锂漂移半导体探测器及高纯锗(HPGe)半导体探测器 - 10.4锂漂移半导体探测器及10.5高纯锗(HPGe)半导体探测器
各类探探测器优劣比较
各类探探测器优劣比较三大类探测器比较（闪烁体、半导体、电离室）（闪烁体）碘化钠探头：他的激活剂是(TI)，对γ射线，当能量大于150keV时响应是线性的；对质子和电子，线性响应范围很宽，光输出和能量的关系接近通过原点的直线，仅在能量低于几百keV（对电子）和（1~2）MeV（对质子）时才偏离直线；对α粒子，能量大于4~5MeV后近似线性，但其直线部分延长不过原点。
因此测量α粒子（或其他重粒子）时，比须进行能量校准。
NaI(TI)烁体的主要优点是密度大，原子序数高，因而对γ射线探测效率高。
另外它的发光效率高，因而能量分辨率也较好。
它的缺点是容易潮解，因此使用必须密封。
碘化铯探头：CsI(TI)碘化铯是另一种碱金属卤化物，作为闪烁体材料常用铊或纳作激活剂。
铊的能量线性与碘化钠的接近，能量分辨率比碘化钠的差一些。
碘化铯的密度和平均原子序数比碘化钠更大，因此对γ射线的探测效率也更高。
与碘化钠相比，碘化铯的机械强度大，易于加工成薄片或做成极薄的蒸发薄膜。
此外，它不易潮解，也不易氧化。
但若暴露在水或高湿度环境中它也会变质。
碘化铯的主要缺点是光输出比较低，原材料价格较贵。
锗酸铋探头：与碘化钠（TI）同体积时，探测效率比碘化钠的高的多。
对0.511MeV γ光子，与NaI(TI)、CsF、和Ge半导体、塑料闪烁体相比，锗酸铋(BGO)有最大的效率和最好的信噪比。
BGO主要用于探测低能x射线、高能γ射线以及高能电子。
在低能区（<<0.5MeV）的能量分辨率比碘化钠的差，例如对于0.511MeV的γ射线，BGO的时间分辨为1.9ns，而碘化钠NaI(TI)的的为0.75ns。
BGO的主要缺点是折射率较高，尺寸大的BGO难以将光输出去。
价格高。
硫化锌：ZnS（Ag）它对α粒子的发光效率高，而对γ射线和电子不灵敏，很适合在强β、γ本底下探测重带点粒子如α、核裂片等，探测效率可达100%。
laBr3是新型卤化物闪烁体，其基本性能已经全面超越了传统的碘化钠闪烁体，谱仪具有比碘化钠更好的能量分辨率、峰形和稳定性。
核辐射测量原理复习知识要点
第一章 辐射源1、实验室常用辐射源有哪几类？按产生机制每一类又可细分为哪几种？带电粒子源快电子源： β衰变 内转换 俄歇电子 重带电粒子源： α衰变 自发裂变非带电粒子源电子辐射源：伴随衰变的辐射、湮没辐射、伴随核反应的射线、轫致辐射、特征X 射线 中子源：自发裂变、放射性同位素（α，n ）源、光致中子源、加速的带电粒子引起的反应 2、选择辐射源时，常需要考虑的几个因素是什么？ 答：能量，活度，半衰期。
3、252Cf 可做哪些辐射源？答：重带点粒子源（α衰变和自发裂变均可）、中子源。
第二章 射线与物质的相互作用电离损失：入射带电粒子与核外电子发生库仑相互作用，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量作用机制：入射带电粒子与靶原子的核外电子间的非弹性碰撞。
辐射损失：入射带电粒子与原子核发生库仑相互作用，以辐射光子的方式损失其能量。
作用机制：入射带电粒子与靶原子核间的非弹性碰撞。
能量歧离：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散；这种能量损失的统计分布，称为能量歧离。
引起能量歧离的本质是：能量损失的随机性。
射程：带电粒子沿入射方向所行径的最大距离。
路程：入射粒子在物质中行径的实际轨迹长度。
入射粒子的射程：入射粒子在物质中运动时，不断损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿原来入射方向所穿过的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程。
