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高纯锗探测器福德正神与其他探测器

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  高纯锗探测器与其他探测器 第四节:高纯锗探测器 1.高纯锗探测器的机合 2.同轴型高纯锗探测器的电场和电容 3.高纯锗探测器的合键机能 什么是高纯锗探测器? 因为普通半导体原料的杂质浓度和外加高压 的节制,耗尽层厚度为1~2mm。 对强穿透能 力的辐射而言,探测出力受很大的范围。由 此而研发的一种耗尽层厚度较大,杂质浓度 低,电阻率极大的半导体探测器。其基底为 高纯度的锗,称之为高纯锗半导体探测器。 4.1高纯锗探测器的机合 高纯锗探测器的机合合键有两种: 平面型 同轴型 1)平面型高纯锗探测器 高纯锗探测器禁带宽度只要0.7 eV旁边,, 其工保作证原Ge理晶与体工结作构于与半P导N节体状半态导,体并探防测止器电区子 别 不大因,为但温度体自积激较发小带,来且显厚著噪度声为。5mm-10mm, 常用另于外低扫数能探?或测X系射统线中的的前探置测放以大及器高通能常的与探带电 粒子测的器测装置量正在。沿途,前置放大器中的第一级场 其工效温作应度时晶 ,体 目需管 的要( 是注为F意E了T两)减点也少被:FE冷T却噪至音接。近77 K 的 1.要因求此如其果工温作度升正在高全(耗但正在尽可状接态受局限内),恐怕察看 2.要到sp求探ec测正在tru器m液漏中氮电低流温于的3度0显k下著eV升使的高用区,间(探内测7出7器现K漏)显电著流噪会音使信号, 泄电流的转变可使能量区别率恶化。 2)同轴型高纯锗半导体探测器 同轴型的特性: 因为锗晶体沿着轴向能够做的很长, 以是轴向探测器的有用探测长度以及灵 敏体积能够做得很大(可达400cm3), 从而能够用来衡量穿透本事强的高能射 线Mev的γ射线)。 同轴型高纯锗探测器机合 同轴高纯锗能够是P型(惯例 P型型)HP也G可e 以是N型(颠倒型) Ge,其外加电压有所差异。 N层 本征区 探测器外加电压 合于探测器的引出电极每每采用外貌面接法,云云跟着外加电压的增 大耗尽层将由外貌面向里扩散,当抵达耗尽电压时耗尽层恰巧来到内 外外。 P型HPGe 因为电极左近的场强较大,以是有利于载流子的采集,对P型HPGe,外 外外为n+接触,每每采用Li举动外貌面,厚度为600um旁边,外加电 压采用外接法,对N型HPGe则正好相反,外貌面为 P+接触,施加电压为颠倒电压。 N层 本征区 4.2同轴型高纯锗探测器的电场和电容 1)电场: 正在柱坐标中,泊松方程能够转化为如下形势: d2V (r) ? 1dV ? ? ? (r) dr 2 rdr ? 这里思索双端同轴型,设外里径区别为r1,r2, 设外加电压为VB,即V(r2)-V(r1)=VB安此 界限条目可求出: E(r) ?eNar?V?(eNa/4?)(r22?r21) 2? rln(r2?r1) 电势的泊松方程 直角坐标 柱坐标 ? 2? ? ? ? ? d2V (r) 1dV ? (r) dr 2 ? ?? rdr ? 静电场的根基方程 ? ? a?x ? ?x ? a?y ? ?y ? a?z ? ?z 积分形势: 微分形势: ?S D ? dS ? q ??D ? ? ?l E ? dl ? 0 ??E ? 0 电势的泊松方程 ??D ? ? ? ? D ? ? ???E ? ? ?? ? E ? ?? ??? ?? ? ? ???2? ? ? E ? ??? ? 2? ? ? ? ?? ? ? ?2? ? ? ? ? 电位?满意的泊松方程 ? ??? a?x ? ? ?x ? a?y ? ?y ? a?z ? ?z ??? ? ??? a?x ?? ?? ?x ? a?y ?? ?y ? a?z ?? ?z ???? ? ? 2? ? ? 2? ? ? 2? ?x2 ?y 2 ?z 2 柱坐标中,福德正神电势的泊松方程 直角坐标 柱坐标 ? 