高纯锗探测器的制作方法

1.本技术涉及探测器技术领域，尤其涉及一种高纯锗探测器。


背景技术：

2.由于高纯锗晶体本身的特性，高纯锗探测器往往需要在一个低温(低于100k)以及高静态真空的装置中工作，现有液氮制冷技术中使用的杜瓦包括普通实验室中的中型杜瓦和可移动地小型杜瓦两种，可与高纯锗探测器搭配使用，但高纯锗探测器与杜瓦集成度低，不便于户外使用。


技术实现要素：

3.本技术的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.为此，本技术提供了一种高纯锗探测器，包括：探测器本体；探测器壳体，所述探测器壳体设置在所述探测器本体的外侧，且与所述探测器本体间隔开，以形成第一真空腔；制冷组件，所述制冷组件包括内壳和设置在所述内壳外侧的外壳，所述内壳和外壳间隔开以形成第二真空腔，所述内壳限定出容纳液氮的容纳腔，所述外壳与所述探测器壳体固定连接，其中所述第一真空腔与所述第二真空腔通过封堵组件间隔。
5.根据本技术的高纯锗探测器，将制冷组件与高纯锗探测器集成于一体，便于使用者携带使用，通过封堵组件将探测器本体的第一真空腔和制冷组件的第二真空腔分隔开，形成两个独立的真空腔室，既可以避免制冷组件内部材料释放的物质污染探测器本体内的核心部件，以维持高纯锗探测器的性能指标，又可以对两个独立的真空腔室进行单独维护，提升了高纯锗探测器的可维护性。
6.进一步地，还包括冷指，所述冷指的一端伸入到所述第一真空腔内与所述探测器本体连接，所述冷指的另一端穿过所述封堵组件并伸入到所述容纳腔内，与所述内壳焊接。
7.进一步地，所述冷指构造为l型，包括：第一段，所述第一段的一端伸入到所述第一真空腔内与所述探测器本体连接，所述第一段的另一端伸入到所述容纳腔内，并在第一方向上延伸；以及第二段，所述第二段的一端与所述第一段连接，所述第二段的另一端在第二方向上延伸，并与所述内壳的侧壁焊接。
8.进一步地，所述冷指构造为z型，包括：第三段，所述第三段的一端伸入到所述第一真空腔内与所述探测器本体连接，所述第三段的另一端伸入到所述容纳腔内，并在第一方向上延伸；第四段，所述第四段的一端与所述第三段连接，所述第四段的另一端在第二方向上延伸；以及第五段，所述第五段的一端与所述第四段连接，所述第五段的另一端在第一方向上延伸，并与所述内壳的底壁焊接。
9.进一步地，所述封堵组件，包括：封堵管，所述封堵管的两端分别固定在所述外壳和所述内壳上；以及封堵塞，所述封堵塞与所述封堵管的管径过盈配合，所述冷指的另一端穿过所述封堵塞并伸入到所述容纳腔内。
10.进一步地，所述封堵管构造为波纹管。
11.进一步地，所述内壳和所述外壳之间设置有支撑件，所述支撑件的一端固定在所述内壳上，所述支撑件的另一端固定在所述外壳上。
12.进一步地，所述支撑件设置有多个，多个所述支撑件的一端彼此靠近，多个所述支撑件的另一端彼此远离。
13.进一步地，所述支撑件构造为凯夫拉线。
14.进一步地，所述制冷组件还包括输液管路，所述输液管路的进液端设置在所述外壳上与外部连通，所述输液管路的出液端设置在所述内壳上与所述容纳腔连通。
15.进一步地，所述输液管路构造为u型，以增加所述进液端到所述出液端之间的路径距离。
16.进一步地，所述输液管路的壁厚小于0.5mm。
17.进一步地，所述制冷组件还包括吸附层，所述吸附层设置在所述第二真空腔内，以吸附所述第二真空腔内的残余气体。
18.进一步地，所述制冷组件还包括真空多层，所述真空多层设置在所述内壳的外壁上，用以防热辐射。
19.进一步地，所述真空多层包括反光层和绝热层，所述反光层和所述绝热层均设置有多个，多个所述反光层和多个所述绝热层在所述内壳的径向方向上交替设置。
20.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
