本实用新型涉及核探测技术领域，特别涉及高纯锗探测器。
背景技术：
高纯锗探测器是一种利用杂质浓度在109cm-3至1010cm-3范围内的锗单晶制成的半导体探测器，主要用于γ射线和X射线测量。这一类型的探测器具有极高的能量分辨率和相对较高的探测效率，被广泛地应用于环保、核电、生物医学、卫生疾控、军队防化以及科研等多个领域。
高纯锗探测器的探测效率一般用相对探测器效率来表示，其定义为：60Co点源放置在探测器端面正上方25cm处，对1.33MeV能量峰，高纯锗探测器计数率与3″×3″NaI(T1)探测器计数率的比值。相对探测器效率的大小主要决定于高纯锗晶体的体积，并且因晶体形状(主要是直径-高度比)的不同而略有差别，在忽略后者的情况下，相对探测效率与高纯锗晶体体积具有如下经验关系：相对探测效率(％)＝体积(cm3)/K，其中K≈4.3。
大体积高纯锗晶体单元的生长难度极大，目前国内尚未实现此技术，国际上也仅有少数公司能够提供产品，且价格十分昂贵。在现阶段，高纯锗探测器探测效率的提升，在很大程度上受到了高纯锗晶体制备技术的限制。
技术实现要素：
根据本实用新型的一方面，本实用新型的实施例提供一种高纯锗探测器，包括高纯锗晶体单元阵列，所述高纯锗晶体单元阵列包括两个或更多个高纯锗晶体单元，其中，所述两个或更多个高纯锗晶体单元每一个包括位于侧面和/或第一顶表面的部分电极，并且所述两个或更多个高纯锗晶体单元的侧面和/或第一顶表面的电极电连接共同作为高纯锗探测器的第一接触电极；每个高纯锗晶体单元包括位于其内的各自的第二接触电极使得所述高纯锗探测器包括两个或更多个第二接触电极，
在一个实施例中，高纯锗探测器还包括第一电极和第二电极，第一电极连接第一接触电极，第二电极分别在每个高纯锗晶体单元的第二顶表面处连接所述两个或更多个第二接触电极，每个高纯锗晶体单元的第二顶表面与第一顶表面相对。
在一个实施例中，所述两个或更多个高纯锗晶体单元配置成能够在相同偏压下工作。
在一个实施例中，高纯锗探测器还包括：
两个或更多个电荷灵敏前置放大器，每一个电荷灵敏前置放大器配置成读取和转换一个相应的高纯锗晶体单元产生的电荷信号；以及
多通道数字多道谱仪，配置成对从每个电荷灵敏前置放大器输入的电压信号滤波成型，提取幅度信息并获取所述输入的电压信号的道址h同时记录其输入的通道的编号i，以便得出所述两个或更多个高纯锗晶体单元的信号的合成谱。
在一个实施例中，多通道数字多道谱仪包括修正系数标定模块，所述修正系数标定模块针对与每个高纯锗晶体单元对应的每个输入通道i分别成谱，并自动寻峰获得峰位道址Pij，然后以第一通道为基准，分别针对每个通道i，用公式P1＝ai*Pi+bi拟合数据点(Pij，P1j)(j＝1，2，...，k)，获得拟合参数[ai，bi]作为通道i的道址修正系数，其中i是正整数，第一通道为任一通道，j＝1，2，...，k，k为峰数目，且k≥2。
在一个实施例中，多通道数字多道谱仪包括整体谱生成模块，所述整体谱生成模块根据每个信号的输入通道编号i调取与之对应的道址修正参数[ai，bi]，将道址h修正为h’＝ai*h+bi，按h’累加计数，实时显示所述两个或更多个高纯锗晶体单元的合成谱。
在一个实施例中，在每次测量之初，选择至少两条单能射线作为入射源。
在一个实施例中，每一个电荷灵敏前置放大器的反馈方式采用电阻反馈、晶体管反馈或光脉冲反馈。
在一个实施例中，在第一电极施加第一电压，对于P型高纯锗晶体阵列第一电压配置成正高压，对于N型高纯锗晶体阵列第一电压配置成负高压；第二电极连接电荷灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放大器的输入电平即作为第二电压施加到第二电极上。
在一个实施例中，所述两个或更多个高纯锗晶体单元通过盒固定在一起。
在一个实施例中，所述盒由导电材料构成。
在一个实施例中，由所述两个或更多个高纯锗晶体单元构成的高纯锗探测器具有对称的或规则的形状。
在一个实施例中，所述高纯锗晶体单元阵列包括三个高纯锗晶体单元，每个高纯锗晶体单元包括120度角部，每个高纯锗晶体单元的120度角部具有两个角部侧面；
其中，三个高纯锗晶体单元的三个120度角部的顶点接触，三个高纯锗晶体单元的120度角部的角部侧面与相邻的高纯锗晶体单元的120度角部的角部侧面相互抵靠。