2? ? ? 2? ?x 2 ? ? 2? ?y 2 ? ? 2? ?z 2 ?2? ? 1 r ? ?r ?? r ? ?? ?? ? ?r ? 1 r2 ?2? ??2 ?2? ? ?z2 ? 2? ? ? ? ? d2V (r) 1dV ? (r) dr 2 ? ?? rdr ? 2)电容: 关于圆柱体由高斯公式可知 ?s E ds ? Q ? E? K 2?? r K K r r2 2 由此可得 dr ? dr ? ln 到电势 ?r1 2??r 2?? r 从而有圆柱形 C ? Q ? 2??L Q ? 2??L 1 HPGe的电容 U Q ln r 2 ln r 2 r1 r1 4.3高纯锗探测器的合键机能 3.1能量区别 率 3.5中子辐 照 3.2探测效 率 3.4电荷采集和 光阴特色 3.3峰康比 与 峰样式 4.3.1能量区别率 影响区别 率的要素 射线发作的电子空穴对的涨落 电子空穴对的俘获 探测器及仪器的电子学噪声 职业温度 4.3.1能量区别率 ?E ? ?E12 ? ?E22 ? ?E32 总能量区别率 ?E1 ? 2.36 F ?? ? E 为载流子数的涨落 ?E2 ? 2.36?(ENC ) 为泄电流和噪声 ?E3 为载流子因为圈套效应带来的涨落, 通过妥贴进步偏置电压减小 4.3.2探测出力 探测器的聪敏体积 探测出力的 影响要素 几何样式 邻近探测器的物质 射线的能量 这里仅争论了γ射线)绝对万能 峰探测出力 εp (2)相对出力 绝对万能峰左探探图测测为器H的效P效G率e率和刻εGp度e(曲Li) 线,是用能量和各能 万能峰——光电效量应射+所线有分的支累比计已效知应 的 放射源实行刻度的, εp= 万能峰可计以数看到正在能量为 放射源发出20的0k射e线M目eV之间相 需εp是要射使线入能射量的的射函线数全,部对间因浸效的此积率合思正在要灵与系高敏射近的体线 似探积能 为测当量 一效中之 条率通 常须要晓畅εp-Eγ的合联直弧线线。,一正在般这采个用能刻量度区法。 间的探测出力相对来 说能够切实的得到。 εp相合的要素 射线的能 量相合 εp 与HPGe的灵 敏体积相合 源与探测器 的隔断相合 相对探测出力 相对出力= A 因为相对出力与光电峰B的面积相合,而 光电峰与聪敏体积相合,以是,体积越 大B(效=1?C率.73o.36会(62M0c增)em1V加.×中3)37,光M.可6e电其2V外c峰gm间a示面)m的积为闪m合a烁如射系体下线(探公允在测相N式器对aI 于 体积 cm 3 相对效A=率C(o(6%0))1.3=3MeVga4m.m3a射线正在 HPGe聪敏体积中的光电峰面积 4.3.3峰康比与峰样式 峰康比: P ? 万能峰的峰值 康普顿平台的峰值 进步峰康比的方式:增大聪敏体积;选 着dd好NE孔的尽双几量遁何逸小形单峰)状遁;(逸顶峰轴的长能等量于分直(辨全光径率能电,峰;峰中) 心 相对出力为10%到100%的众同次轴型 HPGe峰康比约为40:1到C8o0m:1pton 低能射线的万能峰 散射 hv E 一种HPGe反康普顿?谱仪 反 普用 普符 顿H顿合抑P屏制?G探蔽低e测与本反康底器康 H测PG得eγ的谱仪60Co ? 能谱 4.3.4电荷采集和光阴特色 1)输出回途:因为HPGe探测器也是半导体探测 器,以是其输出回途,输出信号与其他半导体探 测器根基一律 RL C? 测 量 仪 器 R? C? 思索结电阻Rd和结电容Cd,结区外半导体电阻和电容RS,CS, 并把探测器等效成一片面电流源,从而取得如劣等效电途图 2)电荷的采集 当 R0(Cd+Ca) tc ( tc为载流子采集时 间 )时,为电压脉冲型职业状况: 然则,因为输出电压脉冲幅度h与结电容Cd相合,而结电容 随偏压而转变,以是当所加偏压不牢固时,将会使 h 产生附加的涨 落, 晦气于能谱的衡量;为治理该冲突,PN结半导体探测器每每 无须电压型或电流型前置放大器,而是采用电荷聪敏前置放大器。 