多通道Si-PIN探测器漏电流测量系统的设计和实现

中能望远镜是硬X射线望远镜卫星三大载荷之一,其探测器采用的是大面积Si-PIN探测器阵列。探测器的漏电流是影响X射线谱仪能量分辨率的一个关键因素。中能望远镜项目组在研发Si-PIN探测器的常温筛选环节中,将探测器漏电流作为一项重要考核指标。为了对探测器漏电流实现高精度、快速的测量,研制了多通道Si-PIN探测器漏电流测量系统。测量结果表明,使用该系统得到的漏电流结果精度较高,可直接应用到项目研制中去。     

基于Si-PIN探测器的电流型计数式α粒子测量

为解决基于Si-PIN探测器的传统计数型粒子测量系统在测量低强度脉冲辐射场时存在的计数率低和不能直接测量粒子时间信息的问题,提出了电流型计数测量方法。其原理是对电流型Si-PIN探测器在粒子入射时输出的脉冲信号进行线性放大和高速数字化,并使用数字信号处理算法进行数据分析以获得粒子测量信息。利用电流型Si-PIN探测器、电流型前置放大器和高带宽数字示波器组建了电流型计数测量系统,并在241 Am-244 Cm和239 Pu源上开展了α粒子测量实验。实现了脉冲幅度谱和粒子入射时间的联合测量,同时利用FIR及IIR型数字滤波器改善了能谱测量的能量分辨率。系统的最大计数率达2×106 s-1,适用于低强度脉冲辐射场测量。     

碳化硅热中子探测器的优化设计

采用MC法对用于热中子探测的碳化硅探测器开展设计。优化了中子转换层参数和半导体器件参数,研究表明采用~(10)B作为中子转换材料,其最优厚度为2μm,在系统甄别阈为300 keV时对应的探测效率理论值为3.29%。制备了碳化硅外延层厚度20μm,灵敏区面积5 mm×5 mm的碳化硅器件,在外加反向偏压达180V时,其漏电流仅20.8 nA。性能测试表明:该器件对4.7-6.0 MeV的α粒子具有极好的能量线性,其线性度达0.999 97。对5.49 MeV的α粒子的能量分辨率为1.03%,对应半高宽57.3keV,与SiC高分辨α探测器分辨率相当。     

高温下4H-SIC α探测器的性能研究

制成了基于4H碳化硅(4H-SiC)二极管的4H-SiC探测器,研究了室温～200℃下该探测器的IV特性,同时研究了该温度范围内4H-SiC探测器对α粒子的探测性能,获得了该探测器测得的α能谱及其半高宽和能量分辨率随温度变化的规律。探测器的正向电流值随着温度上升而逐渐增大,开启电压逐渐减小;当反向偏压一定时,在温度大于100℃时探测器的漏电流随温度迅速增加。但在温度为200℃和反向偏压为70 V的条件下,探测器的漏电流仅为190 nA。在室温～200℃范围内,4H-SiC探测器均具备α粒子探测能力。所得能谱的峰值随温度增加而增大,变化幅度相对于峰值小于1%;环境温度为200℃时,探测器的能量分辨率可达1.86%。本研究结果表明,4H-SiCα探测器具有良好的耐高温能力。     

大面积平面工艺Si带电粒子探测器研制

叙述了用平面工艺技术制备大面积Si带电粒子探测器的工艺方法.为了减小探测器的漏电流,采用了表面钝化技术.文章分别给出了厚度300μm、灵敏区直径20mm以及厚度500μm、灵敏区直径40mm探测器在室温下漏电流测量结果,以及探测器在室温条件下对241Am 5.486Mevα粒子的能谱响应测量结果.     

偏置电压对Si-PIN探测器的性能影响

偏置电压对Si-PIN型半导体探测器将产生两方面的影响.偏置电压越高,结电容越小;另一方面,偏置电压越大,探测器的漏电流就越大.而探测器的结电容,漏电流是影响谱仪系统能量分辨率的最重要的因素.结合一些实验结果,从两个方面来讨论偏置电压对于由Si-PIN探测器构成的X射线谱仪能量分辨率的影响,以及探测器偏置电压的合理选取原则.     

