中子辐射损伤HPGe探测器的修复系统

中子辐射损伤HPGe探测器的修复系统 中子辐射损伤HPGe探测器的修复系统 f5三一[{' 第16卷第3期 1996年5月 棱电子学与探测技术 NuclearEleclxonics&DetectionTechnology Vo1.16N3 Mav1996 中子辐射损伤I-IPGe探测器的修复系统 塑廑进刘忠孙相富 周小红陈新峰金寒涓罗亦孝 '中国科学院近代物理研究所'兰州,.00o07"/- 2/5-2t 束实验中,锗探测器因受中子辐射损伤而性能变差能量分辨率变坏.本文介绍了自建的锗探测 器中子辐射损伤修复系统的组成和工作情况.用该系统已成功地修复了4告N型HPC,e探测器. … , 荔川芒 1前言 在在柬7实验测量中,设置在靶室周围的高探测效率,高能量分辨的锗探测器将不可避 —,免地要受到束流轰击靶发生核反应时所释放出的快中子的辐射损伤.尽管N型HPGe探测器 V//具有较强的抗中子辐射损伤的能力,但当快中子的积分注量达到约10.cm时],锗7探测 器的性能将严重变坏,以致能量分辨不能满足实验要求,直接影响谱的获取质量.这主要是 因为快中子在锗晶体中与锗原子发生碰撞,使被碰撞的锗原子具有一定的反冲速度和反冲能 量这种被反i中的锗粒子在锗晶体中经过电离电子和与核碰撞而损失能量被慢化停止在与 核碰撞过程中,就造成了被撞锗原子偏离晶格位置.例如一个2MeV快中子平均可产生的用 于造成晶格位错的反坤能量Eo一20.9keV,锗原子晶格束缚能E=25eV,要产生位移需要2E 一 50eV能量,因此一个2MeV中子可使417个晶体原子产生位移.这些位移原子密度很大,可 造成局部的无序区.这些无序区可以带有多至100个电子电荷,因此能俘获经过该区的空穴载 流子,使探测器的电荷收集不完全,从而使探测器分辨变差[2].HPGe的这种损伤是可以经过 退火修复的,因此为了保证物理实验的正常进行,在实验室中建立自己修复被中子辐射损伤的 锗探测器的系统是十分必要的. 2系统的建立 参照EG&GORTEC公司对HPGe探测器中子辐射损伤修复的介绍,我们在束7组建立 了一个修复中子损伤的系统,如图1所示.该系统主要由真空系统(前级泵加吸收阱和分子 泵)和加热控制系统(包括加热带和温度调节控制器)两大部分组成.它要求真空系统必须是干 净无油,否则将会污染锗单晶表面而造成严重后果.我们采用了中国科学院科学仪器厂生产的 FBJI10涡轮分子泵机组.涡轮分子泵是一种高速机械旋转式真空泵,对被抽气体无 选择性,无 记忆效应.而且对分子量大的气体具有很高的压缩比,在运行过程中,高真空区域 不会受到油 ?得到HIRFL国家实验室和国家冉然科学基金资助 l82 , , 图lHPGe探涮器修复系统示意图 蒸汽的污染.为了充分防止高真空区无油分子污 染,我们要求厂家在前级泵与分子泵之间加了一 级金属丝吸附阱,吸附阱能有效遏止前级泵油蒸 汽返入分子泵.加热系统是用来加热和控制加热 温度的.温度控制是用调压器控制缠在探头和浴 棒上的加热带的电压高低来实现的.探头内有热 敏电阻可反应出探头内部的温度丁,加热过程中 可用欧姆表监测热敏电阻阻值R,由已知的R与 温度的对应关系+便能实现在所要控制的温度 下加热退火的目的. 3修复方法与修复结果 3.1修复方法" 在系统真空优于1.33~Pa的情况下加热探测器晶体温度至10013"C,并保持该温度 24, 72h.然后停止加热使晶体温度自然冷却到室温.整个修复过程中,系统真空都应保 持优于 1.33p.Pa,具体步骤如下: 图2修复前后HPGe探测器测得 的co源的1332keV谱 1)确认探测器分辨变坏确属中子辐射损坏所 致后;将锗探测器从渡氮罐中取出在室温下回温 24h.受中子辐射损伤的锗探测器,由于电荷收集 不完全,T峰的形状由正常时的高斯对称型变成 了在低能一侧明显加宽大尾巴型(图2). 2)折除撵测器低压,高压,信号线,前置放大 器,将探头浴棒外表面用乙醇清洗干净后,把探头 真空的活门嘴与WO一2阀联接上.先拉开VV一1 阀待真空稳定后,再拉开VVO一2阀.