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DETECTORES DE GERMANIO Javier Cofré – Alvaro Hermosilla Docente: Dr. Rodolfo Figueroa Magíster en Física Médica Universidad de La Frontera

Detectores de Germanio, Javier Cofré y Alvaro Hermosilla

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Detectores de GermanioJavier Cofr Alvaro HermosillaDocente: Dr. Rodolfo FigueroaMagster en Fsica MdicaUniversidad de La Frontera

ndice temtico.1.- Consideraciones generales.2.- Configuraciones de detectores de germanio.3.- Caractersticas operacionales de los detectores de germanio.4.- Espectroscopia de rayos gamma con detectores de germanio.IntroduccinHasta el momento hemos visto detectores para aplicaciones en la deteccin de partculas cargadas o fotones de baja energa.A partir de investigaciones se han logrado el desarrollo de detectores de alta pureza lo que ha permitido el uso en estudios de espectroscopa gamma de fotones de mayor energa.GeneralidadesEspesor regin deplecin

Mayor limitacin fue la mxima profundidad de volumen activo creado (Si 2-3 mm).Germanio de alta pureza ha permitido zonas de deplecin de mayor espesor (cm).Por muchos aos se utiliz Ge (Li) desde 1960.Se ha logrado mayor grado de pureza en Ge que en Si.HPGe o Germanio intrnsecoMayor conveniencia operacional.Aplicaciones en espectroscopa gamma.

Situado un determinado voltaje aplicado, la mayor profundidad de agotamiento slo se puede lograr mediante la reduccin del valor de N a travs de reducciones en la concentracin de impurezas de la red.Los detectores de Ge(Li) deben mantenerse continuamente a bajas temperaturas para disminuir la corriente de fuga.Detectores de Ge de alta pureza presentan una mejor manipulacion que los de Ge(Li).

4Configuracin detectores de GermanioFabricacin detectores HP-Ge:Impurezas a bajos niveles 1010 tomos/cm3 desarrolladas a partir de 1970.Niveles de impurezas se reducen al realizar el proceso de fundido del Ge llegando hasta concentraciones de 109 tomos/cm3

Configuracin detectores de GermanioConfiguracin planar:Aplicacin de polarizacin inversa para generar la zona de deplecin.La formacin de los contactos de tipo p es sencillo mediante el implante de boro.A temperatura ambiente la velocidad de saturacin de los electrones se alcanzan con un campo mnimo de 105 V/m.Fabricacin de detectores de Germanio tipo p+ y tipo n+Volumen activo 10-30 cm3.

La regin de agotamiento detector est formado por polarizacin inversa este n +-p unin. El contacto en la cara opuesta del cristal debe ser un contacto no inyectables para un portador mayoritario. Puede consistir en un p + contacto se produce por implantacin de iones de tomos aceptores, o una barrera de superficie metal-semiconductor que acta como el equivalente elctrico.La produccin de tipo n-contactos es menos comn ya que la radiacin daos causados por el proceso de implantacin produce los sitios aceptores en germanio.6Configuracin detectores de GermanioConfiguracin coaxial:Utilidad para espectroscopa gamma dado el mayor volumen activo que se consiguen.Baja capacitancia en comparacin con los de geometra planar.Electrodos en superficie externa e interna del cristal.

En este caso, un electrodo en la superficie exterior cilndrica de un largo cristal de germanio cilndrico. Un segundo contacto cilndrico es proporcionado por extraer el ncleo del cristal y se coloca un contacto sobre la superficie cilndrica interior. Debido a que el cristal se puede hacer largo en la direccin axial, se consiguen grandes volmenes activos (hasta 750 cm3). Una ventaja adicional de la geometra coaxial es que, mediante el uso de un dimetro interno pequeo, se pueden fabricar detectores de gran volumen con una menor capacitancia que los detectores con geometra planar.La seal elctrica de salida, est conectado a un transistor de efecto de campo (FET) est conectado al contacto interior

7Campo elctrico y capacitanciaEl campo elctrico determina la velocidad de deriva de los portadores de carga (forma de pulso, tiempo coleccin).El campo elctrico aumenta proporcionalmente a medida que aumenta el voltaje inverso aplicado.La capacitancia aumenta a medida que se aplica un menor voltaje inverso .

8Superficie capa muertaCaractersticas operacionales detectores GeEl detector debe estar ubicado en un criostato al vaco hermtico para inhibir la conductividad trmica entre el cristal y el aire circundante (criostato permite enfriar a T del nitrogen liquido).Vaso dewar permite el aislamiento termico.Eltransistor de efecto campo(Field-Effect TransistoroFET, en ingls) es en realidad una familia detransistoresque se basan en elcampo elctricopara controlar la conductividad de un "canal" en un materialsemiconductor. Los FET pueden plantearse comoresistenciascontroladas pordiferencia de potencial.10

Resolucin en energaAplicaciones en espectroscopa gammaMejor resolucin que los centelladores NaI(Tl)Resolucin depende de:Dispersin estadstica en el nmero de portadores de cargaVariaciones en la eficiencia de coleccin de cargaContribucin del ruido electrnico

La predominancia de algn factor es dependiente de:Energa de la radiacinCalidad del detector en uso

Cul de estos factores dominan depende de la energa de la radiacin y el tamao y la inherenteF: factor de Fano (0.08).e: energia para crear un par ion (2.96).E: energia rayos gamma.El termino dependiente de la recoleccin incompleta de carga es el ms importante en los detectores de gran volumen y bajo campo elctrico promedio (a mayor campo electrico la recoleccion de carga incompleta se reduce).12

Para una energa de calibracin de 1.33 MeV la resolucin es de 1.32 keV.