在一个实施例中，所述高纯锗晶体单元阵列包括4个高纯锗晶体单元，其中两个高纯锗晶体包括120度角的角部，另外两个高纯锗晶体包括两个120度角的角部，从而使得四个高纯锗晶体的角部的侧面相互抵接。
在一个实施例中，所述高纯锗晶体单元阵列包括7个高纯锗晶体单元，中心位置的高纯锗晶体单元具有正六边形形状，其他六个高纯锗晶体包括两个120度的角度，对称分布在中心高纯锗晶体单元周围。
附图说明
图1示出本实用新型的一个实施例的高纯锗探测器的高纯锗晶体单元阵列的结构示意图；
图2示出本实用新型实施例的高纯锗探测器的一个高纯锗晶体单元的结构及尺寸示意图；
图3示出本实用新型实施例的高纯锗探测器的系统框图；
图4示出本实用新型一个实施例的高纯锗探测器的高纯锗晶体单元阵列的结构示意图；
图5示出本实用新型一个实施例的高纯锗探测器的高纯锗晶体单元阵列的结构示意图。
具体实施方式
尽管本实用新型容许各种修改和可替换的形式，但是它的具体的实施例通过例子的方式在附图中示出，并且将详细地在本文中描述。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本实用新型限制到公开的具体形式，而是相反，是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本实用新型的精神和范围中的所有的修改、等同形式和替换形式。附图是为了示意，因而不是按比例地绘制的。
在本说明书中使用了“第一”、“第二”等术语，并不是为了排序或者表示重要性或主次关系，而是用于区分不同的部件。本说明书中“顶侧”和“底侧”是相对于一般情况下，物体正立的上侧和下侧的方位。
下面根据附图说明根据本实用新型的多个实施例。
本实用新型的实施例提供一种高纯锗探测器100，包括高纯锗晶体单元阵列，所述高纯锗晶体单元阵列包括两个或更多个高纯锗晶体单元101，其中，所述两个或更多个高纯锗晶体单元101每一个包括位于侧面101c和/或第一顶表面101a的电极材料，并且所述两个或更多个高纯锗晶体单元101的侧面101c和/或第一顶表面101a的电极材料电连接而共同作为高纯锗探测器的第一接触电极；每个高纯锗晶体单元101包括位于其内的各自的第二接触电极使得所述高纯锗探测器包括两个或更多个第二接触电极。此处，电极材料可以是多种材料，该材料能够与高纯锗晶体形成PN结，或者能够阻止高纯锗晶体形成阻塞接触(blocking contact)。使用材料形成接触电极一般是在高纯锗晶体上蒸镀锂或溅射磷离子而形成，也可以是其他沉积工艺。本领域技术人员可以使用高纯锗探测器已有的工艺制作。
所述高纯锗探测器还包括第一电极和第二电极，第一电极连接第一接触电极，第二电极分别在每个高纯锗晶体单元101的第二顶表面101b处连接所述两个或更多个第二接触电极，每个高纯锗晶体单元101的第二顶表面101b与第一顶表面101a相对。在测量射线的时候，在第一电极施加第一电压，第一电压根据高纯锗晶体阵列是P型或N型，相应地配置成正高压或负高压。第二电极连接电荷灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放大器的输入电平作为第二电压施加到第二电极上。第二接触电极可以位于每个高纯锗晶体单元101的中心，有利于收集高纯锗晶体单元101中激发产生的电子空穴对，然而，这并不是必须的。
利用多个高纯锗晶体单元101拼接形成阵列，克服了单个晶体体积小因而探测效率低的限制，同时，实现避免使用大的高纯锗晶体而使用价格便宜的小的高纯锗晶体共同工作获得大的高纯锗晶体类似的探测效果，因而在相近的探测效率的情况下，在一定程度上降低了产品成本。
在如图1所示的实施例中，第一顶表面101a被用作射线接收面，射线照射第一顶表面101a并进入到高纯锗晶体单元101，从而在高纯锗晶体单元101中激发电子-空穴对。电子和空穴在第一电压和第二电压形成的电场力作用下，向着第一电极和第二电极漂移，从而向与第二电极相连的电荷灵敏前置放大器中输入感应电荷信号。
在一个实施例中，高纯锗探测器中的所述两个或更多个高纯锗晶体单元101，配置成能够在相同偏压下工作。
