Gamma能谱仪之Ortec HPGe谱仪翻修
justinpiggy 2020-1-20原创 核辐射探测器极客实验
关键词
能谱仪高纯锗伽马射线探测器高真空
HPGeGamma RayDetector

无论是真的科研实验室还是爱好者,Gamma能谱仪的分辨率巅峰就是高纯锗(HPGe)探测器。我在这里介绍一下我手上这台HPGe能谱仪的修理过程以及最终达到的性能。


这玩意儿长这个样子。。。左侧圆柱状为探测器晶体所在位置,右侧为Cold Finger,用处是塞进液氮杜瓦里,把晶体冷却到液氮温区。

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这台HPGe购自某二手仪器回收商,由Ortec生产,型号是GEM-40210,说明是1.33MeV时3inch直径3inch高NaI:Tl的40%的探测效率,分辨率应该是2.10keV@1.33MeV,到手价格大约在800美元左右(包含一个双颈的30L原装Ortec液氮杜瓦)。HPGe到手时发现Preamp损坏。原装Preamp为Ortec自产的厚膜集成电路,目测就是个运算放大器。我初步测试时用一片高速运算放大器在面包板上搭了一个山寨版Preamp,就可以正常出信号。


初步测试

损坏的原装Preamp,上面有个HPA0306的厚膜集成电路,估计是Ortec自己封装的,网上并查不到数据手册。

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DIY一个山寨Preamp先测试一下

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可以得到脉冲信号,说明至少晶体正常。

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这台HPGe的铭牌上要求高压为+3000V,在高压从0加到2000V的过程中,一切都正常,直到加到大约2500V的时候,信号突然消失。经过简单测量,发现内置冷冻JFET被击穿,估计是内部真空度下降,高压下打火,导致JFET被击穿。为了不让800刀就这样打水漂,接下来计划就是打开探测器外壳,更换JFET并重新抽真空。


如何打开阀门??

这里没有使用徐版主的暴力方法直接锯开杜瓦,因为我的目标是恢复原样。先取下Preamp板和高压RC滤波器。


仔细观察结构,发现这里有两个阀门,三个电Feed through。三个电Feed through里,一个是JFET的驱动和信号输出,另外一个是高压输入(覆盖有白色绝缘硅胶),最后还有一个连接了PT500温度传感器,温度传感器直接固定在晶体支架上,可以非常方便地监控晶体降温的过程,也可以用于液氮蒸发完时高压电源的interlock,防止打火。经我测试,用标准PT500的曲线,完全降温后晶体大概是80K的样子。

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其中第一张图中间的是泄压阀门。可能有人会感到困惑,明明内部是高真空,为什么需要泄压呢?其实这是一个低温杜瓦的标准设计。如果发生漏气(空气漏进杜瓦),降温以后,漏进去的空气会在内部液化,一旦升温,大量液化空气气化会造成气压陡升,可能发生爆炸,所以必须要这个泄压阀来保证安全。这里同时科普一下泄压阀的选择,使用弹簧的泄压阀有时候泄压了以后无法100%密封回去,如果要保证不漏气,必须检漏,或者一开始就用Burst Disk,一旦泄压直接膜片炸开,需要换新。

第二个图里稍小的就是我们这次主要使用的阀门了,打开它很简单,用一个4-40螺丝暴力拉出来就行了,如下图,拔出来以后当然真空就破坏了。

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拔出来容易,但是要用它抽真空并且放回去(这种阀门是靠内部真空吸住密封的),就没这么简单了,正常做法是需要一个valve operator。这个valve operator不像Canberra的HPGe是那种标准大小,它是Ortec自己的一种规格。我向Ortec询问了价格,需要一个operator外加一个转接器,一套的总价大约是3000美元。鉴于这台HPGe到手价格也就1000刀不到,这里自然不可能购买原厂的工具了。

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解决方案是。。。。


打开Solidworks一顿操作。使用O圈进行滑动密封,这也是很多商业的valve operator的设计。

外加Machine Shop一顿操作,成功获得道具。

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测试一下,没有clearance问题。

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正式打开外壳

先看到的是一块巨大的晶体(晶体在这个一个铝合金外壳内,就不拆开了)

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然后看到的是晶体外壳之下有一系列四氟绝缘柱,上面固定了JFET和RC复位电路。

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还可以看到内部有一张塑料薄膜在外壳和晶体外壳之间,塑料薄膜上有电弧灼烧痕迹。

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看到这里,问题已经很明确了,就是之前判断的晶体外壳和杜瓦外壳打火导致JFET击穿。接下来就是更换JFET。这里用一个同型号的2N4393 JFET替换。