重带电粒子与物质相互作用的特点： 1、主要为电离能量损失2、单位路径上有多次作用——单位路径上会产生许多离子对3、每次碰撞损失能量少4、运动径迹近似为直线5、在所有材料中的射程均很短 电离损失： 辐射损失：快电子与物质相互作用的特点： 1、电离能量损失和辐射能量损失2、单位路径上较少相互作用——单位路径上产生较少的离子对3、每次碰撞损失能量大4、路径不是直线，散射大⎛⎫ ⎪⎝⎭242ion 0dE 4πz e -=NZB dx m v ()()⋅≅rad ion dE/dx E ZdE/dx 800222NZ m E z dx dE rad∝⎪⎭⎫ ⎝⎛-21m S rad ∝E S rad ∝2NZ S rad ∝带电粒子在靶物质中的慢化：(a) 电离损失－带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程。
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。
核辐射探测器硕张
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探测器的三个关键点
如果按照技术指标和用途的差别来区分，三类探 测器中每一类都有很多种。在此侧重讲述在学习 这三类探测器时需要了解的三个方面： 探测器把核辐射转变为电信号的物理过程 探测器的输出回路及其与探测器输出电信号的关 系 探测器的主要技术指标及其用途
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Q0 Q0 C1V0
a
Q0
V0
Q0
b
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28/84
a
q1
x q2
b
e V0
q (Q0 ) (Q0 ) e (q1) (q2 ) 0
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q1 q2 e
q1
e
x d
dx q2 e d
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电离室的基本结构
不同类型的电离室在结构上基本相同 典型结构有平板型和圆柱型，均包括 高压极(K)：正高压或负高压； 收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接 近的电位； 保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的 电位； 负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。
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核辐射转变为电信号的阶段
• 第一阶段：入射的粒子射入探测器的灵敏体积，
通过与探测器物质的相互作用，转变或产生出带 电粒子 。
• 第二阶段：被电离或激发的原子，在探测器的外
加电场中作定向移动，为探测器外部负载电路提 供信号
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核子仪考试答题技巧
核子仪专业实务重点考点一：核子仪的特点主要有：(1) 不直接接触被检测对象，是一种非破坏性的检测工具；(2) 可在各种苛刻条件如高温、高压、高粘度、高毒性等情况下对非密闭和密闭容器内的物料进行非电参数的控制；(3) 灵敏度高、性能稳定可靠、响应速度快、使用寿命长；(4) 可连续输出电信号，实现生产过程闭环自动控制；(5) 体积小、重量轻，便于携带和安装；(6) 穿透深度视射线种类不同而有所区别，其穿透深度在0.1~1m 之间。
考点二：核子仪一般由放射源、核辐射探测器、电转换器及二次仪表等组成。
其中放射源和核辐射探测器是其核心部件。
考点三：放射性核素虽然有很多种，但能够用于同位素仪表的放射源却不多，这是因为对同位素仪表中使用的放射源有以下要求：(1) 半衰期长；(2) 射线能量和能谱合适；(3) 放射性比活度高；(4) 价格低廉，易得。
考点四：α放射源：最常用的α放射源主要是210Po 和239Pu。
考点五：γ放射源：常用的γ放射源主要有60Co、137Cs、192Ir、170Tm、241Am、238Pu、55Fe等。
考点六：β放射源：β放射源常常同时放射出γ射线，常用的纯β放射体主要有3H，14C，90Sr- 90Y等。
