几种新型半导体探测器及应用

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DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.21.142

几种新型半导体探测器及应用①

韩雪1 刘斯禹1 郭天超1 高瑜2 郭天飞2

(1.中国石油大学(华东)理学院 山东青岛 266580;2.山东科技大学电气与自动化工程学院 山东青岛 266590)摘 要:最近几年,新型半导体探测器如电致冷半导体探测器、硅微条、微结构半导体中子探测器等在核物理领域发展很快,应用范围很广。该文介绍了电致冷半导体探测器、硅微条、微结构半导体中子探测器等新型半导体探测器的结构、原理及优点,简要阐述了其发展现状和应用前景,还举例说明了这几种新型半导体探测器在核医学、高能物理等领域的应用。关键词:半导体探测器 中子探测器 硅微条 电制冷中图分类号:TL814

文献标识码:A

文章编号:1672-3791(2016)07(c)-0142-02

随着高能物理、核医学等核事业的不断发展,气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器等核探测器和探测技术也有了崭新的进展。以半导体材料为探测介质的辐射探测器半导体探测器也有很大发展。最通用的半导体材料是锗和硅半导体探测器,其基本原理与气体电离室相类似,故又称固体电离室。在此基础上研究出的新型半导体探测器如硅微条、Pixel、CCD、硅漂移室等已被广泛应用到除高能物理、天体物理领域以外的核医学、光学成像、军事等领域。半导体探测器已被世界各大实验室广泛应用。

一般来说,半导体探测器比气体探测器和闪烁计数器的能量分辨率强很多,这是其结构特点导致的,半导体探测器有两个电极,当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区域时,就会产生电子-空穴对。在探测器两极加上一定的偏压后,电子就向两极作漂移运动,收集电极上会感应出电荷,从而在外电路形成信号脉冲。而且,在半导体探测器中,入射粒子产生一个电子－空穴对所消耗的平均能量为气体电离室产生一个离子对所消耗的1/10左右,因此,半导体探测器的能量分辨率较气体电离探测器强很多。除能量分辨率强之外,新型半导体探测器还有很多优点,如:位置分辨率强、响应时间快、体积小等特点,也正是由于这些优点,将为国际新型高效率探测器的广泛应用奠定基础。

硅微条半导体探测器可根据其读出信号分布不同,分为单边读出和双边读出硅微条,都是利用p-n结的一些特征研制成的。据有关文献介绍,1994年,Peter Weilhammer等[4]在DUT的实验中,测得硅微条探测器的空间分辨率达到了1.4μm。随即,Straver等[5]采用25μm微条间隙的硅微条探测器,粒子入射方向垂直于探测器表面,得到的空间分辨率为1.25μm.在此基础上,中国科学院近代物理研究所杨磊等[2]进行了AC耦合硅微条探测器的研制实验,证明了硅微条探测器有很高的能量分辨率和位置分辨率、很宽的能量线性范围、较快的时间响应等诸多优点,还说明了AC耦合硅微条探测器比DC耦合有明显的优越性,抗辐射性能好。可见,从目前形势来看,AC耦合硅微条探测器的具有产业化特点已相当明确。

2 电致冷半导体探测器的结构及应用

电制冷半导体探测器采用不同于传统的气体压缩膨胀致冷、磁致冷等制冷原理,而是采用热电制冷的方法。其制冷原理是利用在一块N型半导体和一块P型半导体结成电耦回路上街上直流电源,当电流流过时电偶发生能量转移,而发生放热或吸热现象,产生制冷或制热。将这些电偶元件串联起来达到单机制冷器件的级联就具有了良好的制冷效果。美国采用磁制冷效果研发了电制冷半导体探测器XR-100CR,如图1所示。该探测器已经成功应用于

1 硅微条探测器的结构及应用

在20世纪80年代,随着微电子工艺能力的提高和核物理实验的要求,探测条可以做的非常小(20～100μm),即硅微条探测器[1]。硅微条探测器除了有很高的能量分辨率外,还有很高的位置分辨率、很宽的能量线性范围、较快的时间响应等诸多优点。随着微电子的工艺趋向纳米量级,硅微条被制作成集成电子器件,如图1所示。现如今,世界各国也逐步采用了硅微条探测器代替漂移室作为径迹测量的径迹室。

