CN104360375B - 便携式低温半导体探测器装置 - Google Patents

Abstract

本发明的便携式低温半导体探测器装置具备：探测器晶体；高气压晶体保护室，在内部充满高压超纯惰性气体并容纳有所述探测器晶体；真空室，内部为真空环境并容纳有所述高气压晶体保护室；制冷装置，包括制冷机和与所述制冷机相连的制冷机冷指，用于冷却所述探测器晶体。

Description

便携式低温半导体探测器装置

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

制冷装置，包括制冷机和与所述制冷机相连的制冷机冷指，用于冷却所述探测器晶体。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，还具有：真空室，由下端面开放的真空室外壳和将所述真空室外壳的下端面密封的真空室盖帽构成，内部为真空环境并且容纳有所述高气压晶体保护室。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，还具有：电路封装室，由密封连接于所述真空室外壳的下方的电路封装室筒壳和覆盖在所述电路封装室筒壳的下端面的电路封装室盖帽构成，并且在内部封装有前端电路和高压电路。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述真空室盖帽的中心形成有第一圆孔，并且，在所述电路封装室盖帽的中心形成有第二圆孔，

金属冷指筒套通过所述第一圆孔和所述第二圆孔，并且所述金属冷指筒套与所述真空室盖帽以及所述电路封装室盖帽密封连接。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述金属冷指筒套的内部设置有塑料冷指套，所述塑料冷指套的上端与设置在其上端的圆盘形铜座相耦合密封，所述塑料冷指套的另一端与所述金属冷指筒套相耦合密封，由所述真空室外壳、所述真空室盖帽、所述金属冷指套筒和所述塑料冷指套形成密封的空间。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，所述高气压晶体保护室通过蓝宝石片耦合在所述圆盘形铜座上，所述制冷机冷指插入到所述塑料冷指套内并且隔着蓝宝石片抵接于所述圆盘形铜座。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，所述高气压晶体保护室悬挂在所述真空室内，所述制冷机冷指插入到所述塑料冷指套内并且隔着蓝宝石片抵接于所述圆盘形铜座，设置在所述圆盘形铜座上的柔性的铜辫耦合到所述高气压晶体保护室的侧壁。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述真空室外壳的内壁上下圆周内以及所述高气压晶体保护室的外壳外壁上下圆周内对应的位置分别均匀有布置多个悬挂铆钉，通过芳纶纤维将所述真空室外壳和所述高气压晶体保护室外壳上分别对应的所述悬挂铆钉相连，从而实现所述高气压晶体保护室的悬挂。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述高气压晶体保护室盖帽的形成有所述接触电极的一侧的相反侧，设置有形成了JFET和C_f//R_f阻容反馈电路的电路模块，来自所述接触电极的信号通过所述电路模块被引出到设置于所述真空室盖的信号引出线，所述晶体外表面接触极与设置于所述真空室盖的高压引出线连接，所述信号引出线和所述高压引出线分别与所述前端电路和所述高压电路连接。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述电路封装室筒壳的外壁设置有用于与外围电子学器件连接的引线接插件。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述探测器晶体的端面设置有保护环，在所述高气压晶体保护室盖帽上形成有保护环接地电极，所述保护环接地电极与所述保护环接触。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述高气压晶体保护室的上下端面与所述探测器晶体的上下端面之间设置有聚四氟乙烯垫片。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述高气压晶体保护室内设置有分子筛。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述高气压晶体保护室盖帽上设置有用于对所述高气压晶体保护室填充高压高纯惰性气体的充排气管。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述高气压晶体保护室外包围一层绝缘保护膜。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述真空室内设置有分子筛和吸气剂离子泵。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述真空室外壳上设置有用于连接真空泵进行抽真空的抽气孔。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述高气压晶体保护室外壳的下端沿设置有台阶，所述高气压晶体保护室盖帽放置在所述台阶上，将外径比楔形压环的外径稍大的O型圈套在所述楔形压环上，紧压于所述高气压晶体保护室盖帽，从而实现所述高气压晶体保护室外壳和所述高气压晶体保护室盖帽之间的密封。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，所述真空室的所有密封都采用楔形压环和O型圈相挤压的方式密封。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，所述电路封装室筒壳和所述电路封装室盖帽之间的密封以及所述电路封装室盖帽和所述金属冷指筒套之间的密封都采用楔形压环和O形圈相挤压的方式密封。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述电路封装室内充有高压惰性气体。

