高纯锗探测器的广泛应用和自主研制进展

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：