Los pequeos detectores tienen menores valores de capacitancia y el ruido electrnico del sistema aumenta con la capacitancia del detector13Propiedades del tiempo y forma de pulso14Modelos para la forma del pulsoDepende del lugar en que se forma el par e-h dentro del volumen sensible.Los tiempos de coleccin corresponden a la distribucin espacial de los puntos donde se crean los pares e-h.Suposiciones para derivar expresiones analticas:Todos los portadores son originados en un punto fijo del detector. Atrapamiento y liberacin de los portadores son ignorados.Todos los portadores de carga se supone que son generados completamente dentro del volumen activo.El campo elctrico en el volumen activo del detector es suficientemente alta para causar la saturacin de la velocidad de deriva de los electrones y los huecos.La movilidad de los portadores de carga (electrons y huecos) son similares.La captura de las cargas en trampas superficiales seguido por una liberacin rpida puede alterar significativamente el tiempo de trnsito de portadores de carga y puede ser importante cuando la concentracin de poca profundidad, tales trampas no es despreciable.15Geometra planarEn analoga a un detector de placas plano paralelas:

Energa absorbidaSeal de voltaje (PP)Para (t < th y t < te)Para (te < t < th)Para (th < t < te)Para (t > th y t > te)This induced charge starts at zero when the electrons and holes are first formed by the ionizing particle and reaches its maximum of qo when both species have been collected.The development of the signal pulse can thus be represented by the growth of a time dependent induced charge Q(t).16

La subida del pulso de detectores de germanio puede cambiar sustancialmente de un evento a otro, dependiendo de la posicin en la que los pares electrn-hueco se crean dentro del volumen activo.17Geometra coaxialDado el campo elctrico anteriormente para geometra coaxial:

Energa absorbidaCarga para electrones

Carga para huecos

Posicin radial e-h

Coleccin total de cargaEn la configuracin coaxial verdadera el campo elctrico vara inversamente con la distancia radial desde el eje del detector.Si el electrodos en el detector de germanio estn segmentados de modo que se obtienen pulsos separados de cada segmento, entonces la posicin de deteccin puede extenderse ms all de la coordenada radial comparando el tamao de las seales de los electrodos individuales18Efectos de captura y liberacin.Fenmeno de captura reduce la amplitud de pulso esperada.Perdida resolucin en energa por la prdida de carga por impulso.

Ultimately, the trapped electrons may be released by thermal excitation if the trap is shallow194.- Espectrometra gamma con detectores de Germanio.

21Fig. 12.7Cientos de KeVCentelladores inorgnicos NaI(Tl)Detectores semiconductores de GermanioDiferencias en tamao y resolucin en energa (dcimas de porcentaje vs. 5-10%)Espectros tpicos; diferencias entre dos detectores.

22Figura 12.15Espectros con 662 KeV de rayos gamma de una fuente de Cs 137.

Espectro de 1460 KeV emitido por una fuente de K40.

Espectros tpicos; a diferentes energas incidentes.23

Aqu esta la clave

Fracciones de la energa total del Peak.25Espectros tpicosAl se fabricados de diversas dimensiones y diversas proporciones generan diferentes espectros. (nota; en el detector de germanio, segn la prediccin estadstica, la resolucin de energa es 27% mejor que la otorgada por un detector de silicio). 26Fig. 12.21

Diversas dimensiones y diversas proporciones generan diferentes espectros. 27Forma del peak.La forma detallada del pico observado en el espectro del germanio es importante si el rea bajo la curva va a ser medido. ( Nota; para buenos detectores de germanio la razn entre el FWFM y el FWHM es de 2 o 3)

28Espectro tpico del Co 60.

Comparacin tpica entre lo calculado y lo medido.30Mtodos para reduccin continaUn detector ideal debera responder slo con un peak sin un continuo asociado. Al poseer continuos pueden ocultar peak bajos.

31Mtodos para reduccin contina: ComptonMtodo por anticoincidencia;

- Se produce en una detector anular, cilndrico que suprime los eventos que slo contribuyen al contino , sin afectar el peak de energa. - Se pasan los pulsos desde el detector de germanio a una puerta electrica que se cierra si se detecta una coincidencia de pulso.

32Mtodos para reduccin contina: Compton

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Mtodos para reduccin contina: ComptonMtodos para reduccin contina: ComptonModo 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.35

Mtodos para reduccin contina: ComptonMtodos para reduccin contina: Espectrmetro de paresCuando un fotn de aniquilacin escapa del detector primario lo que se hace es poner un detector secundario que capte esa seal 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 ms dos de NaI (Tl)37Fig. 12.28

Mtodos para reduccin contina: Espectrmetro de paresBusca detectar nicamente el Peak de doble escape.38Calibracin de energa Fuentes de CalibracinLa precisin del centroide va a depender del sistema de resolucin y la estabilidad dentro del periodo de las mediciones. Con un buen sistema se espera un incertidumbre del 1/10^5Se puede utilizar Tungsteno (capa K 59KeV)Au 198 ( 411 KeV)

39Calibracin de energa Fuentes de Calibracin

40Calibracin de energa

Eficiencia y curva de Calibracin para detectores de germanio y para otro tipo de detectores.41Interpolacin usando las funciones de eficiencia equipada.

1.- Planar; 60 a 1863KeV.2.- Coaxial o No planar; 50 a 8500KeV.Otros efectos: Dao por la radiacinSon bien sensibles al efecto de la radiacin debido a las grandes cantidades de cargas colectadas.Lo ms grave que puede ocurrir es que aumente el nmero de huecos en la zona activa.(nota; aumenta la cola a bajas energas)A fluencias altas de neutrones ( 10 exp10 n/cm2) el detector de germanio queda completamente inutilizable.

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Otros efectos: Dao por la radiacinGracias

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