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。     

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。     

4H-SiC电流型探测器对~(60)Co源γ射线的响应研究

为研究4H-SiC电流型探测器对γ射线的探测性能,采用4H-SiC制成肖特基二极管,并利用60Co源形成的强γ辐射场研究其对γ射线的响应特性及其影响因素。实验结果表明,当外加反向电压为195 V时,4H-SiC探测器漏电流仅为11.4 pA/cm2,远低于Si基探测器漏电流。当4H-SiC探测器置于强γ辐射场时,由γ射线导致的信号电流为249 nA,比本底信号电流大5个量级。同时4H-SiC探测器在零偏压时也能对γ射线产生明显的信号,均值电流为85 nA。随工作电压增大,4H-SiC探测器的γ响应随之增大。结合4H-SiC探测器体积小、响应快、耐高温和耐辐照等特点,可将4H-SiC探测器用于强钴源点注量在线监测等方面。     

基于4H-SiC肖特基二极管的中子探测器

针对当前极端环境下耐辐照半导体中子探测器的需求,采用耐高温、耐辐照的碳化硅宽禁带半导体材料,利用⁶Li(n, α)³H核反应原理,研制了基于4H-SiC肖特基二极管的中子探测器。利用磁控溅射完成中子转化层的制作,并用SEM表征⁶LiF膜厚。在10～600 V反向偏压下,漏电流维持在6.4 nA以下,表明探测器具备良好的半导体-金属肖特基整流接触。利用²⁴¹Am源研究探测器对5.486 MeV的α粒子的响应,测得分辨率为4.5%。同时,利用该探测器测量了由临界装置产生并经石蜡块慢化后的热中子,观测到热中子与⁶Li作用产生的α和T粒子信号的实验结果。     

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。     

硅PIN光敏二极管探测X、γ射线的性能及应用

介绍了硅PIN光敏二极管和电荷灵敏前放组成的X射线探测器和配合CsI(Tl)晶体构成的γ射线探测器的性能和测量结果,同时研究了光敏二极管探测器能量分辨率的温度特性。测量X射线时,在-10℃下对241Am的59.5keV射线的能量分辨率为4.8%;用PIN光敏二极管配合10mm×10mm×10mm的CsI(Tl)晶体测量γ射线时,在20℃下对137Cs0.662MeVγ射线的能量分辨率为9.9%,60Co的1.332MeVγ射线的能量分辨率为6.4%,-10℃下的能量分辨率分别为8.7%和6.3%。     

碳化硅与硅探测器辐射探测性能比较

碳化硅(SiC)材料因其禁带宽度大、晶体原子离位能高等物理特性,而被视为制作耐高温和抗辐射器件极具潜力的宽带隙半导体材料。本文采用Geant4模拟得到了30μm厚的SiC和Si材料对不同能量的电子、质子、α粒子以及X射线的响应,并对SiC和Si探测器器件的I-V特性和能谱测量结果进行了比较。仿真及试验结果证明,SiC粒子阻挡本领及X射线探测效率与Si探测器相当,SiC与Si探测器对带电粒子的能谱分辨率也没有明显差别。     

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。     

制备高分辨率Si(Li)X射线探测器的进展

Si(Li)半导体探测器对低能X射线具有能量分辨率好、探测效率高、输出脉冲正比于入射光子能量等特点,故已日益引起人们的兴趣。为使Si(Li)探测器有更高的能量分辨率,制造者正努力研究工作在低温的探测器和前置放大器。一般的Si探测器都有一个耗尽层范围,这个耗尽层是对射线灵敏的部分,它的厚度ω可表示为ω=0.3(ρν)~(1/2),这里ρ是使用的P型材料的电阻率,ν,是加到探测器上的反向偏压,由前式可知,用10000Ω/cm的材料,加200V偏压,也只能得到0.4mm厚的耗尽层,这种厚度对测量X射线显然是太薄了,即使是     

Si-PIN核辐射半导体探测器性能测量研究

为解决金硅面垒半导体探测器存在的漏电流较大、表面不可擦拭、受环境影响严重、使用稳定性较差等缺点,开展性能更优异的Si-PIN核辐射探测器研究具有十分重要的意义,可推动α、n、裂变碎片能谱测量等技术进步。论文介绍了离子注入与平面工艺相结合制作Si-PIN探测器的方法,对灵敏面积为20 mm×20 mm的Si-PIN探测器主要开展了I-V、C-V电学特性参数测量研究,开展了Si-PIN探测器对226Ra源α粒子的能量分辨率、能量线性响应研究工作。当反向偏压为2 043 pF时,探测器全耗尽时的漏电流为40nA、结电容为43pF,对α粒子的最佳能量分辨率为0.68%,探测器线性响应良好。     

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。     

基于超高分辨γ射线探测器的蒙特卡罗模拟

能量分辨率是γ射线探测器关键技术指标之一,直接关联γ射线全能峰的尖锐程度、分离程度,从而影响全能峰被识别、区分的能力。提高γ探测器的能量分辨率,是γ探测器发展的一个重要方向,近年发展起来的超高分辨γ射线探测器,能达到25 e V@103 ke V的能量分辨率,其相对目前能量分辨率最好的高纯锗探测器的能量分辨率高一个数量级,因此超高分辨超导γ射线探测器成为了一大研究热点。为了推动超高分辨率γ探测器关键技术的实验研究,利用MCNP5采用了不同能量的射线源、不同规格的吸收体以及不同的支撑环境对超高分辨超导γ射线探测器的探测结果进行了模拟。这些模拟对于探测器的模型优化以及谱仪的设计有重要的指导作用。     