21.通过下文中参照附图对本技术所作的描述，本技术的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本技术有全面的理解。
22.图1是根据本技术实施例中冷指构造为l型的高纯锗探测器剖视图；
23.图2是根据本技术实施例中冷指构造为z型的高纯锗探测器剖视图；
24.图3是根据本技术实施例中高纯锗探测器的结构示意图。
25.需要注意的是，为了清晰起见，在用于描述本技术的实施例的附图中，结构或区域的尺寸可能被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。
26.附图标记：
27.探测器本体10，
28.探测器壳体20，第一真空腔201，
29.内壳30，内壳的侧壁31，内壳的底壁32，容纳腔301，
30.外壳40，第二真空腔401，
31.封堵组件50，封堵管51，封堵塞52，
32.第一段61，第二段62，第三段63，第四段64，第五段65，
33.支撑件70，
34.输液管路80，进液端81，出液端82，
35.吸附层90，
36.真空多层100，
37.高纯锗探测器1000。
具体实施方式
38.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例的附图，对本技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.除非另外定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本领域普通技术人员所理解的通常意义。本技术中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
40.在本文中，除非另有特别说明，诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等方向性术语用于表示基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术，而不是指示或暗示所指的装置、元件或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作。需要理解的是，当被描述对象的绝对位置改变后，则它们表示的相对位置关系也可能相应地改变。因此，这些方向性术语不能理解为对本技术的限制。
41.高纯锗探测器是目前已知的能量分辨率最高的伽马射线探测器，由于高纯锗晶体本身的特性，高纯锗探测器往往需要在一个低温(低于100k)以及高静态真空的装置中工作。
42.便携式高纯锗探测器因其体积小、重量轻等特性，在国土安全、核应急等领域具有广泛的应用。便携式高高纯锗探测器一般采取两种制冷方式，一种是利用杜瓦罐液氮制冷，另一种是利用电制冷。电制冷的制冷系统虽然摆脱了探测器对液氮的依赖，但因为存在制冷机，成本较高，另外，制冷机会带来机械振动和电磁干扰，降低了高纯锗探测器能量分辨率等关键指标，同时制冷机的功耗也会造成高纯锗探测器和制冷机整体功耗的增加。相对来说，杜瓦液氮制冷系统成本低，能量分辨率高且功耗小，现有液氮制冷技术中使用的杜瓦包括普通实验室中的中型杜瓦和可移动地小型杜瓦两种，中型杜瓦大致有30升，小型杜瓦大致有5升，可与高纯锗探测器搭配使用，但高纯锗探测器与杜瓦集成度低，而且体积较大，不便于户外使用。如何实现高纯锗探测器与杜瓦的集成以及保证集成后的系统具有良好的绝热能力，使杜瓦可以长期稳定制冷是亟需解决的问题。
43.本技术提供了一种高纯锗探测器，可将探测器本体与制冷组件集成于一体，提高整个高纯锗探测器的可维护性，可实现户外携带，使用便利，成本低。
44.下面参照图1
‑
图3描述根据本技术实施例的高纯锗探测器1000。
45.根据本技术的一个实施例，高纯锗探测器1000包括：探测器本体10、探测器壳体20和制冷组件。
