2.3半导体探测器 2.3.1半导体探测器工作原理 半导体探测器是20世纪60年代以后迅速发展起来的一种新型核辐射探测器。半导体探 测器的1作原理和气体电离室的十分相似。 半导体探测器两电极之间加…外电压(工作电压),电压的方向必须使半导体探测器得到 反向偏置,故称反向偏压:半导体探测器多为PN结型,加反向偏压即在PN结的P边相对于 N边为负电压,这样就只有P型半导体中的本征电子和N型半导体中的本征空穴(称为少数 载流子)在电场作用下能通过结。由J少数载流子浓度低,所以反向电流很小。PN结区(为 探測器的灵敏区)在没有核辐射入射时由于载流子很少,其绝缘电阻很大,漏电流就很小。 带电粒子进入半导体探测器灵敏区后;与半导体相互作用,使半导体的原子电离而产生的 电f和空对数月(初电离)为: (2-43) 式屮:E为带电粒子在灵敢区损失的能量;v:为半导体的平均电离能(半导体的W随温度而 变,见表22)。灵敏区的电子和空穴在电场作用下分别向两电极漂移,从而在半导体探测器 输出电路上形成电压脉冲,其最大脉冲幅度为 (2-44) 式中:“为堪本电付;(为探测器输出电路电谷(包括分布电容,前置放大器输人电容和大敏区 结电容).若灵敏区闻积为S,半导体介电常数为∈o,则灵敏区电容为: 01(F 为使半导体探测器输出稳定,输出端接电荷灵敏前置放大器。电荷灵敏前置放大器的输 人电容C∴大!稳定,避免了(随探测器工作电压变化的影响。所以(2-41)式中的C=(1+ 表2-2几种半导体材料的基本特性 ,n子1介电度带宽度平约电离能1少数俄流件装1迁移率 序数常数|g 子寿命 长度 0.665(300K)12.80(300K 15 390 0.74(77K);2.96(77K) 16(77)|3.76(77K) 1.12(300K)1362(300K) Cd fel 48 52 1.45 .46 6 100 ICO (aAs33312.55.30 1.45 4.35 8s00
上述表明半导体探测器的工作原理类似于电离室,但它比电离室有一些明显的优点:1)半 导体的密度比气体密度大许多(三个数量级),半导体探测器和电离室输出同样大小脉冲时,半 导体探测器体积可小许多。2)半导体的平均电离能(约3cV)比气体的平均电离能(约30eV) 小-个数量级,带电粒子在半导体探测器内损失同样的能量产生的电了一空穴对要多得多,电 子一空穴对的统计涨落小得多,半导体探测器的能毚分辨率罗好得多。 2.3.2PN结型半导体探测器 将掺均匀杂质浓度的P型半导体和N型半导体直接接触(距离小于107cm的热力学接 触)而组成的探测元件叫做PN结型半导体探测器。直接结合在起的P型半导体和N型半 导体,由于热运动,载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方扩散,即电子从N区向P区扩 散,空穴从P区向N区扩散,扩散中电子和空穴中和,形成电子一空穴对数目大大减少的PN 结区(也叫耗尽风) 在没有外加电场时,结区形成了内建电场,该内建电场阻止电子、空穴进一步扩散。当外 加反向偏置电压时,由于N结区载流子很少,电阻率很高,反向偏压几乎仝部加在结区范围c 入射粒子射入结Ⅸ后产生的电子一空穴对在外加电场作用下分别向两极漂移,」是在输出回 路中形成输出倍号 FN结型探测器一般都用半导体硅材料做成,硅的禁带宽度为1.12cV,比的大,室温下 漏电流小,使用时可以不用低温冷却。