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从中子相互作用中检测高能γ射线:中子损伤和HPGe探测器

用于中子活化测量的高纯度锗(HPGe)探测器
在进行快中子或缓发中子活化测量,在元素捕获的情况下产生高能量伽马射线的,通常选择n型(GMX)HPGe而不是闪烁体,因为HPGe提供30至40倍更好的能量分辨率。虽然整体HPGe系统脉冲处理吞吐量可以比快速闪烁体技术低10倍,但HPGe的高Z有助于提高相似尺寸闪烁体探测器体积的初级光峰效率,并且可提供比使用闪烁体更高的峰-康普顿比。

随着检测器的尺寸/长度(体积)增加,HPGe和碘化钠(NaI)分辨率之间的差异大大增强。最终的测量结果是HPGe具有比任何现有闪烁体技术高得多的信噪比,因此更容易检测具有低固有检测效率较低的高能伽马事件,其在关键光电峰中具有很少的计数。

中子对HPGe探测器的损坏
为了测量由中子活化产生的高能量(5-20 MeV)光子,当探测器长时间暴露于中到高中子通量时,选择最大体积的n型HPGe探测器可以提高探测效率,但不是最佳选择。将HPGe与同位素或发生器产生的中子一起使用时的实际问题是来自探测器与中子相互作用的累积电荷收集损害。 ORTEC服务中心提供的中子损伤退火,可以将n型探测器的电荷收集特性恢复到几乎与工厂状态一致。注意,当用户具有适当的培训和设备时,用户可以自行执行中子损伤退火。

在n型(GMX)HPGe探测器用于探测快速中子相互作用的高能伽玛的应用中,探测器暴露在中子中,ORTEC建议使用不超过约50%效率的同轴探测器。该探测器体积可优化效率,同时最大限度地减少中子损伤敏感性。 p型(GEM)探测器不推荐用于中子场中,因为它们不易在热中子损伤后通过退火过程恢复。

如下面的数据所示,探测器体积越大,探测器对快速中子损伤越敏感。请注意,当HPGe探测器在非低温温度下处于中子场下工作时,由于冷却问题,中子损伤的速率可能会增加。当探测器在所具有的配置中尽可能冷时,GMX探测器中的中子电阻最佳。

2 X 108 cm2 对于GEM探测器,效率高达20%
1 X 107 cm2 对于GEM探测器,效率高达70%
4 X 109cm2 对于GMX探测器,效率高达30%
1 X 109 cm2 对于GMX探测器,效率高达70%
1 X 109cm2 用于GLP(平面)探测器

中子损伤对探测器性能的变化
HPGe探测器中的中子损伤导致晶体内电荷收集特性发生变化。通常,当在没有看到系统噪声的变化时,当1.33-MeV峰值的分辨率和/或峰形比开始降低时,可以认为产生了中子损伤。

使用脉冲发生器验证系统电子噪声是否保持恒定,然后收集谱数据并比较在中子暴露之前和之后的1.33-MeV峰值处测量的峰形比,用户可通过该种方式确定是否发生了中子对晶体的损害。

由于可测量的中子损伤是递增的,因此有时很难确定是否发生了明显的中子损伤。探测器暴露的中子越多,损害就越严重。通常,直到检测器“热循环”为止。或升温至室温,然后冷却,中子损伤造成的分辨率降低可能不明显。如果持续冷却,中子损伤的探测器可能在某些应用中继续产生“足够好”的表现。如果需要,分辨率和峰形比恶化而热循环后系统噪声没有显着变化,则热循环将确认是否发生了中子损坏。ORTEC用于评估探测器在热循环后是否有中子损伤的通常经验是,观察1.33 MeV的测量峰形比是否比中子暴露前差10%

Detecting High Energy Gamma Rays from Neutron Interactions: Neutron Damage and HPGe Detectors