半导体探测器γ/X射线电荷收集效率的测量方法及系统

摘要

本发明涉及半导体探测器γ/X射线电荷收集效率的测量方法及系，包括以下步骤：1.1]确定所需杂散电子过滤片的厚度，并将其紧贴式放置在待测半导体探测器前端；1.2]测量待测半导体探测器对辐射响应的信号电流

说明书

技术领域

本发明属于辐射探测器电荷收集效率绝对测量实验技术，具体涉及CVD金 刚石等宽禁带半导体探测器对γ/X射线电荷收集效率的测量方法及系统。

背景技术

半导体探测器是实验核物理领域中应用最广泛的核辐射探测器，特别是近 年来发展的宽禁带半导体探测器，由于具有日盲特性、比Si探测器更快的时间 响应和更小的暗电流，成为国际辐射探测领域研究的前沿课题和热点。例如， 金刚石薄膜探测器具备耐高温(工作温度可达500℃)、耐辐照能力强(比Si-PIN 半导体探测器高出3个量级)、更快的时间响应(比Si-PIN半导体探测器快约3倍) 及噪声低等优异性能，可以在深空探测、同步辐射、强中子、伽马射线、电子、 重带电粒子和X射线等稳态和脉冲辐射场，以及复杂环境中应用而成为当前辐射 探测领域研究的热点和较理想的探测器之一。

目前，CVD金刚石探测器、CZT探测器、GaN探测器等宽禁带半导体探测 器大多是基于人造薄膜材料研制而成的。然而，受材料价格和制作技术、工艺 等的限制，无论是多晶还是单晶薄膜，材料内部都存在缺陷，其缺陷密度比Si 探测器高出数个量级，辐射在宽禁带半导体材料中产生的电子-空穴对在向电 极漂移的过程中不可避免地遇到陷阱并以一定概率被俘获而不能被完全收集， 因此，在辐射探测中电荷收集效率是表征宽禁带半导体探测器性能最为重要的 参数之一。

由于材料内部的缺陷及其分布很难知晓，因而其电荷收集效率无法用理论 计算获得，通过实验测量是目前确定其电荷收集效率的主要手段和该类探测器 研制、应用的重要内容。CVD金刚石薄膜探测器等宽禁带半导体探测器对α粒 子和电子的电荷收集效率测量技术已有研究，但测量这类探测器对γ/X射线的电 荷收集效率，由于很难准确确定射线在探测器中产生的总能量沉积以及由这些 能量产生的输出信号，而成为难题。主要是因为在实验中，不仅γ/X射线与探测 器灵敏介质作用产生能量沉积，而且γ/X射线与探测器周围物质作用产生的次级 电子也在灵敏区沉积能量，而后者的数值与探测器的结构参数、实验装置结构、 安装位置、准直器孔径与材料及γ/X射线能量密切相关，而且很难通过计算准确 获得。实验发现，将半导体探测器直接放置在辐射通道中测量γ/X射线，由探测 器周围空气、准直器、屏蔽体等物质与射线作用产生的杂散电子干扰非常严重， 使得无法获得正确的测量结果，即使在探测器前加偏转磁场来清扫杂散电子， 也不能达到理想的效果。研究表明，来自探测器外部杂散电子产生的干扰信号 有时比探测器响应信号要高出1～3倍，且干扰信号很容易被视为信号。因此， 宽禁带半导体探测器对γ/X射线电荷收集效率的测量方法和技术是该类探测器 用于脉冲γ/X射线探测和相关技术研究必须解决的问题。

建立半导体探测器对γ/X射线电荷收集效率的测量方法和系统，首先要寻找 引起理论计算和实验结果差异的原因，只有这样才能创立新的测量方法并进行 实验验证。研究发现，γ/X射线与探测器灵敏介质以外的物质作用产生的康普顿 电子等次生高能电子是导致半导体探测器对γ/X射线电荷收集效率数值无法准 确计算，以及实验测量值和理论计算值差异的根本原因。因此，如何消除杂散 电子对测量结果的影响，并准确计算总能量沉积是创建新的γ/X射线电荷收集效 率测量方法的关键所在。我们认识到，判断新测量方法正确与否的根本判据， 可用其测量Si-PIN半导体探测器对伽马射线的电荷收集效率，若电荷收集效率 实验结果为100％，则测量方法正确，并可将新方法应用于其它宽禁带半导体探 测器对γ/X射线电荷收集效率的测量。