46.在本技术的高纯锗探测器1000中主要包括两部分，具有探测能力的探测器本体10和具有制冷能力的制冷组件，现有技术中一般采用分体式，在工作中需要先将两者组合，在本技术的高纯锗探测器1000中，探测器壳体20和制冷组件固定连接，将探测器本体10和制冷组件集成，在户外使用时更方便，且易携带。
47.探测器壳体20设置在探测器本体10的外侧，且与探测器本体10间隔开，以形成第一真空腔201。
48.探测器壳体20限定出一个腔室，探测器本体10在腔室内，探测器壳体20起到保护探测器本体10的作用。
49.其中，探测器壳体20与探测器本体10间隔开，间隔开的空间形成第一真空腔201。第一真空腔201内为真空状态，可以理解为，在探测器本体10的外侧包覆一层真空层，真空层一方面可以为探测器本体10提供一个洁净的工作环境，另一方面可以起到保温隔热的作用。
50.制冷组件包括内壳30和设置在内壳30外侧的外壳40，内壳30和外壳40间隔开以形成第二真空腔401，内壳30限定出容纳液氮的容纳腔301，外壳40与探测器壳体20固定连接。
51.在本技术一个实施例中，制冷组件构造为杜瓦瓶，杜瓦瓶是储藏液体气体、低温研究和晶体元件保护的一种较理想的容器。
52.制冷组件的壳体分为内外两个，内壳30形成容纳腔301，内壳30的内部容纳有液氮，在探测器本体10工作时，液氮可以对探测器本体10进行制冷。
53.在内壳30的外侧设置有外壳40，探测器壳体20有向制冷组件方向敞开的敞开口，探测器壳体20与外壳40固定连接，其中，外壳40与内壳30间隔开，间隔开的空间形成第二真空腔401。第二真空腔401内为真空状态，可以理解为，在内壳30的外侧包覆一层真空层，可以对内壳30起到保温隔热的作用。通过第二真空腔401内的真空层，可以延长液氮在液化状态的时长，减小外壳40对内壳30内液氮的影响，避免外界热量通过热传递的方式影响液氮，减少液氮的自然汽化量，提高液氮的利用率，进而增加探测器本体10的工作时长。
54.其中，第一真空腔201与第二真空腔401通过封堵组件50间隔。
55.探测器壳体20具有向制冷组件方向敞开的敞开口，封堵组件50的部分可以将敞开口封堵，以将第一真空腔201与第二真空腔401分隔开，形成两个独立的真空腔室。
56.需要注意的是，在装配时，需在集成前先对第一真空腔201和第二真空腔401内的气体进行抽取，以形成真空层。
57.根据本技术的高纯锗探测器1000，将制冷组件与高纯锗探测器1000集成于一体，便于使用者携带使用，通过封堵组件50将探测器本体10的第一真空腔201和制冷组件的第二真空腔401分隔开，形成两个独立的真空腔室，既可以避免制冷组件内部材料释放的物质污染探测器本体10内的核心部件，以维持高纯锗探测器1000的性能指标，又可以对两个独立的真空腔室进行单独维护，提升了高纯锗探测器1000的可维护性。
58.根据本技术的一个实施例，高纯锗探测器1000还包括冷指。
59.冷指可将冷量高效地传导到探测器本体10上，从而使探测器本体10快速降温到稳定工作状态。
60.具体的，冷指的一端伸入到第一真空腔201内与探测器本体10连接，冷指的另一端穿过封堵组件50并伸入到容纳腔301内，与内壳30焊接。
61.本技术中，冷指的一端通过敞开口伸入到第一真空腔201内，与探测器本体10连接，冷指的另一端穿过封堵组件50并伸入到容纳腔301内可以与液氮接触，通过热传递，将另一端的冷量传递到一端的探测器本体10上，以降低探测器本体10的热量。
62.现有技术中，冷指通过机械方式固定连接，例如：通过紧固件固定连接，这样导冷效率低，液氮利用率不高。
63.本技术中将冷指的另一端与内壳30焊接，通过焊接固定的方式，增强与内壳30的
接触面积，进而增加了导热效率。
64.在一个实施例中，冷指构造为l型，包括：第一段61和第二段62。
65.其中，第一段61的一端伸入到第一真空腔201内与探测器本体10连接，第一段61的另一端伸入到容纳腔301内，并在第一方向上延伸；第二段62的一端与第一段61连接，第二段62的另一端在第二方向上延伸，并与内壳的侧壁31焊接。