双面硅条探测器的研制与测试

研制了双面硅条探测器。探测器灵敏面积为48mm×48mm,厚约300μm,结面和欧姆面的硅条互相垂直,均由相互平行、宽度相等的48条组成,每条宽0.9mm、间距0.1mm。对其电气特性(耗尽偏压、反向漏电流、条间电阻)和探测特性(上升时间、能量分辨、条间串扰)进行了测试。在偏压为-15V时,各条平均反向漏电流小于10nA。对于从结面入射的5.157 MeV的α粒子,前放信号上升时间约45ns,结面各条的能量分辨率约0.6%~0.7%,基本无条间串扰;欧姆面各条能量分辨率较差,存在条间串扰。     

平面工艺Si-PIN低能X射线探测器研制

叙述了用平面工艺技术制备Si-PIN低能X射线探测器的工艺方法.为了减小探测器的漏电流,采用了表面钝化和保护环技术.文章给出了厚度500μm,灵敏面积分别为5 mm2、10mm2的不同探测器在室温下漏电流测量结果以及5mm2的探测器在室温及温差电致冷条件下对55Fe5.9keV X射线的能谱响应测量结果.     

4H-SiC肖特基二极管α探测器研究

碳化硅(SiC)是一种具有优良物理性能的宽禁带半导体材料,可作为探测器的优良探测介质。用241Am源5.486 MeV的α粒子研究4H-SiC肖特基二极管α探测器的能量分辨率和信号相对上升时间等特性。在真空室中,使SiC探测器暴露在α粒子下,SiC探测器输出良好的响应信号。SiC二极管对5.486 MeVα粒子的能量分辨率最佳可达3.4%;经前置放大器FH1047输出和示波器观测,脉冲幅度随偏压增加而稳定在(35.39±0.21)mV;脉冲上升时间随偏压增加而稳定在(137.87±9.44)ns。4H-SiC肖特基二极管对α粒子响应良好,可用于α粒子强度测量。结合SiC耐辐照、耐高温等特性,进一步改进后有望制成分辨率更高、上升时间更快、耐辐照的新型α探测器和中子探测器。     

大体积CsI-SiPINγ计数探测器系统的研制

2008年度完成了探测器制备工艺的改进,研制了50、100mm。全耗尽SiPIN光电二极管样品。从漏电流测量结果看,探测器在全耗尽电压100V时,漏电流为8．9nA,可满足要求。对新研制的100衄n2全耗尽SiPIN光电二极管与不同形状的CsI晶体进行了光学耦合。对封装好的CsI—SiPINγ探测器进行了对137Cs661keVγ射线的能谱响应测量,同时测量了本底噪声谱,得到了能量下限为170keV。     

硅位置灵敏探测器

半导体位置灵敏探测器是探测带电粒子位置的一种探测器,它具有位置分辨率和能量分辨率高、线性好的优点。在核物理实验和研究工作中——鉴别粒子,角度校正,核极化测量,裂变碎片和重离子的测定以及衰变反冲物的角分布测量等方面得到了广泛的应用。国外研制这种器件的单位较多。目前已达到的水平为:在器件整个长度上满刻度的线性为1%;位置分辨率为0.1毫米;能量分辨率对5.486兆电子伏的α粒子半宽度为50千电子伏;几何尺寸为30×8,40×8,50×8毫米~2。我们所研制的硅位置灵敏探测器见图1。     

4H-SiC探测器对强激光等离子体下反应产物的测量

研制了一款采用PCB(Printed Circuit Board)板封装、直接信号波形采样引出、用于激光等离子体飞行时间测量的4H-SiC探测器,探测器灵敏面积5 mm×5 mm,灵敏层厚度80μm,全耗尽电压为350～600 V。利用标准α源和强激光反应产物对4H-SiC的性能进行了测试:标准α源(~(228)Th,~(226)Ra)的能量刻度表明,4H-SiC探测器具有良好的能量线性响应,能量分辨率达到1.19%@7 666.75 keV,具有2～3 ns的快时间响应和飞行时间离子甄别的功能,是用于强激光等离子体反应产物的离子诊断和能量测量的有力工具。     

用于高分辨率Si-PIN探测器的低噪声电荷灵敏前置放大器的设计

介绍了一种用于高分辨率Si-PIN探测器的低噪声晶体管反馈电荷灵敏前置放大器的设计。在场效应管制冷到-20℃,成形时间为6μs条件下,前放的零电容电子学噪声(对Si探测器)为150 eV。与平面工艺技术制备的厚度500μm,灵敏面积5 mm2的Si-PIN探测器配用,采用小型温差电制器制冷至-20℃,对5.9 keV X射线的能量分辨率(FWHM)最好可以达到195 eV。     