此外，在本发明的便携式低温半导体探测器装置中，在所述真空室外壳的内壁上下圆周内以及所述高气压晶体保护室的外壳外壁上下圆周内对应的位置分别均匀有布置多个悬挂铆钉，通过芳纶纤维将所述真空室外壳和所述高气压晶体保护室外壳上分别对应的所述悬挂铆钉相连，从而实现所述高气压晶体保护室的悬挂。

本发明具有以下优点：

（1）装置采用独立于真空中的高压惰性气体保护室放置晶体，避免了传统装置将晶体直接放置于真空室中，因真空变差而对晶体表面态破坏而对晶体能谱分辨的影响，又避免了真空油蒸汽对晶体污染的可能，并且便于真空室中器件的更换和晶体的存放而不对晶体造成污染，另一方面，保护室中高压惰性气体和分子筛的双重保护降低了装置材料中杂质气体的对晶体的污染；

（2）有了高纯氮气对晶体的保护，真空室的作用仅起到维持低温作用，因而只需保证达到制冷机维持液氮温区低温的真空度即可（10^-2Pa），比传统装置（10^-4Pa）大大降低了真空度；

（3）真空室内设置分子筛和吸气剂离子泵提高了真空维持时间，真空容器内壁的镜面设计又降低了热量的传递，从而降低了制冷机的功耗，可以降低制冷机电池的体积及增加制冷机的无故障工作时间；

（4）采用将晶体悬挂以及柔性铜辫导冷设计，有效地降低了制冷机活塞振动带来的噪声干扰，提高了探测器采用交流耦合电路的抗震性能，有效地降低了振动噪声干扰；

（5）折中考虑晶体和JFET之间的距离和JFET工作温度，降低了电子学噪声；

（6）流畅的模块化布局，紧凑的器件封装，实现了便携式又便于器件更换维修。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的便携式低温半导体探测器装置的纵向剖面示意图。

图2是本发明的另一个实施例的便携式低温半导体探测器装置的纵向剖面示意图。

附图标记说明：

1 HPGe晶体；

100 高气压晶体保护室

200 真空室；

300 电路封装室；

400 制冷装置；

2 高气压晶体保护室外壳；

3 高气压晶体保护室盖帽；

4 楔形压环；

5 金属O型圈；

6 充排气管；

7 接触电极；

8 保护环接地电极；

9 JFET+Cf//Rf；

10 聚四氟乙烯垫片；

11 分子筛；

12 聚四氟乙烯膜；

13 真空室外壳；

14 真空室盖帽；

15 抽气孔；

16 金属冷指筒套；

17 分子筛；

18 吸气剂离子泵；

19 信号引出线；

20 高压引出线；

21 塑料冷指套；

22 圆盘形铜座；

23 制冷机；

24 制冷机冷指；

25 蓝宝石片；

26 铜辫；

27 悬挂铆钉；

28 芳纶纤维；

29 前端电路；

30 高压电路；

31 电路封装室筒壳；

32 电路封装室盖帽；

33 引线接插件；

34 保护环。

具体实施方式

以下，参照附图详细地对本发明的便携式低温半导体探测器装置进行说明。在说明书中，相同的附图标记表示相同的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的限定。

