Expérience de laboratoire 7 : spectrométrie de rayons gamma haute résolution avec détecteurs HPGe
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Objectif :
- Démontrer la mesure des énergies de rayons gamma avec la haute résolution offerte par un détecteur de germanium haute pureté (HPGe).
- Pour comprendre les différences de performance entre le comptage avec un système à haute résolution (HPGe) et un système à basse résolution (NaI).
Équipement requis :
Aperçu théorique :
Détecteurs semiconducteurs
L'utilisation de détecteurs semiconducteurs pour la détection de rayons gamma a fourni d'énormes gains de capacité de mesure. Les pics de rayons gamma obtenus avec les détecteurs NaI sont très larges par comparaison, de sorte que deux pics proches ne peuvent pas être résolus et les pics de basse énergie ne peuvent pas être facilement observés. Les détecteurs semiconducteurs en germanium ou en silicium compensés par du lithium offrent une résolution de l'énergie nettement meilleure.
Pour les détecteurs semiconducteurs, l'épaisseur de la région de déplétion (profondeur de déplétion) d est donnée par l'équation suivante :
Où :
ε est le contenant diélectrique.
V est la tension de polarisation inverse.
N est la concentration nette d'impuretés dans le matériau semi-conducteur.
e est la charge électronique.
Pour la spectrométrie de rayons gamma, une grande région de déplétion est nécessaire pour la collecte de charge complète et une efficacité accrue. Dans ce cas, la valeur de N doit être réduite autant que possible pour une tension de polarisation inverse spécifique. Les détecteurs de germanium de haute pureté qui sont fabriqués aujourd'hui peuvent atteindre une concentration d'impuretés nette aussi faible que 0,8 x 1010 cm-3.
Dans les isolateurs, la bande interdite entre la bande de valence (entièrement occupée) et la bande de conduction est élevée, et aucun champ d'électricité ou aucune augmentation de température ne peut fournir suffisamment d'énergie aux électrons de la bande de valence pour traverser l'espace et atteindre la bande de conduction. Cependant, dans les semi-conducteurs, la bande interdite est petite et une température accrue des particules chargées incidentes ou un champ d'électricité appliqué peuvent transmettre suffisamment d'énergie aux électrons pour les déplacer de la bande de valence à la bande de conduction. Lorsqu'un électron se déplace de la bande de valence à la bande de conduction, un trou est créé à sa place dans la bande de valence. Les trous se comportent comme des particules avec une charge positive, et ils participent à la conductivité globale du semi-conducteur.
Figure 7-1 : Structure de bande dans les isolateurs et les semi-conducteurs. E g est l'énergie de bande interdite.
Détecteurs de germanium haute pureté (HPGe)
Les détecteurs au germanium sont des diodes semi-ductrices ayant une structure p-i-n (la conception de type P, la couche intrinsèque et la conception de type N), dans lesquelles la région intrinsèque (i) est sensible aux rayonnements ionisants, notamment aux rayons X et aux rayons 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 de tension par un préamplificateur intégré sensible à la charge. Pour un détecteur coaxial (figure 7-2), le contact de redressement qui forme la jonction semi-conducteur est généralement placé à la surface externe du cristal. Ainsi, la conception externe pour un HPGe de type n sera p+ et la surface interne sera n+. La couche de déplétion pour un tel détecteur se développe vers l'intérieur à mesure que la tension est augmentée.
Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique de porteurs de charge (et donc le courant de fuite inverse) à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution de l'énergie du détecteur. Traditionnellement, le milieu de refroidissement de ces détecteurs était l'azote liquide à une température de 77 K. De nombreux détecteurs modernes sont fournis avec un système de refroidissement électrique, éliminant ainsi le besoin d'azote liquide. Il y a deux désavantages avec les détecteurs semiconducteurs. Tout d'abord, les cristaux de haute pureté ou compensés au lithium ne peuvent pas être rendus aussi grands que le NaI, il n'est donc pas possible de fabriquer des détecteurs avec la même efficacité. Deuxièmement, le détecteur semi-conducteur doit être refroidi à la température d'azote proche du liquide lorsqu'il est utilisé, ce qui ajoute au coût et à la complexité du système.