平面工艺空间带电粒子探测器的研制

描述了用平面工艺＋离子注入技术制备新型空间带电粒子探测器的工艺技术及器件的特性。探测器的灵敏层厚度为100、300、450和1000μm,灵敏面积为φ8和φ12mm等不同规格。在全耗尽偏压下,得到典型的反向漏电流范围为0．57～10．11nA,典型的能量分辨率为0．69％～0．86％（对^141 Amα粒子）。在60℃高温下,器件的性能变化在空间应用的允许范围之内。     

硅多条两维位置灵敏探测器的研制

描述了用平面工艺技术研制基于硅多条的两维位置灵敏探测器的制备工艺技术及性能测试初步结果.这种探测器的灵敏面积为50 mm×50 mm.P掺杂面被等分成相互平行的长度为50mm,宽度为3mm的16条,相邻条之间的间隔为100μm.硅条P掺杂层是一层均匀分布的电阻层,利用电荷分除法,可以得到入射粒子在该条上的位置(Y位置).当探测器工作在全耗尽偏压下时,大部分单条的反向漏电流＜30nA.对239Pu α粒子得到能量分辨率＜2.5%,位置分辨＜0.5 mm.     

硅光伏探测器探测α粒子研究

采用蒙特卡罗方法计算了硅光伏探测器探测α粒子的能量分辨率等参数,通过实验测得了其α谱和探测效率。实验表明,硅光伏探测器对α粒子具有较高的探测效率和能量分辨率,受β、γ射线影响小,非常适合用作α粒子探测器。     

测量放射性气体氙同位素的Si-PIN β探测器研制

大气中的放射性氙是全面禁止核试验条约组织重点关注的监测对象,提高放射性氙同位素的探测灵敏度和测量准确度是目前全面禁止核试验条约监测领域研究的前沿课题。本文研制了一种采用Si-PIN半导体制作的测量放射性气体氙同位素的β探测器,其对¹³¹Xe^m的129 keV内转换电子的能量分辨率达11.2%,远优于塑料闪烁体的能量分辨率;氙记忆效应非常小,仅为0.08%。Si-PIN β探测器的优异性能将提高氙样品测量分析的核素识别能力和测量准确度。     

一种新型气体探测器的研制

加速器质谱(accelerator mass spectrometry,AMS)技术因探测对象不同,探测器也应根据需要进行选择。为建立低能量重离子加速器质谱测量技术,本文设计制作一台新型气体探测器并调试应用。该探测器采用厚度50 nm,膜面积8 mm×8 mm的氮化硅膜作为入射窗。采用5.48 MeV的241Am源的α粒子对探测器进行调试,调试后将该探测器安装于中国原子能科学研究院的300 kV小型AMS系统上进行129I粒子测量。经模拟计算以及对探测器的调试、应用,证明该探测器具有较高的能量分辨率,可以很好的实现不同粒子的鉴别,同时测量灵敏度可达到10^-13国际水平,满足低能量重离子的测量要求。     

等离子氧化面垒探测器的研制

本文报道了一种制备面垒探测器的新工艺——等离子氧化工艺。初步的实验结果表明,探测器制作周期短、性能稳定、制作重复率高。灵敏面积直径为20mm的探测器(电阻率1000Ωcm)在室温下对α粒子的能量分辨率为0.7％(~(241)Am(α))。     

YAP伴随α粒子探测器的研制

研制了一种可安装于D-T中子发生器内的伴随α粒子探测器.该探测器选用直径30 mm、厚0.5 mm的掺铈铝酸钇(YAP:Ce)闪烁体,可密封于D-T中子发生器内.采用蓝宝石玻璃作耐高温光学法兰,粒子在YAP闪烁体中产生的光信号经过蓝宝石玻璃传到光电倍增管光阴极上.光电倍增管阳极输出α粒子的电脉冲信号.探测器输出负信号的前沿下降时间约为6 ns;对241Am 5.486 MeV α粒子的能量分辨率约为5.4％.在高压倍加器用作D-T中子源时,在15 kcps计数率下,该探测器对3.5MeV伴随α粒子的能量分辨率约为27％,峰谷比达到10:1.YAP闪烁体及蓝宝石玻璃经8 h400℃烘烤后,该探测器的时间性能和能量分辨性能未发生改变.实验表明研制的探测器满足了密封D-T中子发生器的制造工艺要求,可安装于小型D-T中子发生器内用作伴随α粒子探测器.