图1是本发明的便携式低温半导体探测器装置的纵向剖面示意图。如图1所示，本发明的便携式低温半导体探测器装置具备：探测器晶体1；用于容纳探测器晶体1的高气压晶体保护室100；设置在高气压晶体保护室100内的分子筛11；用于维护低温并且存放高气压晶体保护室100的真空室200；设置在真空室200内的分子筛17和吸气剂离子泵18；保护电子学系统的电路封装室300；用于对探测器晶体1制冷的制冷装置400。

探测器晶体1是锗半导体材料，例如可以是HPGe或Ge（Li）晶体，并不特别限定。Ge（Li）和HPGe都是高能量分辨的γ能谱仪，使用方法和主要性能基本相同，Ge（Li）探测器必须在低温下保持，而HPGe可以在常温下保持，仅在测量时需要维持低温。在本发明中对HPGe晶体进行说明，但是其工艺、装置和主要的使用方法同样适用于Ge（Li）探测器。

HPGe晶体可以通过特殊的工艺在其晶体端面设置保护环，从而降低表面泄漏电流，保护环技术可以采用现有技术，在此不再赘述。由于本发明中的高气压晶体保护室100能够有效地避免晶体表面态被破坏，所以，探测器晶体1也可以不设置保护环。

将HPGe晶体放置在充满高压超纯惰性气体的高气压晶体保护室100中。

高气压晶体保护室100包括高气压晶体保护室外壳2、位于高气压晶体保护室壳2的下端面的高气压晶体保护室盖帽3、楔形压环4以及O型圈5。

高气压晶体保护室外壳2为上端面封闭且下端面开放的钟罩形，采用导电、导热性能良好的轻质金属材料，例如铜或铝等，壳壁尽可能薄，以减少热损耗。高气压晶体保护室外壳2的下端口开阔，在端沿上设置有台阶，用于支撑高气压晶体保护室盖帽3。但是，也可以是以其他方式将高气压晶体保护室盖帽3安装于高气压晶体保护室外壳2的下端，从而使高气压晶体保护室100具有很好的高气压密封效果。

此外，高气压晶体保护室盖帽3为圆形，兼具高气压密封和电路支撑作用，但是，高气压晶体保护室盖帽3不限于圆形，只要是能够与高气压晶体保护室外壳2形成良好的气密封，能够与高气压晶体保护室外壳2的下端紧密配合即可。此外，高气压晶体保护室盖帽3采用绝缘性能良好的材料，例如陶瓷材料。在盖帽中心设置有接触电极7，接触电极7为例如上端带弹簧的金针，通过弹性金针可以保证其和探测器晶体1的内表面接触极实现良好的接触。在接触电极7的附近设置有晶体保护环接地电极8，与探测器晶体1的保护环相接触，用于降低表面漏电流，但是，在探测器晶体1上没有设置保护环的情况下，盖帽3上可以没有晶体保护环接地电极8。在高气压晶体保护室盖帽3上还设置有形成了JFET和C_f//R_f阻容反馈电路的电路模块9，使JFET与探测器晶体1仅有一个陶瓷板的厚度的距离，这样既保证了JFET的低温条件又降低了导线的寄生电容，最大限度地降低了JFET的噪声。此外，在高气压晶体保护室盖帽3上还设置有充排气管6，用于对高气压晶体保护室100填充高压高纯惰性气体。

如图1所示，楔形压环4为带台阶的环形（即，上下台阶差处为豁槽），与高气压晶体保护室外壳2的材质相同，为导热性能良好的材料，例如铜或铝等。

O型圈5的外径比楔形压环4的外径稍大，内径和楔形压环4的豁槽的外缘相同，O型圈5可紧密地套在楔形压环4的豁槽上。因为高气压晶体保护室100需要工作在液氮温区（80K），而且高气压晶体保护室100内有2×10⁵Pa的压强，高气压晶体保护室100外周是1×10^-2Pa~1×10^-3Pa的真空，所以，要求O型圈5既耐低温又耐高压力，因此选材原则是：（1）低温下韧性好，不脆不裂；（2）在装配力下有足够形变，产生足够的预接应压力；（3）金属放气量小，有易于高纯环境的维持。优选地，O型圈5的材料可采用铟，因为铟在低温下有良好的密封性能，例如在液氦温区，铟能保持10⁷ Pa的高压密封不泄漏，因此被广泛地应用于低温状况下的真空和高压密封。

