[发明专利]便携式低温半导体探测器装置

说明书

技术领域

本发明涉及便携式低温半导体探测器装置，尤其涉及一种高纯锗探测器装置。

背景技术

锗（Ge）半导体的禁带宽度很低，因此其电离能较低（0.09ev），所以，用Ge晶体做成的探测器具有两个独特的优势：（1）最好的能量分辨率；（2）极高的位置分辨能力。因此，这类探测器被广泛用于高能物理与核物理领域中能谱及位置信息的测量。然而，由于半导体禁带宽度低，在常温下Ge晶体及其电子学系统中的结型场效应管（JFET）的反向泄漏电流都很大，这会直接影响Ge探测器的能量分辨率和灵敏度。

反向泄漏电流的来源主要有表面漏电流、体漏电流以及扩散漏电流。

对于表面漏电流，是与探测器晶体的晶体封装处理的表面状态有关的电流，是在表面层产生的，即使在低温条件下也会随反向电压增加而增大，因此不能忽略，在现有技术中通过保护环技术解决了表面漏电流问题。

对于体漏电流和扩散漏电流，是探测器晶体和JFET两者本身都存在的噪声，可以通过低温解决。如Ge探测器的正常工作温度在85-100K，JFET的最佳工作温度在115K。因此，为了降低探测器晶体及JFET本身的体电流和扩散电流，通常将两者都冷却到液氮温区。另外，Ge的表面态容易受到周围气体的影响，导致表面漏电流和噪声增大，所以，传统的设计是将HPGe探测器保持在低于1.50×10^-4Pa的真空条件下使其表面态不受破坏，同时，真空也利于低温条件的保持，因此传统的Ge探测器是将其晶体和JFET一同置于一个真空低温的容器内。然而，这种设计存在如下几个缺陷：（1）容器的真空状态会随着时间的推移变差，甚至破坏，这将会导致两个结果，即，（a）容器内的杂质分子或离子会吸附在晶体表面，破坏晶体的表面态，从而增大表面漏电流，降低探测器的能谱分辨，表面态的恢复维修工艺复杂，目前进口的探测器在中国仅能做简单的真空烘烤恢复维修，而且收费高昂，如ORTEC的装置一次真空加热处理维修费高达1万元；（b）真空破坏气压增大，引起探测器晶体与容器外壁的对流热传导增大，晶体上的冷量将被迅速地传到容器外壳，从而引起装置外壳发汗甚至结霜，影响甚至会腐蚀晶体腔室附近的电路模块；（2）晶体直接暴露于真空室中，真空系统挥发的油蒸汽有可能对晶体造成污染，后果如前述的（a）所述那样；（3）晶体和JFET电路同处一个腔室，一旦真空破坏或者更换电子配件就会使晶体暴露大气，后果如前述的（a）所述那样。此外，虽然传统用液氮制冷方式具有噪声小、功耗低的优势，然而这种方式一方面需要定期补充液氮，给用户造成很大麻烦，另一方面还受到杜瓦的限制不能将探测器的体积做的方便携带。采用机械制冷方式可以有效地减小探测器的体积，在采用机械制冷方式对探测器制冷的研究历程中，为了寻找低噪声的制冷机，人们曾尝试过各种形式的压缩机，例如，美国专利（专利号：6396061B）采用帕尔贴半导体制冷片，例如，奥泰克的XCooler®采用Joule-Thompson制冷机。相对而言，脉管式斯特林制冷机对探测器的干扰最小，然而对弱信号测量的Ge探测器测量其振动噪声水平也不可忽视，历史上人们尝试过各种努力以降低斯特林制冷机振动对信号的干扰，如美国专利（专利号：6131394）采用一个算法嵌入到DSP装置来控制力学平衡以降低活塞运动的微小弱振动干扰。目前，现有主流产品的设计是将制冷机的冷指和晶体之间通过硬连接耦合实现导热，制冷机的机械振动将直接传给晶体，晶体再将振动传递给接触电极，一方面对于采用交流耦合电路的电荷灵敏前置放大器来说无疑将会产生严重的振动噪声，导致能量分辨率变差，甚至完全淹没能谱信号，即使对于直流耦合电路的放大器也会影响能谱分辨，另一方面振动将会在晶体和接触电极之间形成摩擦从而产生静电，静电也会来带干扰噪声。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种低噪声、低能耗的机械制冷半导体探测器装置。

本发明是从以下几个方面考虑进行设计的：（1）防止晶体暴露的保护措施；（2）提升真空维持时间；（3）降低制冷机活塞振动带来的噪声干扰；（4）减少晶体和JFET直接的导线距离，降低JFET工作温度，降低电子学噪声；（5）紧凑的前端、高压电子学封装室。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，具备：

探测器晶体，具有晶体内表面接触极和晶体外表面接触极；

高气压晶体保护室，由下端面开放的高气压晶体保护室外壳和将所述高气压晶体保护室外壳的下端面密封的高气压晶体保护室盖帽构成，在内部充满高压超纯惰性气体并且容纳有所述探测器晶体，设置于所述高气压晶体保护室盖帽的接触电极与所述晶体内表面接触极相接触；以及