根据PN结制造方法的不同,叮以分为而垒型和离f注 入型N结半导体探测器。 常用的面垒型探测器是金硅面垒探测器。如图29所 般用N型硅单品作基片,表 面经过酸处理后,暴露在空气中,表面会形成…层氧化层,然后在真空中,在灵敏面上镀-薄层 金膜(约10m),靠近金膜的氧化层具有P型砖的特性,并在与林片交界面附近形成N结, 在棊片的背面镀们镍或铝作欧姆接触引线,接电源的正极欧姆接触电极即是两种电荷都可 以流过的不整流电极。金膜与铜外壳接触,接电源的负极·镀金面作为待测核辐射的入射面 称为人射窗,其窗厚金层厚度和末耗尽层(乂称死层)组成:ˉ般情况下金硅面全探测器苁 敏区厚度d≤1mm目前纯度最高的硅,其电阻率PN=105g·cm,当加编置电压为300V 升「 N 四,型 图29金砷面垒型探测器示意图 在小总图 b)结构图 1—作;一金膜:3—戊铝斅:4—铜壳;5—聚四氮<烯垫片:6-聚四吣乙烯环;γ—-刨吽
时、d≈5.5mm因此,金面垒探测器主要用于测量带电粒f能谱。较厚的才可探测低能Ⅹ 射线。 面垒型探测器在制造1艺土不涉及高温,探测器材料能保持原来的良好性能,噪声低,能 线性好,能量分辨率高,入射窗薄,易于制造面积较大且均匀的灵敏区,结构简单,操作方便。 2.3.3锂漂移型半导体探测器 門N结型￥导体探测器的个缺点是灵敏区厚度很难达到2mm以上、它在探测重带电 粒方而有着广泛的应用,但对于穿透力很强的γ射线就不适用了。锂漂移型半导体探测器 可以很好地解决这个问题,它的灵敏区厚度可以达到10mm以 锂漂移型半导体探测器的灵敏区是这样形成的:用P型硅或锗作基体,在基体的-·面蒸 镀层金属锂,锂在硅和锗中的电离电位很低,在室温下锂是离化的。通过锂离子(半径<品 格间隙)扩散进人基体。在合适的外加电场作用下,锂离子向半导体内部漂移,最后在半导体 内部的段区域形成了电阻率很高的本征层,叫做本区,用I表示。在锂离子未漂移到的区 域内,仍为卩型材料,锂镀层为N区,这样就构成了·个P-Ⅰ-N结构的锂漂移型半导体探测 器,所以也叫PIN型半导体探测器 钾漂移型半导体探测器按其基质材料叮以分成两类:锂漂移锗探测器〔(Li)和锂漂移砫 探测器Si(Li),习惯上称为诸锂和硅锂探测器。 锗的禁带笕度较小,常温下热激发产生的载流子较多,反向电流较大,噪卢较大,所以 ic(Li)探测器必须持续地在低温下储有和工作。又由于(的表面态影响比较严重,将使表 面电流增大,探测器必须保持在压力低于1.33224×103Pa的真空条件下。实际应用的(式 (L)探洲器都是密封在真寳低温恒温器中,低温怛温器与装饣杜瓦瓶中的液氮接触。杜瓦瓶 的尺小和质量都远大于探测器本身,丙此移动很不方便。现在Ge(i)已被HP取代。 硅材料的华导体禁带宽度较大硅的热致漏电流在任何给定温度下都比锗的小、Si(Li) 探测器在常温下保存,使用时为捉扃能量分辨*放賢在液氮温度下。硅材料产生…个电子 对所的平均电离能炇法诺闵子和锗的大致相同,因此载流」数的阈有统计涨落对能 量分辨来的贡献与锗的人致相同,閃此,用冋样的电子学线路,硅探测器的能量分辨率较好。 砟的原子序数铰低,Si(I)探測器是低能Ⅹ和γ射线能谱学中最常用的探测器 锂澐移探测器按其几何形状可以分为孓面型和冋轴型(图2-10).平面型火敏Ⅸ的电 场强度是均匀分在的 (2-46 式中:V为探测器所加的1作电压;d为灵敏区(即本征区)厚度。灵敏区也容出(2-45)式给 出!对冋轴型,火敏区内半径r处的电场强度为 (r)=V[rn()」 (2-47) 足敏区电容为 (-2in(2/5×32×10 (2-48) 以各式中(;单位为F,1为未补偿的P芯半径,r2为本征区外半径,为本社区长度,单位