将探测器晶体1放置于高气压晶体保护室外壳2内，将高气压晶体保护室盖帽3放置在高气压晶体保护室外壳2的台阶上，高气压晶体保护室盖帽3上的接触电极7通过弹簧的弹力和探测器晶体1的内表面接触极相接触。此外，在探测器晶体1上形成有晶体保护环的情况下，相应地在高气压晶体保护室盖帽3上形成有晶体保护环接地电极8，在安装时高气压晶体保护室盖帽3上的晶体保护环接地电极8与探测器晶体1的晶体保护环相接触。将O型圈5套在楔形压环4上，紧压于高气压晶体保护室盖帽3便可实现高气压晶体保护室外壳2和高气压晶体保护室盖帽3之间的密封。

在高气压晶体保护室100的上下端面与探测器晶体1的上下端面之间设置有聚四氟乙烯垫片10，用于避免探测器晶体1和高气压晶体保护室外壳2的内壁的碰撞而损伤探测器晶体1。

此外，在高气压晶体保护室100内设置有一个微型分子筛11，可以吸收装置内材料缓慢释放的杂质分子或离子，避免污染超纯环境。

在将上述部件完全装配到高气压晶体保护室100后，通过高气压晶体保护室盖帽3上的充排气管6先将气室抽到高真空，然后再给其充超纯的惰性气体，最后，采取无氧铜冷压的方式将充排气管6密封。

优选地可以充2×10⁵Pa左右的超纯氮气，高压超纯氮气既能给探测器晶体提供一个惰性的保护环境又能抑制装置中杂质气体的释放，避免晶体表面态受到污染。这样不仅有利于探测器晶体在低温下工作，而且也可以直接将存放探测器晶体1的高气压晶体保护室100取下进行晶体储存，有利于探测器晶体的保存。

在高气压晶体保护室100外包围一层绝缘保护膜12，对高气压晶体保护室100起到绝缘作用，当晶体外表面接触极接高压时可避免高气压晶体保护室100的金属壳与外围金属放电。优选地，绝缘保护膜12可以采用聚四氟乙烯膜。

在高气压晶体保护室100装配好后，将其放置在内部为真空环境的真空室200内。

真空室200不具有为探测器晶体1提供纯净环境而保护晶体表面不受污染的作用，其作用是减小热损失，维持低温，有利于降低制冷剂功耗。对于一个常规大小的晶体，冷量5W的斯特林制冷机在真空度达到10^-2Pa量级便可快速使其冷却到80K，因此，本发明可以降低真空室200的真空度要求（传统装置的真空要求好于10^-4Pa）。

此外，真空室200包括一个下端面开放的圆筒形真空室外壳13、用于将真空室外壳13的下端面密封的真空室盖帽14以及密封用的楔形压环4和O型圈5。

真空室外壳13采用轻质的铝或镁碳纤维材料，壳壁厚度可以做的很薄（小于1mm）。真空室外壳13的内壁为镀金镜面设计，利于降低辐射热损耗。在真空室外壳13上设置有抽气孔15，用于连接真空泵进行抽真空。

真空室盖帽14为圆形，兼具真空密封和电路板的作用，采用绝缘性能良好的陶瓷材料。此外，真空室盖帽14不限于圆形，只要是能够与真空室外壳13形成良好的气密封，能够与真空室外壳13的下端紧密配合即可。

此外，如同高气压晶体保护室100的密封原理，真空室盖帽14和真空室外壳13通过楔形压环4和O型圈5密封。

在真空室盖帽14的中心设置有圆孔，圆孔中通过一个金属冷指套筒16，通过压环和O型圈实现金属冷指套筒16和真空室盖帽14之间的密封。

在真空室200内设置有一个分子筛17和一个吸气剂离子泵18。分子筛17可以吸附装置材料缓慢释放的气体杂质，吸气剂离子泵18可以将缓慢泄漏进真空室200的气体电离并吸附，两者协同提高真空的维持时间。