66.如图1所示，冷指包括水平的第一段61和竖直的第二段62，第一段61和第二段62连接构造为l型。第一段61的两端分别接触液氮和探测器本体10，可将冷量传递到探测器本体10上，第二段62在第二方向上延伸，可以增大冷指在液氮内的接触面积，从而实现液氮的充分利用，延长高纯锗探测器1000的工作时间。
67.在现有技术中，高纯锗探测器1000工作时的朝向受限，在一些方向工作中会导致液氮无法直接对探测器本体10冷却。
68.在本技术中，由于第二段62与内壳的侧壁31焊接，冷指在一定程度上为高纯锗探测器1000工作时所需的方位提供了更多的可能性。例如：在容纳腔301内液氮较少的情况下，高纯锗探测器1000如图1所示的水平放置探测，液氮的含量线不足以接触到第一段61，但由于第二段62与侧壁焊接，在侧壁上的液氮可与第二段62接触，冷量可通过第二段62获得并向探测器本体10传递，进而使得高纯锗探测器1000可以在水平方位上工作。
69.可以理解的是，第一方向和第二方向为两个不同的方向，优选的，第一方向和第二方向垂直。
70.在另一个实施例中，冷指构造为z型，包括：第三段63、第四段64以及第五段65。
71.其中，第三段63的一端伸入到第一真空腔201内与探测器本体10连接，第三段63的另一端伸入到容纳腔301内，并在第一方向上延伸；第四段64的一端与第三段63连接，第四段64的另一端在第二方向上延伸；第五段65的一端与第四段64连接，第五段65的另一端在第一方向上延伸，并与内壳的底壁32焊接。
72.如图2所示，冷指包括水平的第三段63、竖直的第四段64和水平的第五段65，第三段63、第四段64和第五段65连接构造为z型。第三段63的两端分别接触液氮和探测器本体10，可将冷量传递到探测器本体10上，第四段64在第二方向上延伸，与侧壁接触，可以增大冷指在液氮内的接触面积，从而实现液氮的充分利用，延长高纯锗探测器1000的工作时间，第五段65继续在第一方向上延伸，直至与内壳的底壁32止抵并焊接，冷指延伸到内壳的侧壁31和底部，能最大程度的利用液氮来制冷探测器本体10，使得高纯锗探测器1000可以全方位工作，扩大了应用范围。
73.可以理解的是，z型冷指在一方面延长了探测器本体10的工作时间，在另一方面在一定程度上为高纯锗探测器1000工作时所需的方位提供了更多的可能性。
74.z型冷指直接焊接在杜瓦内壳30增加了导热效率，同时，高纯锗探测器1000在工作时处于如图2所示的放置形式，z型冷指能延伸到内壳的侧壁31和底部，可充分利用杜瓦内部的液氮。
75.进一步地，冷指可为一体成型件，以具有更好的传热能力。
76.根据本技术的一个实施例，封堵组件50，包括：封堵管51以及封堵塞52。
77.具体的，封堵管51的两端分别固定在外壳40和内壳30上；封堵塞52与封堵管51的管径过盈配合，冷指的另一端穿过封堵塞52并伸入到容纳腔301内。
78.封堵管51的两端分别固定在外壳40和内壳30上，可将第一真空腔201和第二真空腔401分隔开，形成两个独立的真空腔室，既可以避免制冷组件内部材料释放的物质污染探测器本体10内的核心部件，以维持高纯锗探测器1000的性能指标，又可以对两个独立的真空腔室进行单独维护，提升了高纯锗探测器1000的可维护性。
79.封堵塞52与封堵管51的管径过盈配合，将第一真空腔201和容纳腔301分隔开，防止液氮和/或汽化的液氮流入到第一真空腔201内，造成探测器核心部件被污染，探测器本体10性能指标劣化。
80.封堵塞52上设置有与冷指适配的过孔，冷指穿过后可将过孔完全填满，封堵管51为中空结构，冷指可从封堵管51的一端穿入从另一端穿出，穿出后伸入到容纳腔301内接触到液氮。
81.根据本技术的一个实施例，封堵管51构造为波纹管。