Figure 7-2 : Un détecteur de jonction p-i-n typique (à gauche) avec polarisation inverse. Une section transversale d'un détecteur coaxial de type n située à droite de l'axe cylindrique.
Résolution de l'énergie
La résolution de l'énergie d'un détecteur de germanium peut être décrite comme suit :
Où :
wd est la largeur du pic due aux effets du détecteur.
we est la largeur du pic due aux effets de l'électronique.
La largeur wd est dépendante de l'énergie et est donnée par :
Où :
F est le facteur fano.
w est l'énergie nécessaire pour produire une paire électron-trou.
Si le germanium w (≈3 eV) est faible et qu'un grand nombre de paires électron-trou sont ainsi produites, cela se traduit par de bonnes statistiques de collecte de charge et donc une bonne résolution de l'énergie.
La largeur we dépend à la fois de la capacité du détecteur, qui dépend à son tour de la taille du détecteur, et de la tension de polarisation. Dans l'ensemble, la résolution s'améliore à mesure que la capacité décroît.
La résolution d'un détecteur à large énergie standard (BE2825) est respectivement de 0,4 keV et de 2,0 keV à 5,9 keV et 1332 keV.
Guide de l'expérience 7 :
Comparaison de résolution
Figure 7-3 : Mise en place pour le détecteur HPGe.
1. Assurez-vous que le détecteur HPGe est relié (via le DSA Lynx II) au PC de mesure, soit directement soit via votre réseau local.
2. Placez la source 137 Cs devant le détecteur.
3. Ouvrez le logiciel de spectrométrie gamma ProSpect et connectez au détecteur HPGe.
4. Personnalisez les paramètres de l'analyseur multicanal comme répertoriés dans le tableau 7-1.
5. Utilisez le logiciel pour appliquer l'alimentation recommandée au détecteur HPGe. Il se trouve sur la feuille de spécifications du détecteur ou est répertorié sur le côté du détecteur lui-même.
6. Réglez le gain de l'amplificateur de sorte que le pic d'énergie maximale soit à 40 % de la gamme du spectre.
7. Acquérez un spectre (utilisez une durée de comptage de sorte qu'il y ait au moins 10 000 comptages dans le pic d'énergie maximale).
8. Ajustez la calibration de l'énergie de sorte que le photopic soit à une énergie proche de 662 keV.
9. Pour l'enregistrement/la détermination du photopic 137 Cs :
a. Canal centroïde et énergie
b. Gamme de ROI (à la fois canal et énergie)
c. FWHM
d. Zones de pic (y compris la zone nette, l'incertitude de zone nette et la zone totale)
e. Résolution (calcuée en % en prenant le FWHM en keV * 100 / centroïde en keV)
10. Chargez le spectre 137 Cs de l'expérience 1, obtenu à l'aide d'un détecteur NaI. Dans l'onglet de préférence, choisissez de le comparer au spectre acquis à l'étape 7. Comparez les valeurs LMH pour les pics d'énergie complète des deux spectres.
11. Positionnez la source 60 Co et collectez un spectre avec le pic de 1173 keV et le pic de 1332, les deux plus grands pics, de sorte qu'ils soient dans le tiers supérieur du spectre.
12. Calibrez l'énergie du spectre à l'aide des pics de 1173 et 1332 keV.
13. Enregistrez le LMH du pic de 1332 keV en keV. Comparez cette valeur à la feuille de spécifications du détecteur, si disponible. La résolution des détecteurs de germanium est souvent spécifiée à 1332 keV pour les applications de haute énergie.
14. Positionnez la source 57 Co et collectez un spectre. Observez un pic à 121 keV.
15. Enregistrez le LMH du pic de 121 keV en keV. Comparez cette valeur à la feuille de spécifications du détecteur, si disponible. La résolution des détecteurs de germanium est fréquemment spécifiée à cette énergie pour les applications de faible à moyenne énergie.
Tableau 7-1 : Paramètres de gain et de filtre standard pour HPGe avec le DSA Lynx II.
