Материал: Бушуев Методы и приборы измерений ядерных материалов 2011
1
2
3
4
5
6
7
8
Рис. В1.4. Разрез Ge-детектора:
1 – крышка детектора; 2 – кристалл германия; 3 – предусилитель; 4 – кабели, ведущие к блоку питания предусилителя, входу усилителя, и т.д.; 5
– сосуд Дьюара; 6 – жидкий азот; 7 – хладопровод; 8 – газопоглотитель
При комнатной температуре происходит обратная диффузия лития из кристалла германия, которая ведет к необратимому ухудшению характеристик детектора. По этой причине Ge(Li)-детекторы работают и хранятся только при температуре жидкого азота.
Теллурид-кадмиевые детекторы. В настоящее время имеются оп-
ределенные достижения в технологии изготовления CdZnTeдетекторов, которые могут работать при комнатной температуре. По разрешающей способности и по эффективности они заметно
16
уступают германиевым детекторам, однако малые геометрические размеры и отсутствие необходимости охлаждения жидким азотом делает их незаменимыми при измерениях в особо трудных условиях.
Поверхностно-барьерные Si(Au)-детекторы. Этот тип детекто-
ров получают из кремния n-типа с удельным сопротивлением 0,5÷100 кОм/см путем его протравливания кислородом воздуха с образованием поверхностного p-слоя. На его поверхность напыляют тонкий слой золота, служащий электродом. Толщина чувствительной области составляет 2÷5 10-2 см. Si(Au)-детекторы работают при комнатной температуре. Их используют для спектрометрии заряженных частиц: α-частиц, высокоэнергетичных β-частиц, осколков деления.
Параметры германиевых детекторов
В настоящее время разрешение ППД-спектрометров близко к теоретическому пределу. Стремление достичь наилучшего разрешения обусловлено необходимостью отделить излучение определенного нуклида от фоновых излучений и обеспечить наилучшее отношение эффект/фон и, таким образом, снизить погрешность измерения.
Стремление повысить эффективность детектора объясняется желанием зарегистрировать наибольшее число событий в единицу времени, чтобы обеспечить наилучшую точность измерений.
Диапазон энергий регистрируемых квантов гамма-излучения определяется технологическими и конструктивными особенностями германиевых детекторов и может лежать в пределах от единиц кэВ (планарные детекторы с бериллиевым окном) до 10 мэВ (коаксиальные детекторы большого объема).
Эффективность регистрации гамма-квантов в пике полного поглощения германиевых детекторов характеризуется значением так называемой относительной эффективности. Она определяется как отношение эффективностей регистрации в пике полного поглощения линии 1332 кэВ (60Со) германиевого детектора и сцинтилляционного детектора NaI(Tl) размером 3х3 дюйма. У современных детекторов относительная эффективность лежит в пределах 5÷120 %. Наиболее часто на практике для выполнения различных измерений
17
используются детекторы с относительной эффективностью 10÷80 %. Фирма ORTEC изготовляла отдельные детекторы с относительной эффективностью до 280 %. Относительная эффективность Geдетектора (%) приблизительно равна его объему (см3), деленному на 4,3.
Важным параметром, характеризующим контрастность аппаратурной линии, является отношение пик/комптон для линии 1332 кэВ. Для германиевых детекторов с относительной эффективностью от 5 до 60 процентов это отношение равно 40÷80 соответственно и практически не увеличивается с дальнейшим ростом относительной эффективности детектора.
Энергетическое разрешение германиевых детекторов, как правило, приводится для линии 1332 кэВ (60Со) и 122 кэВ (57Со). Значение разрешения германиевых детекторов промышленного изготовления для этих линий обычно составляет 1,75÷2,2 кэВ и 450÷750 эВ соответственно.
В настоящее время германиевые детекторы поставляются в основном в трех типах криостатов:
1.Автономный криостат, который устанавливается в стандартный сосуд Дьюара с жидким азотом емкостью от 20 до 80 литров. Периодичность заливки азота в зависимости от объема сосуда Дьюара составляет 2÷6 недель.
2.Криостат, конструктивно соединенный с сосудом Дьюара емкостью от 1 до 3 литров и предназначенный для выполнения оперативных и инспекционных измерений. Периодичность заливки азота в зависимости от объема сосуда Дьюара составляет 24÷72 часа. Рабочее положение произвольное.
3.Третий тип криостатов основан на применении электроохладителей компрессионного типа. Они не требуют использования жидкого азота. Выпускаются стационарные и переносные системы
сэлектроохлаждением.
Время готовности детектора к выполнению измерений после начала охлаждения составляет 3÷6 часов. Выбор конструкции детектора и криостата определяется спецификой решаемой измерительной задачи.
18
Электронный тракт аналогового ППД-спектрометра
На протяжении многих лет в спектрометрии применялись аналоговые электронные блоки. В некоторых организациях такие спектрометры продолжают использовать. Начнем с их рассмотрения.
Структура и функции спектрометра гамма-излучения. Высокое энергетическое разрешение ППД может быть реализовано только при использовании малошумящего электронного тракта. Структурная схема аналогового спектрометра гамма-излучения приведена на рис. В1.5. Импульс тока, образованный собранными на электродах детектора зарядами, поступает на вход предварительного усилителя (ПУ), который усиливает сигнал с детектора и формирует импульс длительностью 200÷300 мкс и амплитудой до 0,1 В.
Рис. В1.5. Структурная схема аналогового спектрометра гамма-излучения: Дет – детектор; ПУ – предварительный усилитель; Ген – генератор импульсов точной амплитуды и известной частоты; ЛУФ – линейный усилитель – формирователь; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, ВНЛ – восстановитель нулевой
линии, ИП – источник высокого напряжения
Линейный усилитель-формирователь формирует импульс длительностью 1÷12 мкс и усиливает его до амплитуды в несколько вольт, что необходимо для нормальной работы аналого-цифрового преобразователя, преобразующего амплитуду сигнала в цифровой код, который определяет ту ячейку памяти, в которую добавляется единица.
19
Предусилитель. Принципиальная схема подключения HPGeдетектора к предусилителю показана на рис. В1.6. Зарядочувствительная секция предусилителя превращает импульс тока в импульс напряжения амплитудой в несколько мкВ и длительностью более 1 мс. Амплитуда импульса строго пропорциональна энергии зарегистрированного гамма-кванта. Для получения максимального отношения сигнал/шум предусилитель (ПУ) располагают как можно ближе к детектору, что минимизирует емкость на входе и уменьшает уровень шума на выходе. В настоящее время первый каскад ПУ помещают внутрь криостата, а сам ПУ – на поверхности криостата.
Рис. В1.6. Схема подключения HPGe-детектора
На схеме рис. В1.7 показан предусилитель, состоящий из двух усилительных секций. Первая секция аналогична схеме на рис. В1.6, а вторая секция, кроме усиления сигнала, обеспечивает низкое выходное сопротивление предусилителя (обычно 50 Ом), необходимое для согласования с соединительным кабелем предусилителя и основного усилителя. Включение детектора без разделительного конденсатора приводит к смещению базовой линии на выходе усилительной секции пропорциональное току утечки детектора плюс средний импульсный ток. Для скорости счета 105 имп/с от гамма-квантов с энергией 1 МэВ при длительности импульса 1 мс смещение базовой линии на выходе усилительной секции составит величину около 4 В.
20