因此，确定CVD金刚石薄膜探测器等宽禁带半导体探测器的γ/X射线电荷 收集效率必须创建新方法，能够确切地知道进入半导体探测器的总沉积能量和 相应的探测器电极收集到的能量。

发明内容

本发明目的是提供一种半导体探测器γ/X射线电荷收集效率的测量方法及 系统，其解决了现有实验技术在测量半导体探测器γ/X射线电荷收集效率时，由 于实验环境中杂散电子产生了严重的干扰信号而无法获得正确测量结果的技术 问题。

本发明的技术解决方案是：

一种半导体探测器γ/X射线电荷收集效率的测量方法，包括以下步骤：

1.1]确定所需杂散电子过滤片的厚度，并将其紧贴式放置在待测半导体探 测器前端；

1.2]测量待测半导体探测器对辐射响应的信号电流计算单位时间内辐 射在待测半导体探测器内产生的总电荷量I_mth；

1.3]计算待测半导体探测器γ/X射线电荷收集效率η：

$\eta =\frac{{\bar{I}}_{\mathrm{me}}}{I_{\mathrm{mth}}}.$

上述确定所需杂散电子过滤片的厚度的方法如下：

2.1]γ/X射线产生源产生γ/X射线；

2.2]任取一定厚度的杂散电子过滤片过滤γ/X射线在探测介质周围产生的 杂散电子；

2.3]用电荷收集效率已知的检验半导体探测器测量从杂散电子过滤片穿出 的γ/X射线和电子束，读出信号电流该检验半导体探测器为Si-PIN半导体 探测器；

2.4]计算单位时间内辐射在检验半导体探测器内产生的总电荷量I_mth；

2.5]由计算检验半导体探测器γ/X射线电荷收集效率η，若电荷收集 效率为100％，则确定所需杂散电子过滤片的厚度；否则，另取其他厚度的杂散 电子过滤片，重复步骤2.2]至2.5]。

上述确定所需杂散电子过滤片的厚度的方法如下：

3.1]γ/X射线产生源产生γ/X射线；

3.2]取一定厚度的杂散电子过滤片过滤γ/X射线在探测介质周围产生的杂 散电子；

3.3]用电荷收集效率已知的检验半导体探测器测量从杂散电子过滤片穿出 的γ/X射线和电子束，读出信号电流该检验半导体探测器为Si-PIN半导体 探测器；

3.4]判断读出的信号电流是否处于饱和，若饱和，则确定所需杂散电子 过滤片的厚度；否则，逐步增加杂散电子过滤片的厚度，重复步骤3.2]至3.4]。

一种半导体探测器γ/X射线电荷收集效率的测量系统，

包括γ/X射线产生源1、屏蔽室2、探测器信号检测装置、射线照射量率检 测装置；所述屏蔽室2上设置有准直γ/X射线束流方向的准直孔3；

所述探测器信号检测装置包括高压电源6、小电流计7和计算机8；

所述射线照射量率检测装置包括γ/X射线仪9，所述γ/X射线仪9放置在移 除探测器信号检测装置后的待测半导体探测器5灵敏面所在位置；

其特殊之处在于：

还包括杂散电子过滤片4；

所述杂散电子过滤片4设置在准直孔3的正后方，且杂散电子过滤片4的 后端面与待测半导体探测器5的前端面贴合放置；所述杂散电子过滤片4的大 小以完全覆盖待测半导体探测器5的灵敏面为准；所述杂散电子过滤片4的材 料为低原子序数绝缘介质材料；所述杂散电子过滤片4厚度应能完全过滤γ/X射 线在探测介质周围产生的杂散电子。

还包括用于确定杂散电子过滤片4厚度的检验半导体探测器10；所述检验 半导体探测器10与待测半导体探测器5的位置相同。

上述杂散电子过滤片4的材料为聚四氟乙烯或聚乙烯或胶木。

上述γ/X射线产生源1为⁶⁰Coγ射线源；所述杂散电子过滤片4的材料为聚 乙烯或聚四氟乙烯；所述杂散电子过滤片4的厚度大于等于4mm。

上述γ/X射线产生源1为⁶⁰Coγ射线源；所述杂散电子过滤片4的材料为聚 乙烯或聚四氟乙烯；所述杂散电子过滤片4的厚度大于等于4mm。

本发明所具有的优点：

1、本发明首次提出并实现在半导体探测器前加适当厚度的杂散电子过滤 片以消除杂散电子影响和实现准确理论计算的思想，使得γ/X射线在探测器灵 敏介质中沉积能量的实验测量结果仅与杂散电子过滤片的性质相关，而与其它 外部环境无关，进而可以通过计算准确确定γ/X射线在探测器中的总沉积能量， 通过实验确定探测器两电极收集到的总能量，从而为半导体探测器在γ/X射线作 用下的电荷收集效率测量提供了崭新方法。