考点七：气体探测器：主要包括电离室、正比计数器、盖革计数器等类型。
考点八：闪烁探测器：主要包括碘化钠单晶闪烁计数器、塑料闪烁计数器、液体闪烁计数器等。
考点九：半导体探测器：主要包括HPGe（高纯锗探测器）等。
考点十：核子密度湿度计用于密度测量多采用60Co 和137Cs源用来测量密度，活度范围为约3MBq～0.4GBq（约8～10mCi）。
考点十一：核子密度湿度计内部装有两种放射源。
γ源一般使用137Cs，用来测量密度；常用的中子源为241Am－Be，用来测量物质或材料中的水分。
考点十二：核子测厚仪按测量射线的形式可分为两类，一类为透射式测厚仪，一类为反散射式测厚仪。
透射式测厚仪工作原理与核子密度计类似，是利用放射性同位素所放出的γ射线，在穿透物质时，透过射线的强度随物质厚度不同而改变的原理制成的非接触式测厚仪。
高纯锗探测器与其他探测器
电位
电场
灵敏区的电场
平面型的灵敏区电场均匀分布
E(x) V 0 d
d为灵敏区厚度 V0为偏置电压
同轴型的电场非均匀分布
E(r) V 0 r ln r 2 r1
r为灵敏区半径 式中r1和r2分别为未补偿的P芯半径
灵敏区的电容
平面型：
Cd
0 s
4d
32 1011 (F )
体积 cm 3 相对效A=率C（o(6%0)）1.3=3MeVga4m.m3a射线在
HPGe灵敏体积中的光电峰面积
4.3.3峰康比与峰形状
峰康比：
P
全能峰的峰值 康普顿平台的峰值
提高峰康比的方法：增大灵敏体积；选
着dd好NE孔的尽双几量逃何逸小形单峰）状逃；（逸高峰轴的长能等量于分直(辨全光径率能电，峰；峰中) 心
D
Cd
Cr
A0
U SC
U sr
Cd
Cr
Q
1
A0 C f
如果满足条件A0>>1, 1 A0 C f Cd Cr
则
U sr
Q A0C f
由此可见，只要满足上述条件，电荷灵敏放大器的输出 信号幅度h就仅与探测器输出的电荷Q成正比，而与探测 器的结电容Cd和放大器的输入电容Cr无关，保证了输出 信号的稳定性
4.3.1能量分辨率
E E12 E22 E32 总能量分辨率 E1 2.36 F E 为载流子数的涨落 E2 2.36(ENC ) 为漏电流和噪声 E3 为载流子由于陷阱效应带来的涨落，
通过适当提高偏置电压减小
4.3.2探测效率
探测器的灵敏体积
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。
固体物理第九章ppt
西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan
9.1 半导体基本性质
半体的晶体结构
半导体材料均属具有一 定晶格结构材料，晶体材 料内部的原子（或离子） 均有规则的按一定方式排 列（原子排列的格式就叫 晶格）并有固定的熔点。
杂质类型：替位型，间隙型。
1) 替位型：III族元素，如B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)等； V族 元素，如P(磷)、As(砷)、 Sb(锑) 等。 2) 间隙型：Li，可在晶格间运动。
西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan
一、本征半导体和杂质半导体
3) 施主杂质(Donor impurities)与施主能级
西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan
9.1 半导体基本性质
• 固体的导电性： 物体导电是物体内电子在外电场作用下定向运动的结果。
• 导体、半导体、绝缘体的能带 由于电场力对电子的作用，使电子的运动速度和能量发生
变化。从能带论来看，电子能量变化就是电子从一个能级跃 迁到另一个能级上。
一、本征半导体和杂质半导体
•N型（电子型）半导体： 导带内电子运动。 •P型（空穴型）半导体： 满带内空穴运动。 •载流子： 是电子和空穴的统称。温度高，禁带宽度 小，产生的 载流子数目就多；产生得越多，电子与空 穴复合的几率也越大。 在一定温度下，产生率和复合 率达到相对平衡，半导体中保持一 定数目的载流子。
西安交通大学核科学与技术学院 2011.05 liu_shuhuan
9.1 半导体基本性质