GaN肖特基核辐射探测器对X射线的响应时间特性研究

通过制作大面积GaN肖特基X射线探测器,研究了GaN肖特基探测器对X射线的时间响应特性。实验采用Fe掺杂的高阻自支撑GaN片来制备器件,对不同偏压下的时间响应进行了测试。针对所测得的实验结果,对其内部机理进行了分析,提出了1个GaN肖特基探测器对X射线照射下的时间响应的理论模型,得到非常好的拟合结果。实验发现,由于高阻层的存在,GaN肖特基探测器具有很高的信噪比,即使在可能的光淬灭效应的影响下,探测器在200V反向偏压下的信噪比仍可达到80左右。     

LaBr_3(Ce)闪烁体APD前端读出设计

本文以雪崩光电二极管为小体积Labr_3(Ce)闪烁体的光电读出器件,并设计低噪声电荷灵敏前置放大器与雪崩光电二极管进行匹配组成完整前端探头,可应用于便携式小体积能谱仪中。雪崩光电二极管的增益、暗电流和结电容易受两端偏置电压影响,而这些特性的变化将影响能谱的读出效果。为此在不同的偏置电压下,测试了该探头组成的闪烁探测器的能量分辨率。当偏置电压为380 V时,对能量为662 keV的γ射线的最佳能量分辨为3.97%。     

GAGG:Ce探测器与NaI:TI探测器性能比较

研究了封装反射层材料对GAGG:Ce探测器光收集的影响,同时与Na I(TI)闪烁体探测器进行了详细的对比性实验,用137Cs、60Co标准源测量了γ能谱,对GAGG:Ce与Na I(TI)闪烁体探测器的温漂、能量线性及能量分辨率等性能指标重点进行了讨论。结果表明:GAGG:Ce探测器随温度漂移变化程度较大;能量线性好,线性相关度r为0.9999;对662 ke V的γ射线能量分辨率为7.8~8.0%。     

微结构半导体中子探测器研制

微结构半导体中子探测器具备探测效率高、响应时间快、体积小等优点,性能相对传统平面型半导体中子探测器有本质提升。采用蒙卡方法分析了器件微结构参数对沟槽型微结构探测器的性能影响规律,并结合工艺条件制备出沟槽宽度26μm,沟槽间距13μm,沟槽深度22μm,灵敏区面积1.8×1.8 cm~2的微结构探测器。该探测器在10 V的反向偏压下,漏电流仅1.24×10~(-7)A/cm~2,优于国外研究组报道的漏电流特性。利用同位素α源开展了带电粒子探测性能测试,所制备微结构探测器可实现241Am源α粒子探测。在外加0 V偏压时,微结构探测器即可获得与电子学噪声区分明显的241Am源α粒子能谱。本工作证明了微结构探测器对带电粒子具有良好的探测性能。     

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。     

新型雪崩光电二极管和CsI（Tl）晶体组成的闪烁探测器

本文介绍Ｓ５３４５型雪崩光电二极管用于ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体光信号的读出，测量了γ射线的能谱，对应于＾２２Ｎａ的１．２７ＭｅＶ的入射能量，得到６．８％的能量分辨率。并对能量分辨率与光耦合面积及晶体尺寸、成形时间、偏压的关系等进行了测量。将雪崩光电二极管和ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体组成一种新型的闪烁探测器的实验研究这在国内尚属首次。     

金-硅面垒型半导体探测器

本文扼要地叙述了金-硅面垒探测器的制备工艺过程,并对此探测器的各种性能,包括伏安特性、势垒电容、噪声、对Po~(210)源α粒子的响应讯号、能量分辨率、温度效应和γ辐照效应等方面作了比较系统的测量。对结果进行了讨论。同时利用测得的结果探讨了一些探测器本身的半导体性能,如平均电离能ε_0和材料的寿命τ等。最后介绍了用表面复盖有硼膜和铀层的这种探测器记录中子的情况。     

平面型CdZnTe探测器的能谱特性模拟

CdZnTe(CZT)探测器是一种高原子序数的化合物半导体探测器，具有体积小、探测效率高、可在常温环境使用等特点，广泛应用于X、γ射线探测领域。为了更好地研究CZT探测器能谱特性的影响因素，通过Geant4软件建立探测器几何模型，模拟计算CZT晶体的本征探测效率和吸收率；根据Hecht公式计算电荷收集效率，通过收集晶体中的沉积能量和位置信息得到γ射线能谱；通过分析晶体的物理特性，探索其对探测器性能的影响。模拟计算结果表明：电荷收集不完整是影响探测器能谱性能的重要因素，当能量低于50 keV时，γ射线谱基本不受空穴尾迹的影响，而能量在50～100 keV的γ射线能谱受空穴尾迹的影响较为明显，高于100 keV的γ射线能谱受空穴尾迹的影响逐渐加重。通过增加偏压的方式可以降低空穴尾迹对能谱的影响，同时偏压的增加会使峰位产生偏移，偏移程度受最大电荷收集效率的影响。