2、γ/X射线在探测器外部产生的杂散电子的能量和数目与射线能量、测量 系统的物理结构相关，消除γ/X射线在探测介质周围产生的杂散电子，关键是 杂散电子过滤片厚度与材料的选择。杂散电子过滤片的厚度由入射射线能谱和 最高能量决定。原则上，射线能量愈高，所需的杂散电子过滤片厚度愈厚。对 于给定能量分布的射线束，杂散电子过滤片厚度可通过理论计算和实验测量联 合给出。

3、本发明通过在半导体探测器前加适当厚度的杂散电子过滤片，有效地消 除了散射干扰信号，实现了宽禁带半导体探测器γ/X射线电荷收集效率的准确测 量。

4、本发明适用于所有半导体探测器，尤其是宽禁带半导体探测器，如 CVD金刚石薄膜探测器、CZT探测器和GaN探测器。

附图说明

图1是先前技术中测量半导体探测器信号电流时的系统结构示意图。

图2是本发明测量检验半导体探测器信号电流时的系统结构示意图。

图3是本发明测量待测半导体探测器信号电流时的系统结构示意图。

图4是测量射线照射量率时的系统结构示意图。

图5是理论计算辐射在探测器中净沉积能量的计算模型示意图。

图6是1.25MeV的单位γ射线在300μm厚的探测器(Si-PIN探测器和CVD 金刚石探测器)中净沉积能量随杂散电子过滤片厚度变化的理论计算结果。

图7是杂散电子过滤片为聚四氟乙烯时，所需杂散电子过滤片的厚度随γ/X 射线能量变化的理论计算结果。

其中附图标记：1-γ/X射线产生源，2-屏蔽室，3-准直孔，4-杂散电子过滤 片，5-待测半导体探测器，6-高压电源，7-小电流计，8-计算机，9-γ/X射线仪， 10-检验半导体探测器。

具体实施方式

本发明半导体探测器γ/X射线电荷收集效率的测量系统，包括γ/X射线产生 源1(如60Co等γ射线源)、设置有准直孔3的Pb屏蔽室2、、杂散电子过滤片4、 高压电源6、pA级小电流计7、计算机8、UNIDOS10002型γ射线仪9。

准直孔3的面积小于等于待测半导体探测器5的灵敏面面积，杂散电子过 滤片4的面积要能完全覆盖待测半导体探测器5的灵敏面面积。杂散电子过滤 片4为聚乙烯或聚四氟乙烯或胶木等低原子序数绝缘介质材料，低原子序数绝 缘介质材料为平均原子序数小于等于9的绝缘介质材料，其厚度与待测γ/X射线 的能谱及最高能量相关，对于1.25MeV的γ射线，厚度为4mm或更大。待测半 导体探测器5包括CVD金刚石薄膜探测器、CZT探测器、GaN探测器等宽禁带 半导体探测器。

本发明半导体探测器γ/X射线电荷收集效率的测量方法，包括以下步骤：

1]确定所需的杂散电子过滤片厚度：

1.1]确定杂散电子过滤片4厚度的方法为：

对待测γ/X射线束中最高能量的γ/X射线，理论计算在半导体探测器前放置 一定厚度的杂散电子过滤片时，单位γ/X射线在探测器内的净沉积能量。计算厚 度从0mm逐渐增加；间隔选取与能量有关，随射线能量的增加，间隔选取可以 增大，对1.25MeV的γ射线，间隔可取1mm；随杂散电子过滤片厚度的增加， 净沉积能量增加，并在厚度达一定时，净沉积能量达饱和，此时停止计算，对 1.25MeV的γ射线，杂散电子过滤片取聚乙烯或聚四氟乙烯时，厚度取4mm时 净沉积能量已达饱和。相对于净沉积能量在饱和区的杂散电子过滤片厚度就是 所需的杂散电子过滤片厚度。