在另一优选的实施例中，高纯锗探测器100中的所述两个或更多个高纯锗晶体单元101具有完全相同的形状结构，使得各个晶体单元能够在相同偏压下工作。在一个实施例中，高纯锗探测器100中的所述两个或更多个高纯锗晶体单元101具有相互配合的形状，使得所述两个或更多个高纯锗晶体单元101能够相互通过接触面抵接而排布成规则的形状，或者中心对称的形状。多个高纯锗晶体组合在一起，构成的锗探测器具有规则的形状是有利的，例如具有中心对称的形状。在测量时，一般将辐射源靠近探测器，形状规则对称的锗探测器接收辐射源的辐射，辐射源的辐射随传播距离增大而减小，因而高纯锗晶体探测器的中心处探测到较多的辐射，探测器的边缘接收到较少的辐射，形状对称的高纯锗晶体探测器探测效率更高。
在一个实施例中，如图1所示，所述高纯锗晶体单元阵列包括3个高纯锗晶体单元101，每个高纯锗晶体单元101包括120度角部，所述120度角部有两个侧面101s，并且所述两个侧面101s之间的夹角为120度；其中，3个高纯锗晶体单元101的3个120度角部的顶点接触，每个高纯锗晶体单元101的120度角部的侧面101s与相邻的高纯锗晶体单元101的120度角部的侧面101s相互抵靠。如图1所示，高纯锗晶体单元阵列包含3个高纯锗晶体单元101，按高纯锗晶体单元101的中心连线呈等边三角形布置。每个高纯锗晶体单元101的中心制作第二接触电极，分别与第二电极(读出电极)相联通。每个高纯锗晶体单元101的侧面101c以及第一顶表面101a制作电极，并相互保持电连接，共同作为探测器的第一接触电极。采用3个高纯锗晶体单元101，每个高纯锗晶体单元101包括120度角部构成高纯锗晶体单元阵列是有利的，这样减少高纯锗晶体基材的损耗。在本实施例中，每个高纯锗晶体单元101采用单开端同轴型结构，晶体高度为40mm，直径为66mm，晶体的侧面经机械加工形成两个互成120°夹角的平的侧面，即角部的侧面101s作为拼接面。
在本实用新型的另一实施例中，高纯锗探测器100的高纯锗晶体单元阵列包括2个高纯锗晶体单元101。
在本实用新型的另一实施例中，高纯锗探测器100的高纯锗晶体单元阵列包括4个高纯锗晶体单元101。图4示出4个高纯锗晶体的横截面示意图。如图4所示，4个高纯锗晶体单元101拼接为高纯锗晶体单元阵列，其中两个高纯锗晶体包括120度角的角部，另外两个高纯锗晶体包括两个120度角的角部，从而使得四个高纯锗晶体的角部的侧面101s相互抵接。
在本实用新型的另一实施例中，高纯锗探测器100的高纯锗晶体单元阵列包括七个高纯锗晶体单元101。图5示出七个高纯锗晶体的横截面示意图。如图5所示，七个高纯锗晶体单元101拼接为高纯锗晶体单元阵列，其中位于中心位置的高纯锗晶体单元101具有正六边形的形状，其他六个高纯锗晶体包括两个120度的角度，对称分布在中心高纯锗晶体单元101周围。
图4和图5中的剖面线不表示任何有关方向等意义，仅为了示意图4和5是横截面图。
进一步，多个高纯锗晶体单元101具有类似的杂质浓度，有利地，可以保证各个高纯锗晶体单元101具有接近的耗尽电压值，进而可以降低为高纯锗探测器100配置工作偏压的难度。因而，可以提高多个高纯锗晶体单元101构成的探测器的探测准确度和探测效率。
在本实用新型的其他实施例中，高纯锗探测器100中的多个高纯锗晶体单元101的形状不相同或相近，各个高纯锗晶体单元101的部分表面上包括通过蒸镀或溅射形成的电极材料，这些表面部分通过电极材料实现电连接，从而形成高纯锗探测器100的第一接触电极。此外，高纯锗探测器100中的所述两个或更多个高纯锗晶体单元101的杂质浓度也可以不相同，换句话说，只要满足高纯锗晶体的要求即可，或者，进一步，只要使得两个或多个高纯锗晶体单元101能够在相同偏压下工作即可。这些高纯锗晶体单元101被电连接构成高纯锗探测器100，各个晶体单元能够在相同偏压下工作。
根据本实用新型的实施例，电极材料可以布置在高纯锗晶体单元101的侧表面上，而高纯锗晶体单元101的第一顶表面101a可以是裸露的表面，通过侧表面的接触，多个高纯锗晶体单元101实现电连接。然而，在另一实施例在，电极材料可以覆盖高纯锗晶体单元101的侧面101c和第一顶表面101a，射线可以透过电极材料进入高纯锗晶体。
在本实用新型的实施例中，电极材料可以不用覆盖高纯锗晶体单元101的顶表面101a。没有覆盖电极材料的区域称为晶体本征区，本征区不接触第一电极的(也就是高压)。可以通过其他部件实现多个高纯锗晶体单元101的电连接。被电连接的多个高纯锗晶体单元101因而具有电连接在一起的第一接触电极。例如，在本实用新型的一个实施例中，多个高纯锗晶体单元101可以通过盒104固定在一起，盒104是导电材料形成，此时盒104在将多个高纯锗晶体单元101固定在一起的同时可以作为电极使用。