在真空室盖帽14上设置有信号引出线19和高压引出线20。

在金属冷指套筒16内部设置有塑料冷指套21，塑料冷指套21可采用Peek或聚四氟乙烯材质。塑料冷指套21的上端通过金属O形圈与设置在其上端的圆盘形铜座22相耦合密封，塑料冷指套21的另一端与金属冷指套筒16相耦合密封。

对于在晶体外表面接触极施加高压（P型锗n⁺接触面施加正高压，N型锗加p⁺接触面施加负高压）而在晶体内表面接触极引出信号，采用直流耦合电路的电路设计，由于这种电路的抗震性能较好，制冷机23的机械震动带来的噪声影响比较小，因此可将上述封装晶体的高气压晶体保护室100通过蓝宝石片25直接耦合在圆盘形铜座22上，冷指和探测器晶体1之间通过硬连接实现导冷。

此外，如图2所示那样，对于将晶体内表面接触极施加高压（P型锗开孔内接触面施加负高压，N型锗开孔内接触面施加正高压）同时又在内表面接触极取信号的设计，采用交流耦合电路的电路设计，由于这种电路的抗震性能较差，制冷机23的机械震动会带来较大的噪声，影响能谱的分辨，此时可采用将存放探测器晶体1的高气压晶体保护室100悬挂在真空室外壳2上，通过在圆盘形铜座22上引一条柔性的铜辫26，将铜辫26耦合到高气压晶体保护室100的侧壁实现给晶体导冷，这种软连接可以有效地降低制冷机的机械振动，提高晶体的能量分辨能力。

高气压晶体保护室100的悬挂可由以下设计实现：在真空室外壳13的内壁上下圆周内以及高气压晶体保护室100的外壳外壁上下圆周内对应的位置分别均匀布置几个悬挂铆钉27，通过芳纶纤维28将真空室外壳13和高气压晶体保护室外壳2上分别对应的铆钉相连，实现对高气压晶体保护室100的悬挂。芳纶纤维28在低温下具有高强度、高模量、高韧性，并且绝缘性能良好（杜邦公司商品名：Kevlar）。

在将上述的真空室器件装配完成后，在真空室外壳13、真空室盖帽14、金属冷指套筒16和塑料冷指套21之间形成一个密封的空间。通过真空室外壳13上的气孔可抽真空。

在真空室200的下方设置有电路封装室300，用于封装探测器所需的电子学系统，包括前端电路29和高压电路30。

电路封装室300由电路封装室筒壳31和电路封装室盖帽32组成。电路封装室筒壳31和电路封装室盖帽32均采用电磁屏蔽性能良好的铝材料。电路封装室筒壳31为圆筒形，通过真空室外壳13的下端檐沟槽中的密封圈连接在真空室外壳13的下方。在电路封装室筒壳31的外壁设置有引线接插件33。

电路封装室盖帽32为圆盘形，通过密封压环覆盖在电路封装室筒壳31的下端面。在电路封装室盖帽32的中心设有通过冷指保护套的圆孔，通过密封压环和金属冷指筒套16密封连接。前端电路29和高压电路30密封被紧凑地封装在电路封装室300内。

此外，各部分的形状以及密封方式等不限于上述的形状和方式，也可以是其他的形状以及其他的密封方式等，只要能够实现其目的即可。

实施例１

图1是本发明的一个实施例的便携式低温半导体探测器装置的纵向剖面示意图。在图1中示出了一种便携式HPGe探测器装置的实施例。本实施例的装置设计适用于探测器电子学系统采用直流耦合电路设计的情况：在晶体内表面接触极引出信号，前方电路为直流耦合，这种电路的抗震性能较好，因此，可以将封装晶体的高气压晶体保护室100通过蓝宝石片25直接耦合在圆盘形铜座22上，制冷机冷指24和探测器晶体的高气压晶体保护室100通过硬连接实现热传导。