1.2]确定杂散电子过滤片4厚度的依据为：

单片探测器在γ/X射线源上输出的总电流I包括两部分：

(a)辐射与探测器灵敏区作用在回路中产生的信号电流I_s，它表征探测器 对γ/X射线的辐射响应(灵敏度)，其数值随探测器灵敏区厚度的增加而增加；

(b)γ/X辐射与探测器周围物质作用产生的杂散电子进入探测器灵敏区所 产生的干扰电流I_d，其数值与周围环境有关。即：

I＝I_s+I_d

为了减少干扰电流I_d，在探测器前放置一杂散电子过滤片来阻挡周围杂散电 子进入探测器。γ/X射线与杂散电子过滤片作用产生的部分电子将进入探测器， 形成输出电流I_f，此时探测器的总输出电流为三部分电流信号之和：

I＝I_s+I_f+I_d

随着杂散电子过滤片厚度的增加，I_f增加而干扰电流I_d减小直至可忽略，当 杂散电子过滤片增加到一定厚度时，I_d可忽略而总电流和杂散电子过滤片电流均 达到饱和：

I_m＝I_s+I_fm

式中，

I_m为探测器最大输出电流，I_fm为杂散电子过滤片贡献的最大电流份额。

此时，单位γ/X辐射在探测器内的净沉积能量将保持恒定，而与外部环境无 关。

γ/X射线能量越大，产生的杂散电子最高能量也越大，单位γ/X射线在探测 器内的净沉积能量达饱和时的杂散电子过滤片厚度也就越大。

1.3]系统校验。测量Si-PIN半导体探测器对γ/X射线的电荷收集效率，若 所得结果为100％，说明测量系统正确可行；若所得结果大于100％，说明系统 有偏差，适当增加杂散电子过滤片的厚度，重新测量直到所得结果为100％为止。

2]用通过Si-PIN半导体探测器检验的系统，按照下述测量步骤，测量获得 待测宽禁带半导体探测器对γ/X射线的电荷收集效率：

2.1]测量半导体探测器的信号电流

所用测量系统包括：γ/X射线产生源1、用于屏蔽测量环境中杂散γ/X射线 的屏蔽室2、屏蔽室2上设置有准直γ/X射线束流方向的准直孔3、杂散电子过 滤片4和探测器信号检测装置，探测器信号检测装置包括高压电源6、小电流计 7以及计算机8。杂散电子过滤片4设置在准直孔3的正后方，待测半导体探测 器5紧贴在杂散电子过滤片4的正后方；高压电源6给待测半导体探测器5供 电，待测半导体探测器5的信号输出端与小电流计7相连，计算机8与小电流 计7相连。半导体探测器的信号电流由小电流计7读出并由计算机8记录。 杂散电子过滤片4的厚度由步骤1]确定。

2.2]测量射线照射量率

所用测量系统包括：γ/X射线产生源1、用于屏蔽测量环境中杂散γ/X射线 的屏蔽室2、所述屏蔽室2上设置有准直γ/X射线束流方向的准直孔3和射线照 射量率检测装置。在探测器信号检测装置中，标志待测半导体探测器5灵敏面 所在位置，然后移走探测器信号检测装置，再将射线仪9放置在标志待测半导 体探测器5灵敏面所在位置处，读出测点处的射线照射量率