为cmεo为介电常数。锂漂移型半导体探测器的输出电压脉冲幅度最大值由(244)式给出。 输出 N 双端同轴 a 图2-10锂漂移型半导体探测器基本结构示意图 a)平面型;b)同轴型。 2.3.4高纯锗(H(e)探测器 高纯锗探测器是在20世纪70年代研制出来的一种新利半导体探测器。这种探测器本质 上也是IN结型半导体探测器。由于口前高纯铸的杂质浓度可以降低到(10-10)原子/cm (这就是髙纯锗之意),相应的电阻率很高,使偏压不到1000V时耗尽深度就可以达到 10mn,所以可获得较大的敏体积。 高纯锗探测器的基体叮以是P型高纯铛,也叮以是N型高纯锗。现在以P型高纯锗作基 体为例釆说明髙纯绪探测器灵敏区的形成:在P型锗的·面蒸发…层锂,经过短时间升温扩 散使形成N层(上角标“+"号表小重掺杂).从而形成NP结,因为N区杂质浓度远高于P 区杂质浓度,所以探测器的结区(即灵敏区)主要在P区。在P型锗基体的另·面用离子注入 技术形成P’触点或真空金形成金属一半导体面P接触,这样就构成了N′-PP+基木结 构通常P为入射面(见图2-11)探测器反向偏置即N面加上较P‘为证的电位,耗尽区从 丶始随电压的升高进一步延伸到卩区。当电压加到足够高时,探测器全耗尽,灵緻区从 N‘触点·直延伸到P触点。通常把偏压加-个增量,即使用“过偏压”使整个探测器各处的 电场都蹭加·个常逯。如果过电压加得足够高,使得最低电场处也能使载流子的速度达到饱 和,便川以缩劁载流子的收集时间,减少复合和俘获效应对能量分辨率的影响。 图2-11可以看出高纯锗探测器和锂漂移型探测器一样,可以根据其结构特点分为平面 型和同轴型问轴型的灵敏体积叮以做得较大,适合于探测能量较高的γ射线能量。平面型 HP(探测器的输出电压脉冲和同轴型HPGe探测器的输出电压脉冲幅度最大值都由(2-44) 式给出,敏电容分别由(2-45)和(2-48)式给出 平而型高纯铑探测器灵敏区厚度·般在5~10mm,可以用于测量E<220MeV的a粒 ,E<60MV的质子,E<10MeV的电子和能量300kV<E的低能X和γ射线。问轴型 HH(c探测器敏体积可达约400cm3,用于E<10MeV的γ射线能量测量
至负高压 卤垒或注入 至负高压 本征表面- HPGe HIPGe N(键扩数 N(锂扩散 N(扩散) 至高压 P-HPGe N-HIPGe 至前放 N(锂扩 图2-11H探测器基本结构示意图 a)平面型H探测器 b)同轴型HPYκ探测器的几种几何形状 1)般平间型;2)沟槽式平面型:3)P型回轴型;4)型同轴型 2.4闪烁探测器 闪烁探测器是利用某些物质在核辐射作用下会 发光的特性探测核辐射的。这些物质称为效光物 质或闪烁体。光电器件(常用光电器件为光电倍增 管,射线强时用光电管)将微弱的闪烁光转变为光 2 电子,光电子经多次倍增放大后,输出一个电脉冲, 这种主要由闪烁体和光电器件组成的装置叫做闪 探头“ 烁探测器,其探头组成如图2-12所示 闪烁探测器输出脉冲幅度较大,为了阻抗匹 图212闪烁探测器组成示意图 配,通过射极跟随器(也装在暗盒中)由电缆将信号1-反射层;2—烁体;-硅油;4光导;5—光电倍增 传输给电子学仪器。 管;-分压器;7—高压电源;8—电子学仪器;9…-晴盒