آشکار ساز ژرمانیوم با خلوص بالا

آشکارسازهای ژرمانیوم با خلوص زیاد (HPGe) در صنایع هسته‌ای، حفاظت در برابر پرتو و تحقیق و توسعه بسیار کاربردی هستند. این آشکارسازها به عنوان یکی از کارآمدترین و بهترین آشکارسازها به صورت تجاری در دسترس هستند. پنج شرکت معروف سازنده این آشکارسازها شامل ORTEC، CANBERRA، PGT، Oxford-Tennelec، Selenia هستند.  در شکل زیر نمونه‌هایی از آشکارسازهای ژرمانیوم با خلوص زیاد ساخت شرکت ORTEC مشاهده می‌شود.

آشکارساز ژرمانیوم با خلوص زیاد (HPGe) (دتکتورهای پیور ژرمانیوم) برای طیف‌سنجی پرتو ایکس سخت و گاما  و دریافت اطلاعات زیادی در مورد منبع تابش، شناسایی و تعیین کمی ایزوتوپهای چندگانه در یک منبع تابش منفرد مورد استفاده قرار می‌گیرد. این آشکارساز با استفاده از خاصیت ذاتی ماده نیمه رسانای ژرمانیوم (۴ الکترون در تراز ظرفیت) کار می‌کند. افزودن ناخالصی به ژرمانیوم باعث افزایش بسیار زیاد رسانایی آن می‌شود (با افزودن ۰٫۰۰۱٪ آرسنیک به ژرمانیوم رسانش آن ۱۰ هزار برابر افزایش پیدا می‌کند). برای ساخت آشکارساز ژرمانیوم، کریستال ژرمانیوم با خلوص فوق‌العاده زیاد (۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹۹/۹۹ درصد) ( میزان ناخالصی باید از مرتبه‌ای کمتر از ۱ در ۱۰^۱۲ باشد که یکی از چالش‌های ساخت این آشکارساز به حساب می‌آید) رشد داده می‌شود. با تابش پرتو گاما به نیمه رسانا ژرمانیوم، انرژی از فوتون به برخی الکترون‌های پیوندی منتقل شده و الکترون را به تراز بالاتر می‌برد. اعمال ولتاژ زیاد (high voltage) در سراسر بلور ژرمانیوم باعث جاری شدن جریان الکتریکی و جمع‌آوری الکترون‌های آزاد می‌شود. این الکترون‌ها در پیش‌تقویت‌کننده به عنوان بارهای الکتریکی بسیار کوچک شمارش شده و پالس ولتاژ در سیستم ایجاد می‌کند. پالس‌های کوچک ایجاد شده، متناسب با انرژی وارد شده توسط پرتوی گاما است. برد تقویت‌کننده و مبدل دیجیتالی آشکارساز، این پالس‌های کوچک را تقویت و دیجیتالی می‌کند و سپس سطح انرژی احتمالی پرتو گاما یا فوتون حادث را محاسبه می‌نماید و در نهایت یک هیستوگرام طیف انرژی بر حسب تعداد برای مواد مورد آزمایش رسم می‌شود. بعد از کالیبره کردن هیستوگرام می‌توان به شناسایی مواد هسته‌ای با استفاده از طیف سنجی اشعه گاما پرداخت. در شکل زیر یک نمونه از هیستوگرام طیف انرژی قابل مشاهده است.

آشکارسازهای ژرمانیوم با توجه به شکل به دو نوع مسطح (planar) و کوآکسیال (coaxial) تقسیم می‌شوند. نوع دیگری از تقسیم‌بندی بر اساس نوع ناخالصی کریستال ژرمانیوم است که آشکارساز را به دو گروه p-type و n-type دسته بندی می‌کند.

در شکل زیر شماتیک یک آشکارساز مسطح آورده شده است که ولتاژ اعمالی به دو سطح کریستال ژرمانیوم اعمال می‌شود.

از جمله نکاتی که نیاز است برای طیف‌سنجی با آشکارساز ژرمانیوم با خلوص زیاد، مد نظر قرار داد شامل موارد زیر است:

• برخلاف مواد رسانا، مقاومت الکتریکی مواد نیمه رسانا با افزایش دما کاهش می‌یابد. با قرار دادن ژرمانیوم در دمای نیتروژن مایع (۷۷ کلوین) علاوه بر افزایش مقاومت الکتریکی، ارتعاشات اتمی ناشی از انرژی حرارتی که عامل جریان نشتی و از بین رفتن وضوح هیستوگرام است، نیز از بین می‌رود. در ضمن شرایط کرایوژنیک باعث می‌شود خلاء بیشتر کاهش یابد و در نهایت وضوح طیف نهایی بیشتر شود.

• حجم فعال (اکتیو) این آشکارساز باید برای طیف‌سنجی گاما به اندازه کافی بزرگ باشد.