本实施例的装置包括五大部分：HPGe晶体1；一个用于容纳晶体的高纯氮高气压晶体保护室100；一个用于维护低温，存放高气压晶体保护室100的真空室200；一个用于保护前端电路29和高压电路30的电路封装室300；一个用于给晶体制冷的制冷装置400。

HPGe晶体1端面加保护环34，保护环技术可利用现有技术。本实施例同样适用于不加保护环的HPGe探测器。

HPGe晶体1放置在充有两个大气压（约为2×10⁵Pa）的超高纯氮气的高气压晶体保护室100内。铝制高气压晶体保护室外壳2的下端口设计有台阶，陶瓷材质的高气压晶体保护室盖帽3置于高气压晶体保护室外壳2的台阶上，两者通过楔形压环4和铟O型圈5实现密封。

高气压晶体保护室盖帽3的中心为上端带弹簧的金针接触电极7，接触电极7通过弹性金针和HPGe晶体1的内表面接触极接触；晶体保护环接地电极8与HPGe晶体1的保护环34相接触并成为接地电位；接触电极7上的信号通过紧贴在高气压晶体保护室盖帽3上的JFET+C_f//R_f 阻容反馈电路9引出。

高气压晶体保护室100的上下端面与HPGe晶体1的上下端面之间设置有聚四氟乙烯垫片10，用于保护晶体免受冲撞损伤。

微型分子筛11设置在高气压晶体保护室100里面，用于吸收周围材料缓慢释放出的气体分子或离子，维持高气压晶体保护室100的超纯环境。

通过高气压晶体保护室盖帽3上的金属充排气管6可实现给高气压晶体保护室100填充例如2×10⁵Pa的超高纯氮气（99.9999%），然后将金属充排气管6封死，高压氮气抑制装置中杂质气体的释放，保护晶体表面态不受污染，使高气压晶体保护室100具有对HPGe晶体1的保护和存储功能。

高气压晶体保护室100外壁的聚四氟乙烯膜12起到绝缘作用，避免高气压晶体保护室外壳2与真空室外壳13直接因高压产生放电。

真空室200的所有密封均采用楔形压环4与O型圈5相挤压的方式密封。真空室外壳13、真空室盖帽14、金属冷指筒套16、塑料冷指套21这四者相互密封共同围成真空室200。通过抽气孔15给真空室200抽真空。真空室200不再具有给HPGe晶体1提供高纯环境保护的功能，仅起到减小热损失维持低温状态的作用，因此与传统的设计相比本发明可适当降低真空度，到达能满足斯特林制冷机快速制冷到液氮温区真空度即可，一般需要约10^-2Pa的真空度，再加上塑料冷指套21周围的分子筛17以及真空室盖帽14上的吸气剂离子泵18的协同作用实现真空室200的超长时间真空维持，能有效防止对流热损失。同时，轻质金属材料的真空室外壳13的内壁为镀金镜面设计，能有效降低红外辐射热损失。综合两个方面的设计优势，可降低制冷机的功率，实现HPGe探测器的便携式。

陶瓷材料的真空室盖帽14上的信号引出线19和高压引出线20分别和电路封装室300中的前端电路29和高压电路30相连接。

紧连着真空室200下方的是围绕着金属冷指筒套16的环形电路封装室300。HPGe探测器测试所需的电子学系统包括前端电路29和高压电路30，它们被紧凑地封装在电路封装室300内。电路封装室筒壳31和电路封装室盖帽32均采用铝或铜金属材质，对电路起良好的电磁屏蔽。电路封装室筒壳31和电路封装室盖帽32之间以及电路封装室盖帽32和金属冷指筒套16之间，均采用压环4和O形圈5密封。电路封装室300可以充高压惰性气体来保护电子器件，使其不受潮湿污染。引线接插件33可实现电路封装室300与外围电子学器件连接。金属冷指筒套16将电路封装室300与制冷机冷指24隔离。