电荷聪敏放大器的输入电容极大,能够保障 C入 Cd ,而 C入是十 分牢固的,从而大大减小了Cd转变的影响。 则h只与反应电容相合,保障了正在偏 压不牢固时h不产生涨落 输出回途的光阴常数为:τ0=RfCf 电荷聪敏放大器 Cr是放大器的输入电容和分散电容之和。 ?U Cf Cf为反应电容。如将反应回途的电容等 效到输入端,则输入端的总电容为 Rd Cd ? Cr ? ?1? A0 ?C f 当半导体探测器输出电荷时,正在放大 器输入端造成的信号电压为 D Cd Cr ? A0 U SC U sr ? Cd ? Cr Q ? ?1? A0 ?C f 即使满意条目A01, ?1 ? A0 ?C f ?? Cd ? Cr 则 U sr ? Q A0C f 由此可睹,只须满意上述条目,电荷聪敏放大器的输出 信号幅度h就仅与探测器输出的电荷Q成正比,而与探测 器的结电容Cd和放大器的输入电容Cr无合,保障了输出 信号的牢固性 3) 载流子采集光阴 脉冲前沿从粒子入射至全数载流子被采集(tc) 因为正在界限,电场强度趋于0,界说载流子扫 过 x=0.99W 的隔断的光阴为载流子采集光阴: 4.3.5中子辐照毁伤 中子辐照毁伤的机理:当必定能量的中子射入HPGe 探测器聪敏体积时会惹起晶格的缺陷,错位等,从而 影响到探测器的能量区别率。 阈注量:能量区别率初阶展示转变时所对应的中子注 量。阈注量与探测器的尺寸相合,尺寸越大,阈注量 约低。阈注量还与探测器的类型相合,下外给出了几 种探测器的阈注量 第五节:其他探测器 1.锂漂移硅探测器 2.化合物半导体探测器 3.地方聪敏探测器 5.1锂漂移硅探测器 5.1.1 锂的漂移特色及P-I-N结 1) 间隙型杂质——Li Li电离能很小 ~0.033eV,常温下因为热 运动即可电离,Li电离成Li+,为施主杂 质,正在Li端造成N区,之后Li+正在电场用意 下的漂移,其历程如下: Li+正在电场用意下的漂移 Li+的半径比Si和Ge半导体晶格间距小得众 正在电场用意下,Li+能够很容易穿过Si和Ge半导体晶 格,漂移深远半导体内部 Li+会和半导体原料中的B-中和 Li+ 的补充用意,进步了电阻率,增大完了区 Li+漂移速率 dW ? ?(T )E dt 当温度T 增大时,?(T)增大,Li+漂移速率增 大。 2) P-I-N结的造成 基体用P型半导体(由于极高纯度的原料众是P型的),比方掺硼 的Si或Ge单晶。 (1) 一端外外蒸Li,Li离子化为Li+,造成PN结。 (2) 另一端外外蒸金属,引出电极。 外加电场,使Li+漂移。Li+与受主杂质(如B-)中和,并可告竣 自愿补充造成 I 区。 (3) 造成P-I-N结,未漂移补充区仍为P,引出电极。 Front metallization Ohmic back contact P Intrinsic Semi N+ To positive bias voltage 由硅举动基体的探测器称为Si(Li)探测器,由锗举动基体的探测 器称为Ge(Li)探测器。锂离子是用于漂移成探测器的独一的离子。 5.1.2 锂漂移探测器的职业道理 1) 空间电荷分散、电场分散及电位分散 I区为全体补充区,呈电 中性为匀称电场; I区为耗尽层,电阻率 可达1010?cm; I区厚度可达10~20mm, 为聪敏体积。 杂质浓度 电荷分散 电位 电场 聪敏区的电场 平面型的聪敏区电场匀称分散 E(x) ? V 0 d d为聪敏区厚度 V0为偏置电压 同轴型的电场非匀称分散 E(r) ? V 0 r ln r 2 r1 r为聪敏区半径 式中r1和r2区别为未补充的P芯半径 聪敏区的电容 平面型: Cd ? ?0 s 4?d ? 3?2 ?10?11 (F ) 同轴型: ? l ? ?0 ? ?2 ? C 3 10 d r 2 ln 2 ?11(F ) r1 式中l为聪敏区的长度 输出脉冲 输出脉冲形似于电离室 平面型: V (t) ? N 0 e ( we ? wh t) Cd N ? V max e 0 C V (t ) ? N0e C ? ln r2 ???ln(r0 ? we r0 t ) ? ln(r0 ? wh r0 t )??? 