• با افزایش عمر آشکارسازها پارامترهای عملیاتی بدتر می‌شوند و نیاز است که آشکارساز تعمیر شود.

عیب‌یابی و تعمیر آشکارسازهای ژرمانیوم

با توجه به کاربرد گسترده و هزینه قابل توجه آشکارساز ژرمانیوم با خلوص زیاد (HPGe)، نیاز است که تعمیرات آن در داخل کشور میسر شود تا در صورت بروز مشکل برای این آشکارساز، متخصصین مجرب در این زمینه، با تشخیص، تعمیر و راه‌اندازی، آشکارساز ژرمانیوم را در اسرع وقت به شرایط عملیاتی بازگردانند. شرکت مهندسی سازان فیدارآزما مفتخر است که با کسب تجربه لازم در این زمینه به آزمایشگاه‌های هسته‌ای و سازمان انرژی اتمی کشور خدمت نماید. هنگام مراجعه مشکل آشکارساز توسط کارشناسان شرکت مهندسی‌سازان فیدارازما بررسی شده و با تشخیص کارشناس دو گزینه تعمیر در محل یا انتقال به کارگاه انتخاب می‌گردد. با تجربه‌ چندین ساله متخصیص این شرکت دلایل مختلفی برای تخریب وضوح طیف گاما وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به آسیب به بلور ژرمانیوم بر اثر تابش نوترون، تخریب خلا و یا درست کار نکردن پیش‌تقویت‌کننده اشاره کرد.

در شکل زیر اجزای داخلی یک آشکارساز ژرمانیوم نشان‌داده شده است.

1. اجزای خنک‌کننده

2. مکان قرار دادن کریستال آشکارساز

3. پیش تقوت کننده

4. دو عدد کریستال ژرمانیوم

سامانه خنک‌کننده مناسب باعث بهبود مقاومت آشکارساز در مقابل آسیب‌های نوترونی می‌شود.

 آسیب دیدن بلور ژرمانیوم و فرآیند آنیلینگ (annealing)

برهم‌کنش بین نوترون‌های سریع و اتم‌های کریستال باعث جابه‌جایی‌هایی در کریستال ژرمانیوم می‌شود که این جابه‌جایی‌ها عامل به دام افتادن بار (charge trapping)، کاهش دامنه پالس‌های پر انرژی و تولید دم‌های کم انرژی (low-energy tails) می‌شود.  فرآیند آنیلینگ یا سخت کردن به گرما و خلا فشار پایین نیاز دارد. دمای زیاد باعث جدا شدن ذرات می‌شود و خلا زیاد این ذرات را از محیط محفظه آشکارساز خارج می‌سازد. سخت‌کردن آشکارساز باعث بازیابی کیفیت آشکارساز خواهد شد. لازم به ذکر است که این فرآنید با توجه به تمیزی سطح آشکارساز باید در فشار، دما و مدت زمان معینی برای گرم و سرد کردن، انجام گردد تا نتیجه مطلوب حاصل شود.

تخریب خلا و فرآیند بازیابی خلا

در آشکارسازهای ژرمانیوم خلاء زیاد از مرتبه ^۵-۱۰ تا ^۶-۱۰ Torr مورد نیاز است. برای دستیابی به این خلا تجهیزات مختلفی از جمله پمپ‌های خلا، اتصالات خاص، شیرآلات و فشارسنج‌های مناسب مورد نیاز است. سیستم پمپاژ مورد استفاده شامل دو پمپ روتاری و توربو مولکولار است. با استفاده از پمپ روتاری خلا تا حدود فشار ^۲-۱۰ Torr می‌رسد سپس با رسیدن به کمترین فشار ممکن پمپ مولکولی به طور خودکار فعال می‌شود و فشار را تا ^۶-۱۰ Torr کاهش می‌دهد. از دو فشار سنج پیرانی و پنینگ برای خواندن خلا در فشارهای مختلف استفاده می‌شود. در شکل زیر اجزای خلا آشکارساز ژرمانیوم مشاهده می‌شود. مونتاژ و راه اندازی این سیستم خلاء  برای دستیابی به خلا زیاد نیازمند تجربه کافی در این زمینه است.

1. ورودی پمپ خلا

2. شیر و شلنگ نیتروژن

3. سه عدد شیر مختلف ساخت Ortec

4. اتصالات گیج خلا

 تعمیرات بخش‌های الکترونیکی

تعمیرات الکترونیکی شامل تعویض و تعمیر قطعات از جمله پیش تقویت‌کننده، فیلتر ولتاژ زیاد (HV)، FET، مقاومت داخل محفظه خلاء را شامل می شود. همچنین در صورت نیاز تعویض و نصب مناسب سنسورهای دمای داخلی (PT100 برای اندازه گیری دمای کریستال یا PT500 برای کنترل آنیلینگ) بخشی از فرآیند تعمیر است.