火星岩石和土壤进行了成分分析以及海底X射线荧光探测系统中,可对海底沉积物成分进行分析,是一种有效可行的分子技术[6]。

吕军等[7]在文献中将电制冷半导体探测器与液氮探测器相比较,发现采用电制冷探测器不仅探测效率相对较高,响应时间短之外,可以避免低温下保存和使用的不便之处,极大地扩展了它的应用领域。电制冷半导体探测器是比较适合野外作业的便携式探测器。

①基金项目:大学生创新创业训练计划资助项目(项目名称:静电纺丝法制备二氧化锡纳米纤维及其气敏性能研究,项目编号:20151316)。 作者简介:韩雪(1993,12—),女,汉,宁夏同心人,本科在读,研究方向:纳米敏感材料。

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图1 几种新型探测器结构:(a)AC 耦合硅微条探测器

(b)电制冷半导体探测器XR-100CR型(c)倒金字塔结构半导体中子探测器示意图

3 微结构半导体中子探测器的结构及应用

核电子学的蓬勃发展到1987年时,Muminov等首次提出了微结构半导体中子探测器的概念,从此开辟了将微结构半导体应用于中子探测的新领域。如:中子注量率精确测量、中子辐射探测、中子散射测量、中子个人剂量监测等,为结构半导体中子探测器都发挥着重要作用。

半导体中子探测器是利用次级带电粒子在半导体中沉积能量而产生的电子空穴对来对中子进行探测的。基于这种探测方法,2001年McGregor等[8]用反应离子刻蚀技术做出的器件的热中子探测效率较普通半导体中子探测器有了适当提高。J.Uher等[9]后来对市场上已经产业化的几种半导体中子探测器进行了模拟,发现当反应发生在倒金字塔结构顶部区域时就能够同时探测两种反应物的中子,从而说明了倒金字塔型(如图1所示)这种三维结构作为半导体中子探测器的可行性和有效性。2013年,D．S．McGregor等[10]又研究出了三种新型半导体中子探测器构型,分别

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是孔型、沟槽型和柱型,并一一甄别了其性能和优点,发现孔型结构的稳定性最好。目前,改善提高微结构半导体中子探测器的探测效率是实现其产业化应用的技术关键。

4 结语

无论是在高能物理,还是半导体物理,亦或是与核物理相关的其他领域,半导体探测器都有着不可或缺的作用。随着物理学科的不断进步,对物理实验的要求也越来越高,更高精度的探测器将层出不穷,先进的探测技术在未来的核医学影像、安全检测、核技术应用等领域中一定会有更美好前景。

参考文献

[1]孟祥承.新型半导体探测器发展和应用[J].核电子学与探测技

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[2]杨磊.AC耦合硅微条探测器的研制[D].中国科学院研究生院

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[3]Uher J, Fr jdh C,Jak bek J, et al.Characterization of

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[4]Weilhammer P.Overview:silicon vertex detectors and

trackers[J].Nuclear Instruments & Methods in PhysicsResearch,2000,453(1):60-70.

[5]Straver J,Toker O,Weilhammer P,et al.One micron

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Instruments & Methods in Physics Research,1994,348(2):485-490.

[6]曹利国.核地球物理勘查方法[M].原子能出版社,1991.[7]吕军,侯新生.新型电致冷半导体探测器的应用[J].物探与化

探,2006,30(4):374-376.

[8]Muminov R A,et al．High－Efficiency Semiconductor

Thermal－Neutron Detectors［J］．Soviet Atomic Energy,1987,62(4):316-319．

[9]Uher J,Fr jdh C, Jak bek J,et al.Characterization of

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[10]McGregor D S,et al．Present status of micro－struc-tured semiconductor neutron detector［J］．Journal of CrystalGrowth,2013,379:99-110.

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