高纯锗探测器伽马能谱仪HPGe GEM/GMX

实验室高纯锗（HPGe）伽马γ能谱仪

第一部分：高纯锗探测器

 高锗探测器由于其无与伦比的优异分辨率，是核测量最精密和最先进的工具，在核物理 研究与核测量中具有不可替代的地位。

  完整的高纯锗探测器的制造过程包括晶体制备、探测器结构设计、高性能低噪声前置放大 器设计、超高真空封装与生产成型、指标测试和稳定性考核等。经国家权威计量部门检定， 其关键 性能指标优异、稳定性良好。

  高纯锗探测器的工作机理：高纯锗晶体的杂质浓度低至 1010 原子/cm3 量级，是世界上最纯 净的物质。高纯锗探测器表面 分别有 N+、P+电极，在该两种电极上加反向偏压后，由于高 纯锗晶体极低的杂质浓度，其内部将工作在全耗尽状态，此时伽马射线在其内部沉积能量产生 的载流子在电场的作用下被收集，形成的电流信号通过前置放大器被转换为与沉积能量成正比 的电压信号。

 高纯锗探测器所采用的晶体外形为一圆柱体，在 其外表面为 N+电极，在其内部电极孔内部为 P+电极， 两种电极分别使用成熟的锂扩散、硼离子注入技术制 造。威视®系列高性能 P 型同轴高纯锗探测器的 N+电 极约为 0.5mm 厚，P+电极约为 0.5μm 厚。

 探测器的前置放大器可根据用户需求选用阻容反馈或脉冲反馈前放，性能优异，长期稳 定性好，除适配威视®系列数字谱仪外，还可兼容市场上主流的谱仪产品。 威视®系列高性能 P 型优化高纯锗探测器配置垂直冷指，并可根据用户需要配置“L 形”、 “U 形”、水平冷指等定制化设计，同时为用户在探测器封装与冷指材料上提供超低本底选项。为保证制冷效率，探测器舱室应保持严密的真空条件。

P 型探测器的总体特性：

能量响应范围：30keV 至 10MeV；相对探测效率 10% 至 80%；

     可满足绝大部分样品测量应用和大部分研究测量应用的要求；

全面保证相对效率、分辨率、峰康比和峰形指标；

可配置普通阻抗反馈前放或适于高计数率的脉冲光反馈前放。

TKGEP-S 系列探测器型号与性能指标：

第二部分：谱仪（多道分析仪）

  配套高纯锗探测器的一款新型数字化谱仪。其设计功能完善，其稳定性业已经实际使用验证。针对高效率探测器或高 计数率条件下对信号处理的要求，结合软件，谱仪在数字化极零调 节、死时间校正和弹道亏损校正方面做了具有相当先进性和独到 性的设计。

