DETECTORES DE GERMANIO

Javier Cofré – Alvaro Hermosilla

Docente: Dr. Rodolfo Figueroa

Magíster en Física Médica

Universidad de La Frontera

Índice temático.

1.- Consideraciones generales. 2.- Configuraciones de detectores de

germanio. 3.- Características operacionales de los

detectores de germanio. 4.- Espectroscopia de rayos gamma con

detectores de germanio.

Introducción

Hasta el momento hemos visto detectores para aplicaciones en la detección de partículas cargadas o fotones de baja energía.

A partir de investigaciones se han logrado el desarrollo de detectores de alta pureza lo que ha permitido el uso en estudios de espectroscopía gamma de fotones de mayor energía.

Generalidades

Espesor región depleción

Mayor limitación fue la máxima profundidad de volumen activo creado (Si 2-3 mm).

Germanio de alta pureza ha permitido zonas de depleción de mayor espesor (cm).

Por muchos años se utilizó Ge (Li) desde 1960. Se ha logrado mayor grado de pureza en Ge que en Si. HPGe o Germanio intrínseco Mayor conveniencia operacional. Aplicaciones en espectroscopía gamma.

𝑑=√( 2𝜖𝑉𝑒𝑁 )

Configuración detectores de Germanio Fabricación detectores HP-Ge:

Impurezas a bajos niveles 1010 átomos/cm3 desarrolladas a partir de 1970.

Niveles de impurezas se reducen al realizar el proceso de fundido del Ge llegando hasta concentraciones de 109

átomos/cm3

Configuración detectores de Germanio Configuración planar:

Aplicación de polarización inversa para generar la zona de depleción.

La formación de los contactos de tipo p es sencillo mediante el implante de boro.

A temperatura ambiente la velocidad de saturación de los electrones se alcanzan con un campo mínimo de 105 V/m.

Fabricación de detectores de Germanio tipo p+ y tipo n+ Volumen activo 10-30 cm3.

Configuración detectores de Germanio Configuración coaxial:

Utilidad para espectroscopía gamma dado el mayor volumen activo que se consiguen.

Baja capacitancia en comparación con los de geometría planar. Electrodos en superficie externa e interna del cristal.

Campo eléctrico y capacitancia El campo eléctrico determina la velocidad de deriva de los

portadores de carga (forma de pulso, tiempo colección). El campo eléctrico aumenta proporcionalmente a medida

que aumenta el voltaje inverso aplicado. La capacitancia aumenta a medida que se aplica un menor

voltaje inverso .

𝐶=√( 𝜖𝜌2𝑉 ) 𝐶=2𝜋𝜖

ln (𝑟 2/𝑟 1)

Superficie capa muerta

Contactos p y n pueden tener un espesor apreciable y pueden representar una barrera a la radiación incidente.

Se realizan métodos de evaporación o difusión con Litio en la superficie de entrada para minimizar este fenómeno.

Para rayos γ la atenuación por la capa muerta es despreciable.

Para energías menores es considerable debido a la atenuación que produce.

Técnicas de implantación iónica (reducción espesor superficie de contacto).

Características operacionales detectores Ge Gap de 0,7 [eV] a T° ambiente → corriente de fuga

(idealmente 10-12 [A]). T° ~ 77 [K] → nitrógeno líquido en contacto térmico. Para Ge(Li) es necesario una baja T° de manera

continua para evitar la recombinación. Para HPGe es posible la operación a T° ambiente

entre usos. Criostato y vaso Dewar del detector. Rendimiento detectores coaxiales no se altera hasta

T°130 [K]. Son utilizados sistemas basados en ciclos de

enfriamiento o efectos térmicos para disminuir el ruido electrónico y la capacitancia.

Resolución en energía

• Aplicaciones en espectroscopía gamma• Mejor resolución que los centelladores NaI(Tl)• Resolución depende de:

• Dispersión estadística en el número de portadores de carga• Variaciones en la eficiencia de colección de carga• Contribución del ruido electrónico

• La predominancia de algún factor es dependiente de:• Energía de la radiación• Calidad del detector en uso

;2222EXDT WWWW

EFWD 22 )35.2(

Para una energía de calibración de 1.33 MeV la resolución es de 1.32 keV.

Propiedades del tiempo y forma de pulso Proceso de colección de carga

Es deseable tener el menor tiempo posible de levantamiento del pulso (colección rápida).

Saturación velocidad de deriva para e=105m/s para campo elect. 105V/m. Para huecos es similar pero para un campo de 3x 105V/m.

Resolución depende de: Tiempo promedio de alzamiento del pulso. Variación de la forma del pulso de evento a evento.

Limitantes de la resolución Tiempo requerido para recorrer 1cm es 100ns. Desventaja versus centelladores.

Modelos para la forma del pulso Depende del lugar en que se forma el par e-h dentro

del volumen sensible. Los tiempos de colección corresponden a la

distribución espacial de los puntos donde se crean los pares e-h.