这时真空会 有明显下降,必须等到真空上升到优于1.33#Pa+ 方可进行下一步. 3)缠加热带加热退火.必须按图1那样去缠, 以防探头和浴棒内"O"圈部位受热过度变形,因 此在缠加热带时应注意距"0"圈部位远一点,而 在浴棒底部铜冷指上加热带要缠得实在可靠,以便热传递快一点.当加热温度缓慢上升到 100~C时,用调压器控制使温度稳定在100~3~C范围,连续保持24,72h(以探测器损伤的程度 而定). 4)解离加热带.先缓慢降低调压器电压至零伏,去掉加热带.使温度自然降至室温,时间 将持续12h左右. 5)关闭探测器抽真空活门.小心翼翼关闭联接阀VVO一2,此时探头真空活门自动封闭,然 后解下探头. 6)装好前置放大器,将探头置于渡氮瓶内冷却12h,即可通电压测试. 7)用co源测试分辨.观测被修锗探涮器对1.332MeV7线的能量分辨,以判断掺复效 183 果. 3.2修复结果 使用本系统已对4台在束实验中损伤的N型HPGe探测器进行了修复.修复前后的能量 分辨列在表1.从表1中的比较可以看出,修复后的能量分辨均已达到或接近了出厂指标,而 效率30,分辨2.OkeV的探测器分辨明显好于探头指标图2只是一个修复前后锗探测器测 得的Co源的1332keV7线的能谱典型示例.显而易见,中子辐射损伤对HPGe探测器影响 的严重性,图中n.d阴影部分正是中子损伤的缘故经过修复之后能谱呈现出正常的对称性高 斯分布,分辨变好,探测器性能恢复正常,中子辐射损伤梭消除. 表1修复前后HPGe探测器得的能量分辨比较 序号探测器型号修复前FWHM/keV修复后FWHM/keV 1GMX15190一p-s3.8I.95 2GMX20195一p_s2.6Z00 aGMX—a02002.61.90 4GMX一151903_0190 由此可见,我们新建的中子辐射损伤HPGe7探测器的修复系统是可行的,目前尚不知对 N型HPGe探测器的中子损伤修复次数有何限制.此外,本系统不仅可对中子损伤的探测器进 行修复,而且对于探测器真空恶化以及内部分子筛饱和也可进行修理. 作者在此特意感谢GE&GORTEC北京维惨站殷国利先生给予技术上的探讨和大力协助. 参考文献 I复旦大学,清华大学,北京大学台编.原子核物理实验方法-上册-第二版.北京:原子能出版社.1985. 192,203. 2KranerHW.FastNeutronDamageinGernmniumDetectors.IEEETransNuclSci,1980.27(1)}218. 3EC~.GORTEC.Cuatommer-Neutron—DamageRepa~able.Gamma— XDat~~tOtSystemOperator3Manaua1. (1995年7月1日收到) SystemforRecoveringNeutronRadiationDamaged HPGeDetectors LeiXlangguoGuoYingxlang ZhouYdaohongChenXingIeng LiuZhongSunXiangfu JinHaniuanLuoYixiao (InstituteModemPhysics—AcademiaSinica,Lanzhou-730000) Abstraet Fastneutronprodueedinin-beam7rayexpedmentscanresultintheenergyresolution degradationofHPGedetectors.ThispaperintrOducesasystemsetupinourlaboratoryforr~:ov— eringneutrondamagedgermaniumdetectorsandillustratestherecoveringprocedure.Usingthis system,fourneutrondamagedn—typeHPGedetectorshavebeenrecoveredsuccessfully. (KeyWords:In—beamRadiationdamage) 184