2.3]理论计算单位γ/X射线在探测器内的净沉积能量E_den，并根据以下 公式计算单位时间内辐射在探测器内产生的总电荷量I_mth：

式中：

E_dep为单位γ射线在探测器内的净沉积能量，单位为MeV/γ；

为测点处的稳态射线注量率，单位为(γ/cm².s)；

A_s为探测器的受照面积，单位为cm²；

e为元电荷，数值为1.6×10^-19C；

ε为探测器的平均电离能，单位为MeV；

对于1.25MeV的γ射线，与照射量率关系为：

进而得到I_mth的计算公式为：

2.4]计算半导体探测器γ/X射线电荷收集效率η：

电荷收集效率η定义为探测器外电路收集的电荷量Q_c与辐射粒子在探测器 内产生的电荷量Q₀之比，即

η＝Q_c/Q₀

而从而得到电荷收集效率η的计算公式为：

$\eta =\frac{{\bar{I}}_{\mathrm{me}}}{I_{\mathrm{mth}}}$

实施例1

用本发明方法测量CVD金刚石薄膜探测器的γ射线电荷收集效率。采用的 测量装置包括⁶⁰Coγ射线源、设置有Φ10mm准直孔的Pb屏蔽室、各种厚度不 等(0-7mm)的聚乙烯杂散电子过滤片、Si-PIN探测器(尺寸为Φ20mm×300μm)、 CVD金刚石薄膜探测器、高压电源、pA级小电流计、计算机、UNIDOS10002 型γ/X射线仪。⁶⁰Co源发出的平均能量为1.25MeV的γ射线束，经准直孔后入射 到CVD金刚石薄膜探测器的灵敏面，探测器前紧贴有聚乙烯杂散电子过滤片， 并放置于Pb屏蔽室内，探测器由高压电源供电，探测器输出的信号电流由pA 级小电流计读出，并经过GPIB接口输入计算机记录。本实验所用的CVD金刚 石薄膜探测器采用Element Six公司的高质量CVD金刚石多晶薄膜材料制成， 为对面三明治电极结构，尺寸为Φ15mm×300μm。

测量CVD金刚石薄膜探测器的γ射线电荷收集效率，具体测量方法为：

[1]用MCNP模拟计算在Si-PIN探测器前放置不同厚度的聚乙烯杂散电子 过滤片时，辐射在探测器中的净沉积能量E_dep，获得杂散电子过滤片厚度d和相 应的净沉积能量E_dep的对应关系。

[2]测量Si-PIN探测器对γ射线电荷收集效率：

[2.1]在Si-PIN探测器前加厚度d的聚乙烯片，测量探测器的实际输出电流

[2.2]用UNIDOS10002型γ/X射线仪测量得到测点处的γ射线照射量率

[2.3]计算辐射在Si-PIN探测器灵敏区单位时间内产生的总电荷量I_mth。

[2.4]计算Si-PIN探测器对γ射线的电荷收集效率η_Si-PIN。

对于Si-PIN探测器，由于工艺成熟，基质Si为单晶结构，纯度可以达到 99.9999％以上，载流子在电场作用下输运的过程中被俘获的几率很小，因而可 以近似认为其电荷收集效率为100％。表1是前置不同厚度的杂散电子过滤片时 Si-PIN探测器对γ射线的响应测量结果，当聚乙烯片厚度小于4mm时，由于干 扰信号的存在，探测器输出的信号电流的测量值比理论值大，无法获得正确的 电荷收集效率，而聚乙烯厚度取4mm以上值时，可以获得η_Si-PIN为100％，表明 测量系统与方法正确。

表1

[3]取聚乙烯片厚度为5mm，按照[2]所述的四个步骤，测量CVD金刚石薄 膜探测器对γ射线电荷收集效率。测量结果表明：所研制的CVD金刚石薄膜探 测器，在600V偏压时电荷收集效率为55％，在pump状态时可达69％。

本发明原理：

本发明的核心要点是提出在半导体探测器前放置适当厚度的杂散电子过滤 片，主要用于过滤γ/X射线与探测介质周围物质作用产生的杂散电子，使之不能 进入探测器灵敏介质，杂散电子过滤片的厚度随γ/X射线能量的增加而增加。而 γ/X射线在杂散电子过滤片上产生的电子能够通过计算准确确定，从而可有效排 除干扰信号对测量的影响，实现对CVD金刚石等宽禁带半导体探测器电荷收集 效率的准确测量。实验测量方法为：(1)通过理论计算和实验测量初步选择能 够过滤外来杂散电子的杂散电子过滤片厚度，再以电荷收集效率为100％的 Si-PIN探测器作为校验探测器，对理论计算和实验结构进行校验，最终确定相 应的杂散电子过滤片厚度。(2)用通过Si-PIN探测器检验的系统测量CVD等宽 禁带半导体探测器的电荷收集效率：理论计算放置合适厚度的杂散电子过滤片 时γ/X射线在半导体探测器中沉积的总能量，通过测量探测器输出的信号电流获 得探测器两电极收集到的能量，两者比值即为探测器的电荷收集效率。用此方 法在⁶⁰Coγ射线源上对电荷收集效率为100％的Si-PIN探测器的电荷收集效率进 行了测量，证明了本发明的正确性。本发明解决了CVD金刚石薄膜等宽禁带半 导体探测器对γ/X射线电荷收集效率的测量难题。