Types de détecteurs au germanium

Les détecteurs germanium sont des diodes à semi-conducteurs ayant une structure p-i-n dont la région intrinsèque (i) est sensible aux rayonnements ionisants, notamment aux rayons X et gamma. En polarisation inverse, un champ électrique traverse la région intrinsèque ou appauvrie. Lorsque les photons interagissent avec le cristal dans le volume appauvri d’un détecteur, des porteurs de charge (trous et électrons) sont libérés et dirigés vers les électrodes P et N sous l’action du champ électrique. Cette charge, proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur par le photon entrant, est convertie en impulsion électrique par un préamplificateur intégré sensible à la charge.

Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge (donc le courant de fuite inverse) à un niveau acceptable. Dans le cas contraire, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution de l'énergie du détecteur. L’azote liquide, dont la température s’élève à 77°K, est le moyen de refroidissement communément utilisé pour ces détecteurs. Le détecteur est monté dans une chambre à vide fixée ou intégrée à un Dewar LN². Les surfaces sensibles du détecteur sont ainsi protégées de l’humidité et des contaminants condensables.

TYPES DE DÉTECTEURS AU GERMANIUM

Mirion propose le plus large choix de détecteurs du marché. En faisant appel à la technologie appropriée en matière de matériaux et de techniques de traitement, Mirion peut offrir le détecteur optimal pour une large gamme d'applications. Nous utilisons à la fois le germanium de type p et de type n et nous utilisons des contacts diffusés, implantés et de barrière pour produire cette variété de produits.

Les illustrations et les graphiques suivants décrivent les diverses géométries de détecteur disponibles auprès de Mirion, la gamme d'énergie qu'elles couvrent et leurs principales caractéristiques de performance. Consultez les fiches de spécifications pour obtenir une description détaillée, les gammes de performance et la disponibilité des modèles de chaque type.

CRYOSTATS
L'azote liquide est le composant le plus important et sûrement le plus sous-estimé lorsqu’il s’agit d’assurer la fiabilité dans le temps des performances d’un système de détection au germanium. Mirion fabrique ses propres cryostats selon des normes de qualité élevées afin de garantir une longue durée de vie au détecteur dans les conditions de fonctionnement les plus difficiles.

Le cryostat standard de Mirion est notre Slimline Design dans lequel la chambre du détecteur et le préamplificateur sont emballés ensemble dans un cylindre compact.

Les détecteurs de faible énergie, tels que les Ultra-LEGes et les Si (Li) utilisent nos cryostats à bride qui sont compatibles avec les bouchons de petit diamètre (25 mm) associés à ce type de détecteur. Les cryostats à bride sont disponibles en option sur d'autres types de détecteurs.

Mirion propose également une gamme de cryostats transformables qui, en combinaison avec des détecteurs emballés dans de petites chambres à vide, peuvent être reconfigurés sur le terrain.

Pour les applications nécessitant un fonctionnement sans azote liquide, Mirion propose le Cryolectric II. Ce cryostat à refroidissement électrique utilise un réfrigérant sans CFC et est bien adapté à une utilisation dans des applications industrielles et de laboratoire.

PRÉAMPLIFICATEURS
Il n'y a que deux types de préamplificateurs de base utilisés sur les détecteurs au germanium. Ce sont des préamplificateurs sensibles à la charge, qui utilisent soit des méthodes de restauration de charge dynamique (rétroaction RC), soit des méthodes de restauration de charge pulsée (réinitialisation optique pulsée ou du transistor) pour décharger l'intégrateur. La figure suivante illustre la limitation du taux d'énergie des préamplificateurs de rétroaction RC couplés en cc, qui est fonction de la valeur de la résistance de rétroaction et de la gamme de tension de sortie dynamique de l'intégrateur, limitée à environ 20 volts.

La limite de taux d'énergie peut être augmentée de manière très substantielle en choisissant une résistance de rétroaction de valeur inférieure avec, bien sûr, une augmentation du bruit qui l'accompagne. Les données de performance réelles sur un détecteur typique sont données dans le tableau suivant :

Les préamplificateurs de réinitialisation optique pulsée sont largement utilisés sur les détecteurs de faible énergie où la résolution est de la plus haute importance. L'élimination de la résistance de rétroaction diminue le bruit sans impact sérieux sur le temps mort, tant que l'énergie moyenne par événement est faible à modérée. À 5,9 keV/événement, un préamplificateur Mirion 2008 peut traiter près de 1000 impulsions entre les réinitialisations. Comme le temps de récupération de réinitialisation est de 2 à 3 largeurs d'impulsion de l'amplificateur, peu de données sont perdues dans cette situation. Les systèmes de rétroaction optique peuvent cependant présenter des temps de récupération longs en raison d'états de surface activés par la lumière dans le FET. La sélection et le traitement appropriés des composants peuvent minimiser le problème, mais ils sont généralement présents dans une certaine mesure dans les systèmes optiques pulsées. Avec les énergies élevées où les réinitialisations se produisent nécessairement très souvent, quelque fois après 10 événements, cette réponse parasite peut être un problème sérieux. De ce fait, les systèmes de rétroaction optique pulsée ne sont
généralement pas utilisés avec les détecteurs coaxiaux.

Le préamplificateur de réinitialisation du transistor a été développé afin de surmonter les problèmes associés aux préamplificateurs à réinitialisation optique pulsée dans les systèmes de haute énergie et de taux élevé. La capacité de rétroaction est déchargée au moyen d'un commutateur à transistor relié à la grille FET. Ce transistor ajoute une certaine capacité et un bruit au circuit d'entrée, mais cela est tolérable dans la plupart des applications impliquant des taux de comptage ou d'énergie élevés. Par rapport à un préamplificateur RC avec une résistance de rétroaction sélectionnée pour des performances de taux élevé, le préamplificateur de réinitialisation du transistor présentera moins de bruit, mais sacrifiera le temps mort, car l'amplificateur aura besoin de 2 à 3 largeurs d'impulsion pour se rétablir après la réinitialisation périodique du préamplificateur. Ainsi, dans les applications nécessitant des taux de rendement élevés, le préamplificateur de réinitialisation du transistor n'est pas un bon choix. Il peut être utilisé dans des situations où le taux d'énergie est tellement élevé qu'un préamplificateur RC risque de saturer, mais le taux de rendement peut se voir réduit au minimum dans ce cas.

SYSTEMES
En plus des NIM, des MCA et des systèmes informatiques décrits ailleurs dans ce catalogue, Mirion propose de nombreuses options et accessoires destinés à compléter notre gamme de détecteurs au germanium. Vous trouverez ci-dessous une liste partielle des équipements et des systèmes que nous proposons. Certains de ces systèmes sont décrits dans des fiches produits et des brochures, tandis que d'autres sont fabriqués sur demande. Nous sommes prêts à vous proposer et à vous fournir des systèmes qui répondront à vos exigences spécifiques. Contactez votre représentant Mirion local ou l'usine, en décrivant votre problème ou votre application, et nous vous enverrons une proposition immédiatement.

ACCESSORIES
• Alimentation en azote liquide Dewars
LN² dispositifs de transfert
• Automatic LN² systèmes de transfert
• LN² niveaux d'alarme
• Blindages en plomb pour comptage de faible énergie
Spectromètres de suppression Compton