谱仪整体功能与特性：

全数字化控制，保证人机交互灵活

探测器回温情况下高压自动切断功能（shutdown）

多种滤波模式，可根据特定环境配置滤波参数，具备低频噪声抑制功能

具备门控数字化基线恢复，自动极零，零死时间校正，弹道亏损校正等完 整先进功能

最大数据通过率大于 100kcps，对高计数率样品能获得准确的测量结果

支持 USB3.0 接口

谱仪特征功能：

   基础参数显示：系统的电源开启状态，高压开启状态，高压目标值，高压升降过程 动态显示。

全数字化自动高压加载：用户根据探测器参数选定高压后，系统自动按指定的速率 和目标值进行高压加载，直到满足探测器要求。

异常处理功能：当系统意外掉电，设备自动启动 UPS 功能，并按异常处理逻辑，进 行高压缓降，以保护探测器安全。

抑制电荷收集时间效应功能：基于 FPGA 的硬件算法，利用快通道梯形脉宽来统计 电荷收集的方法简单实用高效。

     具体参数指标：

系统非线性：积分非线性：≤   0.01%；微分非线性：≤±0.28

最大通过率：成形时间设置为上升时间 500ns，平顶时间 500ns时，系统等效的死时间约为 2.79μs，此时，最大脉冲通过率将达到 130Kcps。

粗调增益：：由计算机选定为  1,2,4,8

细调增益：由计算机设定为 0.45 至 1.00

尺寸与重量：376D X 242W X 116 H mm, 2.2KG

工作条件：0C 到 50C（包括 LCD 显示）。操作系统：Windows 7/ Windows10。

显示/接口：320240 像素(pixel) 有机发光半导体(OLCD)系统状态信息。220V

市电接入端子，USB3.0接口。高压输出接口，探测器电源接口，探测器信号输入端子。

第三部分：液氮回凝制冷器

 采用低振动长寿命脉冲管制冷机，运行寿命长于 10 年；

    25L 液氮容器，不断电条件下可连续工作两年以上；

 对探测器分辨率无影响；

 可匹配垂直、水平与弯头型冷指；

 液晶显示屏实时显示液氮水平、制冷机运行状态等信息；

 可选购基于无线技术的遥控器，远程控制制冷系统或显示运行状态；

 配有自动式液氮填充接口，可自动加注液氮；

 在制冷维系时长为 48 小时前发出提示与报警；

 外形尺寸：64.5cm 高 x 45.6cm 直径（不含探测器）；

 功耗：运行时小于 150W，启动时最大 250W；

 工作环境：0 - 35℃，相对湿度 20%至 80%（无冷凝）；

 噪声：1m 处小于 60 分贝。

第四部分：伽马谱软件包

     研制开发一套完整的实验室高纯锗伽马谱仪，除了高纯锗探测器这一核心部件之外，还需要在与其配套的制冷器、谱仪和分析软件上下足十分的功夫。

  历经十年的反复磋磨与雕琢，目前这款即将商品化的TKGammaWiz软件包已具备完整而 强大的功能。

      它是一个完整的软件包，只需一次安装，用户即可实现如下功能：

     系统的参数设置与硬件控制，包括增益细调、启动数字化稳谱、调节高压、显示实 时间/活时间和脉冲宽度、

     系统的能量与效率刻度。初始化安装时，软件会提示用户进行参数设置与能量/效 率刻度。

     能谱获取与显示。具有多路谱图同步获取功能。

     谱分析与活度计算。多种寻峰方法与峰面积计算方法、多种本底算法、完善的各种校正功能，以期得到最小的不确定度。

       分析结果报告与质量保证。完整的数据报告会给出每一次测量的条件与结果，以保 证随时可以回溯。

它具有如下鲜明的个性化功用与特点：

       设计有可切换的操作员（operator）与专家（expert）两种使用权限，以保证系统 与数据安全可靠。

      独特的能谱采集回放功能。设计用于当数据超出设置的限值、或不确定度较高时， 从源头上予以确认或诊断。

      对具备”批处理”条件的样品，可定制流程化的“一键分析”。

 具体参数与特性：

       刻度：支持能量、峰形、效率刻度，可人工刻度，也可载入存储的数据文件。效率曲线可

    载入自主研发的无源效率刻度软件产生的效率刻度文件，并支持三种拟合方法：单一函数多 项式拟合、插值法、带“拐点”（Knee）的多项式拟合。

     寻峰：支持 Mariscotti 法寻峰，可自动或手动完成寻峰。

     本底确定方法：自动确定法、SNIP剥谱法、峰侵蚀法等。软件会自动选定最佳方法。

     分析用核素库： 软件包含默认的 2000 个核素的衰变纲图与相应的伽马射线能量数据, 用 户可在此基础上进一步编辑并生成自己的自定义子库。软件核素库支持对核素名称、质量、 能量的查询，和对母子核的编辑。

 核素识别的方法： 软件默认使用基于库寻峰的核素识别方法，具体执行程序如下： 使用广义二阶差分方法初步寻峰，根据寻峰结果对核素库进行筛选。用峰侵蚀方法分析全谱本底，扣除本底后，在库峰位所在能量点用最小二乘法进行峰拟合作为寻峰结果。

分析后的首选核素将会直接标注在谱上，方便查看。 谱分析中的校正：母子核衰变校正；样品集与谱获取期间的衰变校正。 MDA 计算：Currie 算法，后续可扩展 ORTEC MDA 等 18 种算法。