Suposiciones para derivar expresiones analíticas: Todos los portadores son originados en un punto fijo del

detector. Atrapamiento y liberación de los portadores son ignorados. Todos los portadores de carga se supone que son generados

completamente dentro del volumen activo. El campo eléctrico en el volumen activo del detector es

suficientemente alta para causar la saturación de la velocidad de deriva de los electrones y los huecos.

Geometría planar En analogía a un detector de placas plano paralelas:

d

xx

C

q

CV

EV

xxd

VqE

00

0

000

0

0

0

0

)(

)(

)(

)(

qtQ

d

xdt

d

vqtQ

td

v

d

xqtQ

td

vt

d

vqtQ

e

h

he

Energía absorbida

Señal de voltaje (PP)

Para (t < th y t < te)

Para (te < t < th)

Para (th < t < te)

Para (t > th y t > te)

Geometría coaxial

Dado el campo eléctrico anteriormente para geometría coaxial:

∆𝐸=𝑞0𝛼 (𝑟 2−𝑟 02 )+𝑞0 𝛽𝑙𝑛𝑟𝑟0

Energía absorbida

Carga para electrones

Carga para huecos

Posición radial e-h

Colección total de carga

Efectos de captura y liberación.• Fenómeno de captura reduce la amplitud de pulso esperada.• Perdida resolución en energía por la pérdida de carga por impulso.

4.- Espectrometría gamma con detectores de Germanio.

Fig. 12.7

• Cientos de KeV– Centelladores

inorgánicos NaI(Tl)– Detectores

semiconductores de Germanio

• Diferencias en tamaño y resolución en energía (décimas de porcentaje vs. 5-10%)

Espectros típicos; diferencias entre dos detectores.

Figura 12.15

a)Espectros con 662 KeV de rayos gamma de una fuente de Cs 137.

b)Espectro de 1460 KeV emitido por una fuente de K40.

Espectros típicos; a diferentes energías incidentes.

“Aquí esta la clave…”

Fracciones de la energía total del Peak.

Espectros típicos

Al se fabricados de diversas dimensiones y diversas proporciones generan diferentes espectros. (nota; en el detector de germanio, según la predicción estadística, la resolución de energía es 27% mejor que la otorgada por un detector de silicio).

Fig. 12.21

Diversas dimensiones y diversas proporciones generan diferentes espectros.

“Forma del peak.”

La forma detallada del pico observado en el espectro del germanio es importante si el área bajo la curva va a ser medido. ( Nota; para buenos detectores de germanio la razón entre el FWFM y el FWHM es de 2 o 3)

Espectro típico del Co 60.

Comparación típica entre lo calculado y lo medido.

Métodos para reducción continúa

Un detector ideal debería responder sólo con un peak sin un continuo asociado.

Al poseer continuos pueden ocultar peak bajos.

Métodos para reducción continúa: Compton

Método por anticoincidencia;

- Se produce en una detector anular, cilíndrico que suprime los eventos que sólo contribuyen al continúo , sin afectar el peak de energía.

- Se pasan los pulsos desde el detector de germanio a una puerta electrica que se cierra si se detecta una coincidencia de pulso.

Métodos para reducción continúa: Compton

Métodos para reducción continúa: Compton

Métodos para reducción continúa: Compton

Modo de suma-coincidencia;

Consiste en subdividir el detector en varios segmentos o disponiendo varios detectores adyacentes.

Se registran las coincidencias entre los segmentos o detectores.

Se registra la suma de estas coincidencias.

Métodos para reducción continúa: Compton

Métodos para reducción continúa: “Espectrómetro de pares”

Cuando un fotón de aniquilación escapa del detector primario lo que se hace es poner un detector secundario que capte esa señal en los direcciones opuestas.

Si se logra detectar el evento en los tres detectores se logra reducir el continuo.

Generalmente son un detector de germanio más dos de NaI (Tl)

Fig. 12.28

Métodos para reducción continúa: Espectrómetro de pares

“Busca detectar únicamente el Peak de doble escape.”

Calibración de energía Fuentes de Calibración

La precisión del centroide va a depender del sistema de resolución y la estabilidad dentro del periodo de las mediciones.

Con un buen sistema se espera un incertidumbre del 1/10^5

Se puede utilizar Tungsteno (capa Kα 59KeV)

Au 198 ( 411 KeV)

Calibración de energía Fuentes de Calibración

Calibración de energíaEficiencia y curva de Calibración para detectores de germanio y para otro tipo de detectores.

Interpolación usando las funciones de eficiencia equipada.

1.- Planar; 60 a 1863KeV.

2.- Coaxial o No planar; 50 a 8500KeV.

Otros efectos: Daño por la radiación

Son bien sensibles al efecto de la radiación debido a las grandes cantidades de cargas colectadas.

Lo más grave que puede ocurrir es que aumente el número de huecos en la zona activa.(nota; aumenta la cola a bajas energías)

A fluencias altas de neutrones ( 10 exp10 n/cm2) el detector de germanio queda completamente inutilizable.

Otros efectos: Daño por la radiación

Gracias…