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注意一点,由于锗的能隙很小,在室温下因为热激发的原因,漏电流巨大,如果用万用表直接测试HPGe晶体,万用表会显示晶体短路。当降温到液氮温度以后漏电流大大降低,万用表就显示开路了(当然这个时候你也无法直接测试晶体两端了,因为晶体一端直接内部连接JFET的门级,为了降低噪声,不连到feed through上)。不要因为晶体短路就判断HPGe晶体损坏, HPGe晶体除非碎了,或者吃了太多中子剂量,否则寿命基本是无限的,坏的都是电子元件和真空杜瓦。


恢复真空

分子泵组抽回去。。。由于杜瓦里有分子筛,暴露在大气里以后吸收水蒸气,所以抽的时候水蒸气出气厉害,稍微加热烘烤了一下,抽到1E-5torr完事,反正接下来降温的时候分子筛还能帮忙Cryopumping。

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降温。。。重新测试

这里还是使用Redpitaya 14bit 125Msps的ADC作为MCA,依然是那个垃圾山寨preamp,可以看到这个峰的宽度已经明显比NaI:Tl要窄得多了,但是离真实HPGe性能还差的老远,初步判断是Preamp问题。

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重制Preamp

打开Altium Designer一顿操作,新的Preamp基本设计好了。

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再测试一下

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这下看上去给力多了。这是Co-60的谱,1.332MeV的分辨率大概在10keV的样子,还是没有完全恢复到应有的性能(应该可以到2keV左右),但是日常使用绝对OK,并且分辨率秒杀所有现有的闪烁体探测器。


样品测试

一个据说含有铀的碟子。

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积分了很久,高能端的基本都是环境本底,本底的钍链可以看到很多峰,这是闪烁体探测器比较难做到的,低能端通过和本底相减可以看到几个200keV左右的铀的峰,这个图上不是很明显。


接下来是喜闻乐见的“浓缩香蕉”。。。一瓶KOH。。。

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这K-40的峰非常非常明显,远远高于本底,放在边上大约5秒钟积分时间就可以清楚地看到。所以如果有人想要在国内测试自己的Gamma能谱仪或者盖格计数器,请购买一大瓶钾盐,水表安全且效果拔群。


至此,这台Ortec的HPGe翻修基本完成,在Pulsar测试中发现,晶体不是分辨率进一步提升的限制。之后可能考虑进一步改进Preamp,换用其他的MCA,或者替换其他JFET看看能否继续逼近原厂分辨率。


来自:核与粒子束 / 极客实验项目专题 / 核辐射探测器
 
2020-1-20 6:45:45
1楼

下一步就是做起alpha和beta能谱仪啦。alpha好做可以忽略,beta占地略大,磁铁配emccd也检测不到uci的小源,暂时没什么好主意

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justinpiggy(作者)
2楼
引用 RodTech 发表于 1 楼的内容:
下一步就是做起alpha和beta能谱仪啦。alpha好做可以忽略,beta占地略大,磁铁配emcc.....

beta就算了,主要是平时能接触到的beta源也不多。alpha倒是可以考虑,搞过alpha荧光屏怼PMT做计数的,但是没试过硅探测器。

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2020-01-22 22:10:54
2020-1-22 22:10:54
3楼

还望解释一下为什么HPGe能谱仪比NaI:Tl闪烁体能谱仪分辨率高这么多的机理。

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2020-01-24 10:32:38
2020-1-24 10:32:38
justinpiggy(作者)
4楼
引用 脉冲宽度 发表于 3 楼的内容:
还望解释一下为什么HPGe能谱仪比NaI:Tl闪烁体能谱仪分辨率高这么多的机理。

这个和很多因素都有关系。闪烁体这里,gamma光子得先转化成光子,再通过光电倍增管转化为电子,再转化为电信号。这里每步的效率都不是很高,比如光电倍增管的光阴极的量子效率也就40%差不多了,这里会有散粒噪声的问题,之后的倍增过程本身也是一个随机过程,会增加噪声。然后闪烁体本身就有分辨率限制,特别是晶体体积大了以后还会受到光收集均匀性问题的影响(我的那个3inch的NaI就算偏大了,其实是不利于分辨率的)。半导体探测器中gamma光子直接转化为空穴电子对,在高压电场作用下,由于高纯锗里的缺陷极少,基本所有空穴电子对都能到达电极被收集,这些电子通过低温JFET(大大减少了放大器的热噪声)的前级进入电荷敏感放大器,整个过程中能贡献噪声的地方少很多。

[修改于 1 个月前 - 2020-01-24 10:34:36]

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5楼
引用 justinpiggy 发表于 4 楼的内容:
这个和很多因素都有关系。闪烁体这里,gamma光子得先转化成光子,再通过光电倍增管转化为电子,再转化.....

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