊断和治疗疾病非常重要。
3. 环境监测与生态学研究：便携式高纯锗能谱仪可用于监测环境中的放射性物质含量，例如土壤、水体、空气等，以评估环境污染状况和生态系统的健康状况。
4. 食品安全与辐射来源追踪：在食品安全领域，便携式高纯锗能谱仪可以用于检测食品中的放射性物质含量，如核辐射灾害后食品的辐
射污染检测，以及食品产地的辐射来源追踪和溯源。
5. 矿产资源勘探与矿石分析：便携式高纯锗能谱仪可用于分析矿石和矿产资源中的放射性元素含量，帮助矿产勘探和开采过程中的选矿和安全监测。
6. 科学研究与教学：便携式高纯锗能谱仪广泛应用于科学研究和教学实验室中。
它可以用于各种放射性样品的能谱分析，用于核物理、天文学、地球科学、材料科学等领域的实验研究和教学。
需要注意的是，由于便携式高纯锗能谱仪具有较高的成本和专业性，正常情况下，它主要由专业人员和研究机构使用，以确保准确性和数据质量。
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。
高纯锗γ射线探测器及其新技术-中国科学院高能物理研究所
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。
大体积，现在p型HPGe 的直径和高度达 98110mm2,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。
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.
超高纯锗单晶研制及其探测器应用研究
超高纯锗单晶研制及其探测器应用研究发布时间：2022-08-30T02:03:51.569Z 来源：《建筑创作》2022年第1月第2期作者：潘磊[导读] 随着现代科学技术的发展，人类不断加大力度探索太空高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动，并寻找暗物质潘磊安徽光智科技有限公司摘要：随着现代科学技术的发展，人类不断加大力度探索太空高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动，并寻找暗物质，使用高纯锗制备的X、γ射线辐射探测器及其能谱仪进行辐射探测便是最常用的科学手段之一。
与其他γ探测器相比，高纯锗探测器在探测粒子，尤其是X、γ射线方面具有能量分辨率好、探测效率高、稳定性强等优势。
鉴于此，本文主要对高纯锗单晶探测器的发展状况和与其生长工艺进行阐述，并研讨辐射探测器对高纯锗单晶的净杂质浓度、位错密度及其均匀性等方面的严苛要求，以推动辐射探测器用高纯锗单晶技术的快速发展。
关键词：辐射探测器，超高纯锗单晶，提纯，单晶生长，耗尽层，净杂质浓度，位错前言锗与生俱来就具备性能优异的晶体质量，但因其原料稀缺，以致价格居高不下，而且锗禁带宽度不大，难以形成稳定的氧化物而在较长一段时间内不被考虑作为集成电路以及分立器件制造材料的第一选择。
然而伴随目前核物理技术和新能源产业的飞速发展，锗因其单晶体质量优良、电子有效自由程不大等优势再次备受人们的关注，并被应在核辐射探测器制造和使用领域。
高纯锗单晶材料是单晶材料领域的巅峰代表，纯度可达13N（99.99999999999%），是制造高纯锗辐射探测器的核心材料。
与其他辐射探测器相比，高纯锗辐射探测器具有能量分辨率好、探测效率高、稳定性强等优点，在核物理和核反应、天体物理与化学、检验检疫、环境、医学及国防安全等科学和社会领域得到广泛应用，市场前景广阔。
1高纯锗辐射探测器的应用工业上最初采用纯度为1×1013至1×1014 cm3的锗单晶制造的锂漂移型锗探测器。
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高纯锗探测器的广泛应用和自主研制进展
发表时间：2017-03-28T10:25:02.147Z 来源：《电力设备》2017年第2期作者：郑鹏[导读] 在本文中，将就高纯锗探测器的广泛应用和自主研制进展进行一定的研究。
（山东核电有限公司 265116）摘要：高纯锗探测器是现今物理探测工作中经常应用的设备类型，具有较为广泛的应用价值。
在本文中，将就高纯锗探测器的广泛应用和自主研制进展进行一定的研究。
关键词：高纯锗探测器；广泛应用；自主研制；
1 引言
高纯锗探测器是应用在粒子物理、天体物理以及核物理方面实验研究的重要设备，在微量元素分析、材料科学研究方面具有重要的作用，具有探测效率高、稳定强以及分辨率好的优点。
近年来，我国也针对其开展了较为广泛的应用与研究，并获得了一定的成果。
2 物理研究作用 2.1 暗物质探测在目前天体物理以及宇宙学研究当中，我们所能够观测到的物质仅仅为全部物质的4%，有23%左右物质是无法观测的，而是以暗物质形式出现，该类物质具有自身的质量，但不会发光。
在暗物质研究中，其质量则同弱作用中性粒子具有较为密切的关联。
近年来，寻找暗能量以及暗物质存在证据、对其性质进行研究成为了物理领域当中的一项重点内容。
在具体研究中，国际上所使用的方式也各有不同，主
要有粒子探测以及天文探测等方式，其中，高能量分辨率的高纯锗探测器则成为了其中的一项重要工具类型。