同轴型: r1 e N 0 ? V max C tmax ? 2 r2 ? 2 r1 ln r2 2 ?hV 0 r1 5.1.3能量区别率 前面争论的半导体能量区别率也合用于Si(Li)探测 器,这里仅夸大两点: (1)Si(Li)探测器常用于衡量低能和x射线能谱。 影响Si(Li)探测器的能量区别率的要素合键有窗厚, 死层,以是应尽量减小窗的影响。 (2)Si(Li)探测器的聪敏区相当后(5-10mm), 常温下暗电流的涨落将谢绝蔑视,以是务必正在液氮 温度(77K)下职业。 5.2化合物半导体探测器 why化合物半导体探测器? 为领悟决古板硅探测器对低能?射线和X射 线探测出力低,锗探测器需职业正在液氮温 度劣等题目而斥地的少许化合物半导体探 测器。 目前合键有这三类化合物探测器: 碲化镉 (CdTe) 碲锌镉 (CdZnTe) 碘化汞 (HgI2) CdTe, CdZnTe, HgI2 的特色参数 CdTe CdaZnbTe HgI2 Si Ge 原子序数 禁带宽度(eV) 密度(g/cm3) 电阻率(Ω cm) 电子转移率 (cm2/V.s) 空穴转移率 (cm2/V.s) μτ(e) (cm2/V) 48/52 1.44 6.2 109 1100 48/30/52 1.64(a=0.8,b=0.2) 1.53(a=0.96,b=0. 04) ~6 1011 1350 100 120 3.3×10-3 1×10-3 80/53 2.13 6.4 1013 100 4 10-4 14 1.12 2.33 up to 104 1400 480 1 32 0.67 5.33 50 3900 1900 1 μτ(h)(cm2/V) 电离能/e-h对 最佳γ射线K) 11. (300K) 4×10-5 4.3 3.(300K) 5.(300K) ≈1 1 3.61(300K) 3.76(300K) 2.98(77K) 400eV@60ke V(77K) (77K) ) ) ) 这三类探测器的上风 ? 高探测出力(高Z,高密度), CdTe 的光电几率是 Ge 4~5倍, HgI2 为 50倍 ? 室温操作(高带宽) ? 高电阻率 ? 小的探测器体积 85%的100keV光子被全体招揽: 1mm厚的HgI2, 2.6mm厚的CdTe, 10mm厚的Ge 墟市上已正在发售这三种原料制成的 探测器,谱仪, 成像体系。 43/89 5.2.1碲化镉 (CdTe) 1)道理:与其它半导体探测器的探测道理相通,CdTe 探测器也是倚赖加正在探测器两头的电压(偏压)将入射光 子与CdTe产生互相用意发作的电子一空穴对实行采集而 发作电离电流I(t)信号,将这个电离电流信号通过电荷灵 敏前置放大器转换成电压信号。 2)机能:与硅(ZSi=14)和锗(ZGe=32)比拟,CdTe的原子 序数(ZCd=48,ZTe=52)大,密度高(ρ=5.83g/cm3),以是 它对x射线、γ射线的劝止本事高,招揽本事强,本征探 测出力就高,能量区别率相对也较好。 3)运用:运用于核工业中的厚度计,用探测 器整列组成医用成像体系等 16 x 16 pixels CdTe Crystal. 1mm pixel pitch. For use in CT. 3)运用:运用于核工业中的厚度计,用探测 器整列组成医用成像体系,核探针等 4 x (4 x 16 pixel) CdTe crystals assembled to pcb for use in bone densiometry system. 5.2.2碘化汞 (HgI2) 1)道理:HgI2 探测器的职业 道理与其他半导体探测器相同。 2)机能:HgI2是直接跃迁 宽带隙的Ⅱ-Ⅶ 族化合物半 导体, 是优异的光电导原料。 因为它具有较大的均匀原子 序数(有用原子序数 62 , 密度6. 