制冷装置400的制冷机23设置在探测器的最下方，制冷机23一般采用脉管斯特林制冷，由于其噪声较小，制冷量较大，能将大体积的HPGe晶体制冷到液氮温区。制冷机冷指24通过一个较长的聚四氟乙烯塑料冷指套21而穿过电路封装室300并通过低温蓝宝石片25和支撑高气压晶体保护室100的圆盘形铜座22相耦合。这样的设计增加了制冷机冷指24与制冷机23之间的距离，能有效降低制冷机23的机械振动对HPGe晶体１的干扰。圆盘形铜座22和高气压晶体保护室100之间的蓝宝石片25起到良好的导热作用，另一方面起到绝缘作用。

装置中的导线采用屏蔽性能良好的三同轴电缆。整套装置各模块之间考虑快速引线连接，均采用快接的插件，此处不再赘述。

实施例２

图2是本发明的实施例2的便携式低温半导体探测器装置的纵向剖面示意图。在图2中示出一种便携式HPGe探测器装置的实施例。本实施例的装置设计适用将高压加到晶体内表面接触极同时在内表面接触极引出信号，采用交流耦合电路的电子学设计，这种电路的好处是晶体的外表面接触极为零电位，不用考虑高压屏蔽，接插安全；缺点是这种电路的抗震性能较差，很难抗击制冷机的机械振动带来的噪声，影响能谱的分辨，甚至淹没信号。本发明根据悬挂及柔性连接的减振原理进行实施。

本实施例与实施例1的不同之处在于高气压晶体保护室100在真空200内的放置方式以及与制冷机冷指24的连接方式。除此之外其余设计和工作原理与实施例1相同。在此仅需说明与实施例1不同的设计，对于相同的部分见实施例1。

在真空室外壳13的内壁上下圆周内以及高气压晶体保护室100的外壁上下圆周内对应的位置分别均匀布置若干悬挂铆钉27，采用高强度、高弹性模量的芳纶纤维28将真空室外壳13和高气压晶体保护室外壳2上分别对于的铆钉相连，实现将高气压晶体保护室100悬挂在真空室200的中心。此时，圆盘形铜22不再担负对高气压晶体保护室100的支撑作用，因而其直径变小，可降低热容量。在圆盘形铜座22上引一条半刚半柔的铜辫26，将铜辫26的另一端耦合到高气压晶体保护室100的侧壁实现给晶体导冷。

这种软连接可以有效地降低制冷机的机械振动，提高探测器的能谱分辨力。使机械制冷的高纯锗探测器可以方便地采用交流耦合电路，而不受振动噪声干扰。

此外这种设计也适用于采用直流耦合电路的探测器，能使振动对直流耦合电路的信号干扰降的更小。

如上所述，对本发明进行了说明，但是，本发明并不限于上述实施方式，应该理解为只要是在本发明的技术思想的范围内进行的各种组合以及变更，都在本发明的范围内（例如，各部件可以根据需要来设计其形状或者结构，此外，例如，真空室、电路封装室等部件也可以根据需要而从如前所述的便携式低温半导体探测器装置的结构中去掉）。

Claims (21)

1.一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

制冷装置，包括制冷机和与所述制冷机相连的制冷机冷指，用于冷却所述探测器晶体。

2.如权利要求1所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

还具有：真空室，由下端面开放的真空室外壳和将所述真空室外壳的下端面密封的真空室盖帽构成，内部为真空环境并且容纳有所述高气压晶体保护室。

3.如权利要求2所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

还具有：电路封装室，由密封连接于所述真空室外壳的下方的电路封装室筒壳和覆盖在所述电路封装室筒壳的下端面的电路封装室盖帽构成，并且在内部封装有前端电路和高压电路。

4.如权利要求3所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述真空室盖帽的中心形成有第一圆孔，并且，在所述电路封装室盖帽的中心形成有第二圆孔，