82.波纹管是指用可折叠皱纹片沿折叠伸缩方向连接成的管状弹性敏感元件，可作为隔离元件使用，波纹管的管壁较薄，可以增加冷端和热端的路径，也就是增加冷端到热端的距离长度，进而加强热阻和隔离。
83.需要注意的是，本技术中，冷端指的是内壳30，热端指的是外壳40。
84.根据本技术的一个实施例，内壳30和外壳40之间设置有支撑件70，支撑件70的一端固定在内壳30上，支撑件70的另一端固定在外壳40上。
85.进一步地，支撑件70设置有多个，多个支撑件70的一端彼此靠近，多个支撑件70的另一端彼此远离。
86.为了将内壳30固定，在内壳30和外壳40之间设置多个支撑件70。在多个支撑件70的作用下，减少了制冷组件的漏热，延长了探测器本体10的工作时间。
87.如图1
‑
图3所示，图中一共有4个支撑件70，分别在内壳30的顶壁外侧上设置有两个，在内壳的底壁32外侧设置有两个，4个支撑件70在内壳30侧的一端彼此靠近，4个支撑件70在外壳40侧的另一端彼此远离，支撑件70这样的支撑分布形式，更好的固定内壳30。
88.根据本技术的一个实施例，支撑件70构造为凯夫拉线。
89.凯夫拉线是一种非常坚韧的纤维材料，导热率非常低，强度高、拉伸性能好，作为内壳30固定的支撑件70可以在支撑内壳30的同时，减少热端向冷端传递的热量。
90.根据本技术的一个实施例，制冷组件还包括输液管路80，输液管路80的进液端81设置在外壳40上与外部连通，输液管路80的出液端82设置在内壳30上与容纳腔301连通。
91.输液管路80的目的是将外部将液氮输送至制冷组件内，输液管路80具有进液端81和出液端82，进液端81设置在外壳40上与外部连通，出液端82设置在内壳30上与容纳腔301连通，液氮从进液端81注入输液管路80，从出液端82流入到容纳腔301内。
92.根据本技术的一个实施例，输液管路80构造为u型，以增加进液端81到出液端82之间的路径距离。
93.具体如图3所示，输液管路80设置在内壳30的外壁上，形状构造为u型，这样使得进液端81与出液端82的路径距离较长，从而增加冷端到热端的路径长度，以增加热阻和隔热。
94.优选的，输液管路80的壁厚小于0.5mm。
95.根据本技术的一个实施例，制冷组件还包括真空多层100，真空多层100设置在内壳30的外壁上，用以防热辐射。
96.其中，真空多层100包括反光层和绝热层，反光层和绝热层均设置有多个，多个反光层和多个绝热层在内壳30的径向方向上交替设置。
97.真空多层100是由一个反光层和一个绝热层交替叠加形成的，真空多层100包覆在内壳30的外侧，用来防止内壳30的冷辐射到外壳40。
98.根据本技术的一个实施例，制冷组件还包括吸附层90，吸附层90设置在第二真空腔401内，以吸附第二真空腔401内的残余气体。
99.前期装配时将第一真空腔201和第二真空腔401内抽成真空后，后期需要对真空环境进行维持，由于内壳30和外壳40之间的零件会释放微量的气体，例如：支撑件70、真空多层100设置在内壳30和外壳40之间，会释放少量的氢气和不明气体，这些气体会对探测器本体10的核心部件造成损伤。因此，在第二真空腔401内设置吸附层90，及时吸附第二真空腔401内零件释放的残余气体。
100.需要注意的是，本技术中“高纯锗”指的是纯度极高的锗，更具体的，是纯度达到12个9以上、电阻率在4700ω
·
m左右、净载流子浓度小于1.5
·
10
12
/cm3的金属锗。
101.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
102.虽然根据本技术总体技术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，在不背离本技术总体技术构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本技术的范围以权利要求和它们的等同物限定。