高纯锗探测器的选择

高纯锗探测器的选择

针对实际测量条件选择最适合的高纯锗(HPGe)探测器，主要依据以下几条简单的原则。这些原则均是基于基础的核物理原理，如探测过程如何实现、γ光子如何穿透材料以及γ能谱仪的工作原理等。未经仔细选择的高纯锗探测器，将不会对谱仪系统的整体表现产生很好的优化。本文主要协助用户轻而易举的做出明智而实用的选择。

1、高纯锗探测器的类型及其特点

所有高纯锗探测器本质上就是一个大的反转二极管。高纯锗材料分为N型和P型，由晶体中施主和受主的浓度来决定。为了放大信号，需要连接二极管和进行信号处理的电子学线路，在晶体上做出两个接触极。晶体上的电接触具有两极：较厚的锂扩散极，即N+接触极（几百微米）；较薄的离子注入极，即P+极（几百纳米）。锂接触极较厚，因为此极是金属锂扩散到晶体中所形成的，厚度可控制在几百微米的量级，晶体能够被切割成任意形状。然而，晶体（二极管）内部的电场分布很重要，这点使得具有实用价值的晶体形状被限制成带有中心圆孔的圆盘状或圆柱体状。圆柱体探测器的一端是封闭的，又称为同轴探测器；而圆盘状的探测器一般称为平面探测器。

根据所用材料类型的不同(N型或者P型)，接触极是不同的。对于P型探测器，较厚的锂扩散极在探测器的外表面而薄的离子注入极在内表面，ORTEC称之为GEM。对于N型探测器，接触极和P型恰好相反，ORTEC称之为GMX。P型平面HPGe探测器，ORTEC 称之为GLP；N型短同轴探测器，ORTEC称之为LO-AX探测器。图1给出了两种P型探测器晶体的示意图，GEM和GLP；图2给出了两种N型探测器晶体的示意图，GMX和

LO-AX。整体而言，同轴探测器晶体大，探测效率高而能量分辨率较差；平面探测器晶体小，能量分辨率好而探测效率低。

图1. P型高纯锗探测器几何结构示意图。

图2. N型高纯锗探测器几何结构示意图。

近期ORTEC P型优化HPGe探测器——PROFILE系列探测器的成功开发则说明同轴P 型探测器的制造技术已经获得突破（参阅文献7）。如此，用户既可选择传统的接触极厚度为600微米的探测器（GEM-M & F），也可选择接触极厚度约为10微米的探测器（GEM-MX & FX）。另外，针对不同形状的样品也可选择不同的探测器：针对扁平样品，有PROFILE GEM F和PROFILE GEM FX系列；针对马林杯等大体积样品，有GEM-M和GEM-MX系列。

图3.P型优化GEM-MX & FX高纯锗探测器几何结构示意图。

同轴结构使得更大尺寸探测器的制造成为可能，但是大的晶体尺寸同时也意味着大的电容，而大的电容会降低能量分辨率，因此需要在二者之间取得平衡：在低能端获得最好的能量分辨率；在高能端获得最大的探测效率。

ORTEC的LO-AX的几何形状类似于半圆盘(或短同轴)形状，具有较好的低能端能量分辨率和较好的高能端探测效率。对于新开发的P型优化PROFILE GEM MX & FX探测器，由于较薄的接触极和P型材料的使用，意味着在低能端探测效率优于平面型探测，且在低中高能均具有非常优异的能量分辨率。

P型同轴高纯锗探测器(GEM)是实验室中应用最广泛的高纯锗探测器，而PROFILE系列的P型探测器的使用量的增加，主要原因是该探测器的几何形状能与被测样品更好的匹配，可获得最佳的实际探测效率。N型同轴探测器(GMX)则由于超薄接触极制造工艺的提高，使得在低能端具有较高的探测效率，且在高能端的能量分辨率与P型相差无几。目前能够制作出的最大GEM探测器的相对探测效率为200%，比GMX大概高出100%。

LO-AX和GLP(平面探测器)具有完美的低能端能量分辨率，但降低了高能端的探测效率和能量分辨率。

近期推出的PROFILE系列探测器提供了集低能端高探测效率和全能区优异的能量分辨率于一体的选择，且有与滤纸样品相匹配的探测器形状(GEM-F & FX)，与马林杯样品匹配的探测器形状(GEM-M & MX)。PROFILE-FX系列在低中高能区有完美的能量分辨率，但由于较小的厚度限制了其高能端探测效率，于是对扁平样品全能区的伽玛射线的测量具有最高的实际探测效率；GEM-MX系列则不仅在整个能量段具有非常好的能量分辨率，且晶体尺寸可以非常大，最大探测效率可达175%，对马林杯等体源具有最高的实际探测效率。

井式HPGe探测器(GWL)

井式HPGe探测器(GWL)能够获得可以达到的最高探测效率，但不可避免的引入了一些复杂性。由于样品和探测器之间的接触非常贴近，因此“符合相加事件”的发生有时候使刻度变得复杂。选择井式探测器时需要考虑到这一点，当然ORTEC的能谱分析软件可解决这个问题。一般而言，井式探测器主要用于样品量非常小的研究领域，比如说在某些鉴定实验室。

图5. GWL系列的井式探测器剖面图。