分析结果报告：报告主要包括能谱信息、刻度、分析设置、分析峰、分析核素几个部分内

容，支持 pdf、rpt、doc 三种格式。

界面：默认 office 风格，可自行切换。一图展示能谱、寻峰、核素识别结果等内容，并 可根据指定核素计算显示其余能量峰的高度。

适应的操作系统：Windows7/810 32/64 位操作系统。

第五部分：实验室无源效率刻度软件

蒙特卡罗程序包：基于 Geant4 软件程序包，能够准确模拟光子与物质相作用的整个过程。 探测器类型：支持同轴型、面型、井型三种类型探测器。

能量范围：10keV-7000keV；   刻度角度：支持任意角度刻度。

探测效率：支持真实物理级别的级联符合校正，通过自研能量沉积算法获取探测效率。 常见容器库：内置 9 种常见的容器库，支持圆柱、圆盘、烧杯、马林杯、U 型杯、盒子、球 型、点源、横向圆柱等对称型样品模型。

材料库工具：内置 40 余种常见材料，允许用户自定义材料。

3D 视觉及几何校验：提供快速 3D 视觉及更精细的几何模型定义，提供完整的几何模型校验。 输入参数敏感性分析：提供输入参数敏感性分析工具，方便用户定位影响效率刻度的参数项。

自表征校正工具：允许用户自主完成探测器表征，无需返厂，确保刻度的准确性。 效率刻度拟合公式：允许用户通过拟合公式计算不同能量对应的探测效率。

刻度结果报表:支持完整刻度结果数据的报表预览及打印。 适应的操作系统：Windows7/8/10 64 位操作系统。

第六部分：铅室

1.标准铅室

  TKLBS-G2 是一款顶开门压杆式低本底铅室，用于高纯锗γ能谱仪系统，屏蔽环 境本底对探测过程的干扰，提高测量的准确性。

具体参数：

外层材料：1cm    低碳钢；

中层材料：10cm  低本底铅 4π  方向屏蔽；

内层材料：3 mm  无氧铜；

结构：压杆式顶部平移开门设计；

承重桌材料：低碳钢；占地面积：65cm x 65cm；

内腔尺寸：Φ310mm x 409mm；

重量：大于 1.1  吨；

铅室说明：分三个型号，TKLBS-G1，TKLBS-G2，和TKLBS-U，TKLBS为low background shelid低本底屏蔽的缩写，G1代表Grad1等级1，使用铅材料厚度为10cm，本底保 证＜3.0cps，常规值＜2.8cps；G2代表Grad1等级2，使用铅材料厚度为15cm，本 底保证＜2.0cps，常规值＜1.6cps；U代表Ultra超级，使用铅材料厚度为15cm， 同时使用液氮挥发气体赶走铅室内腔空气，使之降低空气中氡的影响，本底保证＜1.0cps。按照约定俗称，以上本底均针对40%效率高纯锗探测器。

2.超低本底铅室 

TKULBS-G 是一款顶开门压杆式超低本底铅室，用于高纯锗γ能谱仪系统，屏蔽环境本底 对探测过程的干扰，提高测量的准确性。

本底指标：

本底指标：在正常放射性环境下 50keV 至 3MeV 范围内保证值小于 1.2cps（40%效率）， 典型值约 1cps 左右。

具体参数：

 高度 682.1 mm (26.9 in.)；

   直径 558.8 mm (22.0 in.)；

 内腔:  直径 228.6 mm (9 in.)；

   深度：355.6 mm (14 in.)；

最外层：9.5 mm (3/8 in.)  厚的低碳钢；

 屏蔽层: 152 mm (6 in.)厚的低本底铅；

 内衬：1 mm 厚的锡与 1.5mm 厚的无氧铜

 重量: 1625 Kg

 喷漆:  浅灰色环氧漆

 桌子高度：68.5-765 .5cm  高度可调

可选超低本底内衬：2.5cm 厚的 25Bq/kg 的超低本底铅。