金属冷指筒套通过所述第一圆孔和所述第二圆孔，并且所述金属冷指筒套与所述真空室盖帽以及所述电路封装室盖帽密封连接。

5.如权利要求4所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述金属冷指筒套的内部设置有塑料冷指套，所述塑料冷指套的上端与设置在其上端的圆盘形铜座相耦合密封，所述塑料冷指套的另一端与所述金属冷指筒套相耦合密封，由所述真空室外壳、所述真空室盖帽、所述金属冷指套筒和所述塑料冷指套形成密封的空间。

6.如权利要求5所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

所述高气压晶体保护室通过蓝宝石片耦合在所述圆盘形铜座上，所述制冷机冷指插入到所述塑料冷指套内并且隔着蓝宝石片抵接于所述圆盘形铜座。

7.如权利要求5所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

所述高气压晶体保护室悬挂在所述真空室内，所述制冷机冷指插入到所述塑料冷指套内并且隔着蓝宝石片抵接于所述圆盘形铜座，设置在所述圆盘形铜座上的柔性的铜辫耦合到所述高气压晶体保护室的侧壁。

8.如权利要求7所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述真空室外壳的内壁上下圆周内以及所述高气压晶体保护室的外壳外壁上下圆周内对应的位置分别均匀有布置多个悬挂铆钉，通过芳纶纤维将所述真空室外壳和所述高气压晶体保护室外壳上分别对应的所述悬挂铆钉相连，从而实现所述高气压晶体保护室的悬挂。

9.如权利要求6或7所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述高气压晶体保护室盖帽的形成有所述接触电极的一侧的相反侧，设置有形成了JFET和C_f//R_f阻容反馈电路的电路模块，来自所述接触电极的信号通过所述电路模块被引出到设置于所述真空室盖的信号引出线，

所述晶体外表面接触极与设置于所述真空室盖的高压引出线连接，

所述信号引出线和所述高压引出线分别与所述前端电路和所述高压电路连接。

10.如权利要求9所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述电路封装室筒壳的外壁设置有用于与外围电子学器件连接的引线接插件。

11.如权利要求10所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述探测器晶体的端面设置有保护环，在所述高气压晶体保护室盖帽上形成有保护环接地电极，所述保护环接地电极与所述保护环接触。

12.如权利要求11所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述高气压晶体保护室的上下端面与所述探测器晶体的上下端面之间设置有聚四氟乙烯垫片。

13.如权利要求12所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述高气压晶体保护室内设置有分子筛。

14.如权利要求13所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述高气压晶体保护室盖帽上设置有用于对所述高气压晶体保护室填充高压高纯惰性气体的充排气管。

15.如权利要求14所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述高气压晶体保护室外包围一层绝缘保护膜。

16.如权利要求15所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述真空室内设置有分子筛和吸气剂离子泵。

17.如权利要求16所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述真空室外壳上设置有用于连接真空泵进行抽真空的抽气孔。

18.如权利要求17所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述高气压晶体保护室外壳的下端沿设置有台阶，所述高气压晶体保护室盖帽放置在所述台阶上，将外径比楔形压环的外径稍大的O型圈套在所述楔形压环上，紧压于所述高气压晶体保护室盖帽，从而实现所述高气压晶体保护室外壳和所述高气压晶体保护室盖帽之间的密封。

19.如权利要求18所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

所述真空室的所有密封都采用楔形压环和O型圈相挤压的方式密封。

20.如权利要求19所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

所述电路封装室筒壳和所述电路封装室盖帽之间的密封以及所述电路封装室盖帽和所述金属冷指筒套之间的密封都采用楔形压环和O形圈相挤压的方式密封。

21.如权利要求20所述的便携式低温半导体探测器装置，其特征在于，

在所述电路封装室内充有高压惰性气体。