40 g /cm3 ), 对X 和γ射线 具有较高的劝止工夫, 同时因为禁带宽度(Eg =2. 13 eV) 较大, 电阻率高, 职业时泄电流较小, 用它能够制备体积 小, 重量轻, 室温下行使的γ射线)机能: V-I弧线:右图为晶面面积 S=12 mm2,厚度L = 0.5mm的HgI2 探测器正在 T=295 K 时的V-I弧线 探测器的 泄电流正在常温下较小 能谱特色:从图中看出(a) 图谱线区别率鲜明比(b)图 好, 这是由于HgI2中电子和 空穴的转移率μe 、μh区别 为100cm2/V?S,4cm2/V?S 他们被电极采集的出力不 同,空穴的采集率低少许, 以是选着负极举动入射面, HgI2探测器测得的Cd(109)谱 云云能够减小半高宽,提 (a)射线从负接触面人射 高区别率 (b)射线合键用于室温下行使的γ射线 和X 射线探测,也能够用于衡量高能带电粒子。 HgI2晶体 5.3地方聪敏探测器 什么是地方聪敏探测器? 可能同时探测入射粒子能量与地方的 半导体探测器(因为射线正在半导体中 的电离密度要比氛围中凌驾约三个数 量级,以是每每采用半导体原料做成 地方聪敏探测器) 5.3.1地方聪敏探测器根基道理 图(a)为一轻易的 地方聪敏探测器示意 图,入射粒子进入入 射面后将探测器分成 两部门, (1)入射粒子到A端; (2)入射粒子到B端; 由B端引出的信号将 反响出粒子地方的信 息 (a)半导体地方聪敏探测 器示妄思 5.3.1地方聪敏探测器根基道理 B端引出的 电流为: Ib ? Ra I 0 Ra ? Rb D端引出 的电压为: Vp ∝ Ra E Ra ? Rb 又电阻与导线长 度成正比: Ra ? la Ra ? Rb la ? lb 以是D端的幅 度为: Vp ∝ la E la ? lb 5.3.2硅微条二维地方聪敏探测器 构成机合:应用离子注入 X,或Y是方光面刻的技位术正在置硅信片号外外 各通形过成逐一系组列彼互相此独平立行的的窄 外接带电电阻极,网上络下和两两面端电的极相 电荷互灵平敏行。放大器引出。 两个电荷聪敏放大器的 信号只差给出地方音讯, 信号幅度之和给出地方 音讯。其区别率由点击 带宽度决意 5.3.3半导体存储探测器——硅漂移室 1)硅漂移室的道理: 入射粒子正在聪敏体积 内发作的电子空穴对 并不马上漂移并正在两 极造成电流,而是先 将电荷采集存储起来, 并使之沿着与硅片平 面大致平行的对象进 行漂移,由载流子的 漂移光阴给出干系信 息。 5.3.3半导体存储探测器——硅漂移室 2)硅漂移室机合:正在n型的硅 片的两个外外, 注入杂质造成重 驳杂p+条, 由此造成两个耗尽层 夹着一个未耗尽的区域。 正在边际造成一个n+微条与中心未 耗尽区相连, 当外加必定的负偏 压后,使扫数硅片告竣全耗尽。 3)硅片内部的电位分散:正在z 对象成为扔物线型, 核心的电位 最低而亲切两个外外的部位最高。 5.3.3半导体存储探测器——硅漂移室 4)信号的采集:当带电粒子穿过探测器时发作电子空穴对, 电子就会落入低电位的谷中, 然后沿着电场的x 对象分量向 微条n+漂移,造成电信号。 通过衡量电子的漂移光阴及被割据开的n+,读出微条上的 坐标就取得了入射粒子的两维地方音讯。别的, 电子正在耗尽 区漂移很长隔断才来到面积很小的正电极, 电极之间的电容 很小, 以是噪声减小, 有利于进步能量区别率。 5)机能:大凡的半导体探测器的计数率普通正在几十kHz 以 下, 硅漂移室因为其电容小, 相应的脉冲成形光阴也很短(大 约为100n s) , 硅漂移室的漂移光阴固然比拟长, 但它的计数 率并不受此影响, 硅漂移室应允计数率比普通的半导体探测 器高几十倍。它的光阴区别可小于1ns, 而且它有两维的位 置区别, 此中按漂移对象的地方区别率可抵达几个μm。 它的过错是电极机合纷乱, 探测器价值较高。 感谢听讲

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