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10.6 锂漂移和HPGe半导体探测器的性 能与应用 10.7 其他半导体探测器（简介）
10.5 高纯锗(HPGe)半导体探测器
由耗尽层厚度的公式：
2V0 W eN i
1/ 2
降低杂质的浓度Ni可提高耗尽层的厚度。 高纯锗半导体探测器是由极高纯度的Ge 单晶制成的 P-N结 半导体探测器。杂质 浓度为~1010原子/cm3。
2) 空间电荷分布、电场分布及电位分布
电荷分布器的特点 1) P区存在空间电荷，HPGe半导体探测 器是PN结型探测器。
2) P区为非均匀电场。
3) P区为灵敏体积，其厚度与外加电压 有关，一般工作于全耗尽状态。
4) HPGe半导体探测器可在常温下保存， 但也需要在低温下工作。
外加电场，使Li+漂移。Li+与受主杂质(如Ga-) 中和，并可实现自动补偿形成 I 区。
(3) 形成P-I-N结，未漂移补偿区仍为P，引出电 极即可。
锂离子在外加电场作用下向 右漂移。
NLi较大处会引起电场变化， 加速多余的锂离子向右漂移。
b
N Li N A
a
锂离子漂移区域不存在空间 电荷，为均匀电场分布。
对Ge(Li)探测器，由于锂在锗中的迁移率较 高，须保存在低温下，以防止Li+Ga-离子对 离 解，使Li+沉积而破坏原来的补偿； 对Si(Li)探 测器，由于锂在硅中的迁移率较低，在常温下 保存而无永久性的损伤。
3) 由于PIN探测器能量分辨率的大大提高， 108m Ag 110m 开创了谱学的新阶段。 Ag
E
V /d 0 d
x
Front metallization
Ohmic back contact
P Intrinsic
Semi
N+
To positive bias voltage
由硅作为基体的探测器称为Si(Li)探测器，由 锗作为基体的探测器称为Ge(Li)探测器。锂离子 是用于漂移成探测器的唯一的离子。
10.4 锂漂移半导体探测器
1. 锂的漂移特性及P-I-N结 1) 间隙型杂质——Li Li为施主杂质，电离能很小 ～0.033eV
Li＋漂移速度
dW (T ) E dt 当温度T 增大时，(T)增大，Li+漂移 速度增大。
2) P-I-N结的形成
基体用P型半导体(因为极高纯度的材料多是P 型的)，例如掺硼的Si或Ge单晶。 (1) 一端表面蒸Li，Li离子化为Li+,形成PN结。 (2) 另一端表面蒸金属，引出电极。
2. 锂漂移探测器的工作原理 1) 空间电荷分布、电场分布及电位分布
I区为完全补偿区，呈电中性为均匀电场； I区为耗尽层，电阻率可达1010cm； I区厚度可达10～20mm，为灵敏体积。
杂质浓度 电荷分布 电位分布
电场分布
2) 工作条件
为了降低探测器本身的噪声和FET的噪声， 同时为降低探测器的表面漏电流，锂漂移探测 器和场效应管FET都置于真空低温的容器内， 工作于液氮温度(77K)。
一般半导体材料杂质浓度为~1015原子/cm3。
1. 高纯锗探测器的工作原理 1) P-N结的构成 采用高纯度的 P 型 Ge 单晶，一端表 面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主 杂质(如磷或锂)形成 N区 和 N+，并形成 P-N结。另一端蒸金属形成 P+，并作为 入射窗。两端引出电极。
因为杂质浓度极低，相应的电阻率很 高。空间电荷密度很小，P区的耗尽层厚 度大。
10.1 半导体的基本性质（简介）
10.2 均匀型半导体探测器（简介）
10.3 P-N结半导体探测器
10.4 锂漂移半导体探测器
1、锂的漂移特性及P-I-N结 2、锂漂移探测器的工作原理
10.5 高纯锗(HPGe)半导体探测器
10.6 锂漂移和HPGe半导体探测器的性 能与应用 10.7 其他半导体探测器（简介）
Li漂移探测器的问题：低温下保存代价很 高；漂移的生产周期很长，约30～60天。
10.1 半导体的基本性质（简介）
10.2 均匀型半导体探测器（简介）
10.3 P-N结半导体探测器 10.4 锂漂移半导体探测器
10.5 高纯锗(HPGe)半导体探测器
1、高纯锗探测器的工作原理 2、高纯锗探测器的特点