在暗物质探测工作中，高纯锗探测器同液氩探测器以及液氙探测器相比具有更高的灵敏度以及能量阈，非常适合应用在10GeV以下暗物质粒子的探测工作当中。
其在实际探测中的原理，即当暗物质粒子打在锗原子核后，将形成反冲作用，并给出电、热信号。
目前，所使用的锗探测器类型有两种：一种在常规温度下工作，而另一种则在及低温度下工作，无论是哪一种方式，锗探测器自身都具有较小的电容与噪声。
2.2 76Ge无中微子双β衰变在近年来的物理研究当中，中微子一直是较为热门的研究话题，根据物理标准模型理论，其为无质量的，但在中微子振荡实验中，却可以发现中微子质量实际上并不为0。
该种发现的获得，也为标准模型理论的扩展提供了重要的实验基础。
为了能够在多种扩展理论当中实现物理机制的确定，物理学家也以较多方式实现中微子质量信息的量测，以此实现理论预期情况的甄别以及量化。
其中，无中微子双β衰变实验则是研究当中经常使用的一种方式。
在普通双β衰变中，其将对一对正负电子以及正反中微子进行发射，其中，中微子质量为0，而无中微子双被β在衰变当中并不会发射中微子。
而在扩展理论当中，则有一种majorana起到作用，该种中微子同其反粒子具有相同的特征，质量可以不为0，当获得该同位素衰变半衰期后，则能够对该中微子的质量上限获得。
在锗5种天然同位素中，76Ge是其中的一种，对此，在具体实验中的第一步，即需要对其实现同位素浓缩处理，在经过提纯之后形成具有较高纯度的锗单晶，在将其制作成探测器之后开展实验研究。
目前，国际上有IGEX、HM以及GERDA等已经开展了该项实验，其中，GERDA是由美国、中国以及欧洲部分国家联合开展的实验项目，其处于1400m深度位置，使用了21 kg 含76Ge浓缩度达 86% 的高纯锗探测器阵列。
在经过一定实验后，其获得了以下方面结果：76Ge无种子微子双β衰变的半衰期下限在1.1×10a25以上。
而为了能够获得更为准确的中微子质量上限，在部分实验中，则对76Ge探测器进行了一定的扩充，即使其达到100kg级别。
为了对该计划进行实现，则需要在高纯锗单晶拉制、76Ge同位素分离以及探测器制备方面不断应用新工艺，在降低生产成本的基础上实现研究目标。
化学角度方面，已经有学者以能谱分析方式通过高纯锗探测器的应用对放射性元素铀、钍、镭进行探测，以β测量方式的应用作为铀的测量道。
在现今高纯锗探测器技术不断提升的情况下，使用高纯锗探测器进行上述放射性元素的测定能有效降低复杂γ谱的影响，通过标准γ射线谱特征同样品间净面积的比较，即能够获得三项元素的含量。
3 高纯锗单晶和高纯锗探测器研制进展对高纯锗探测器来说，其原材料纯度为12-13N，对此，要想实现高纯锗探测器的制作，就需要先做好高纯锗单晶的研制。
为了实现该目标，从上世纪80年代开始，我国相关单位就已经开展了该方面的尝试，并在不断的研究当中获得了以下成果：第一，掌握了高纯锗单晶制备技术，能够拉制出直径在20-50cm、纯度为12N的锗单晶；第二，对高纯锗探测器的制备关键技术具有掌握，且通过高纯锗单晶材料的应用制备出同轴高纯锗探测器在探测效率以及探测分辨率方面都能够满足公司产品指标。
同时，通过独立拉制12N高纯锗材料已经制作出了平面高纯锗探测器。
在该制作过程中，其使用的工艺流程为：首先，对GeCl4原料进行多次精馏提纯以及特殊化学处理，以此在对材料当中杂质含量大幅度降低的情况下将区熔过程中难以去除的As、B以及P等杂质进行去除。
在对该原料反复提出后，再在清洁环境下还原、水解处理，在区熔后得到5-6N的锗锭。
之后，使用自主创新工艺设备，包括有特殊尺寸高频线圈以及净化、涂层工艺等，并在区熔中做好各类参数的优化，最终获得12N高纯锗多晶。
最后，使用以自主创新方式研发的直控高频感应单晶路，使用高纯石英作为炉体，并通过特殊石墨石英封装技术的应用避免杂质出现扩散情况，始终保持炉体具有较高的真空度，并通过高纯气体的应用实现单晶高纯度的保证。
同时，在具体调试以及设计当中保证炉体具有好的热场，以此获得小位错高纯锗，在此不断探索当中逐渐掌握最佳成晶条件，逐渐实现拉晶自动化程度的提升；第四，自主建立了先进高纯锗测试以及制备系统，通过进口高纯锗单晶材料的应用实现同轴高纯锗探测器以及P型平面型高纯锗的制备，即在反复实践中做好制备关键技术的掌握。
同时，对工艺流程进行不断的改善，在腐蚀、镀膜、离子扩散方面做好把关创新，在做好新工艺检验的情况下形成自身特色，同时，在离子注入过程中掌握了优化离子注入能量以及分布均匀度的方式，有效实现产品品质的提升。
4 结束语作为核物理方面实验研究的重要设备，高纯锗探测器的研制应用十分关键。
在不断的研究当中，我国在高纯锗探测器自主研发方面也获得了一定的成果，并以同国际合作以及加强研究等方式逐渐向着更高的方向发展，在上文中，我们对高纯锗探测器的广泛应用和自主研制进展进行了一定的研究，对高纯锗探测器的研究发展具有重要的意义。
参考文献：
[1]郝小勇.高纯锗探测器的研发[J].中国原子能科学研究院年报.2013(00)：77-78.
[2]罗奇，胡世鹏，孙慧斌，刘国卿，赵海歌.高纯锗探测器的效率曲线和符合因子计算[J].核技术.2011(12)：901-904.
[3]李立华，徐鹍，石宗仁.源位置对高纯锗效率校准的影响[J].中国原子能科学研究院年报.2009(00)：11-12.。