例如如图1所示的盒，盒与多个高纯锗晶体单元101的侧面101c接触，而高纯锗晶体单元101的侧面101c或侧面101c的部分蒸镀或溅射有电极材料。在图1的实施例中，多个高纯锗晶体单元101的圆形外侧面101c和角部侧面101s均蒸镀或溅射有电极材料，或者，圆形外侧面101c的部分和角部侧面101s的部分蒸镀或溅射有电极材料。导电材料形成的盒是有利的，可以导电的盒不但能够将多个高纯锗晶体单元101固定在一起，而且可以实现多个高纯锗晶体单元101的电连接。
通过合理选择高纯锗晶体单元101的杂质浓度参数，使得各个晶体单元能够在相同偏压下工作，即整个探测器仍然可以采用单一高压电源供电，结构简单，操作方便安全。此处要说明的是，多个高纯锗晶体单元101的杂质浓度可以不相同，而是处于一定范围内。本领域技术人员了解一般意义的高纯锗晶体的杂质浓度的范围，例如，杂质浓度达到1010cm-3量级，或者优选达到109cm-3量级。在本实用新型的实施例中，多个高纯锗晶体单元101的浓度可以不相同，只要它们的浓度能够配置成所述多个高纯锗晶体单元101能够在相同偏压下工作即可。
图3示出本实用新型实施例的高纯锗探测器100的框图。高纯锗探测器100可以包括高纯锗晶体单元阵列、电荷灵敏前置放大器以及多通道数字多道谱仪。
在一个实施例中，高纯锗探测器100可以包括两个或更多个电荷灵敏前置放大器，每一个电荷灵敏前置放大器配置成读取和转换一个相应的高纯锗晶体单元101产生的电压信号。图3示出的实施例中，高纯锗探测器100包括3个高纯锗晶体单元101，对应设置3个电荷灵敏前置放大器PreAmp1，PreAmp2，PreAmp3。每一个电荷灵敏前置放大器的反馈方式采用电阻反馈、晶体管反馈或光脉冲反馈。
高纯锗探测器100还可以包括多通道数字多道谱仪，配置成对从每个电荷灵敏前置放大器输入的电压信号滤波成型，提取幅度信息并获取所述输入的电压信号的道址h同时记录其输入的通道的编号i，以便得出所述两个或更多个高纯锗晶体单元101的信号的合成谱。
在本实用新型的实施例中，多通道数字多道谱仪包括修正系数标定模块，所述修正系数标定模块针对与每个高纯锗晶体单元101对应的每个输入通道i分别成谱，并自动寻峰获得峰位道址Pij，然后以第一通道为基准，分别针对每个通道i，用公式P1＝ai*Pi+bi拟合数据点(Pij，P1j)(j＝1，2，...，k)，获得拟合参数[ai，bi]作为通道i的道址修正系数，其中i是正整数，第一通道为任一通道，j＝1，2，...，k，k为峰数目，且k≥2。
在本实用新型的实施例中，多通道数字多道谱仪包括整体谱生成模块，所述整体谱生成模块根据每个信号的输入通道编号i调取与之对应的道址修正参数[ai，bi]，将道址h修正为h’＝ai*h+bi，按h’累加计数，实时显示所述两个或更多个高纯锗晶体单元101的合成谱。
在本实用新型的实施例中，在每次测量之初，选择至少两条单能射线作为入射源，所述修正系数标定模块针对与每个高纯锗晶体单元101对应的每个输入通道i分别成谱，并自动寻峰获得峰位道址Pij，然后以第一通道为基准，分别针对每个通道i，用公式P1＝ai*Pi+bi拟合数据点(Pij，P1j)(j＝1，2，...，k)，获得拟合参数[ai，bi]作为通道i的道址修正系数，其中i是正整数，第一通道为任一通道，j＝1，2，...，k，k为峰数目，且k≥2。要说明的是，第一通道没有排序的意义。
通过预标定获得各个晶体单元对应的修正系数，能够在能谱测量过程中对产生自不同晶体的信号道址进行在线修正，实时获得探测器阵列的整体能谱。
依照本实用新型实施例的高纯锗探测器100的结构，通过GEANT4对探测器的辐射响应进行模拟计算，结果显示，其相对探测器效率可达到102％。对比地，单个圆柱形晶体基材的相对探测器效率约为37％。因而，本实用新型的实施例可以使用较小的高纯锗晶体单元101实现大的高纯锗晶体单元101的探测效率，使得高纯锗探测器100的成本大大降低。
虽然本总体专利构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体专利构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本实用新型的范围以权利要求和它们的等同物限定。