高纯锗核辐射探测器

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第
卷第
期
月
核 电子 学 与探 测 技 术
.
年
高纯 锗 核 辐射 探 测 器
孙 雪瑜
北 京 核仪 器 厂
本 文 综 述 和 , 射 线 能谱 分 析 用 的 高 纯 锗探 测 器 绍制备
,
,
阐 述 探 测 器 对原始材 料 的 要 求
,
,
介
结 构和 性能参数
.
,
并 与 硅 射 线 探 测器
,
锗锉
射 线 探 测器和 碘 化钠
,
射线 闪烁
探 测 器进 行 了 对 比 关
诃
半导体探 测器
,
高纯锗
,
,
制备
,
性能
,
高 纯 锗探 测 器 具 有 能 量 分 辨 率 高
线 性范 围 宽
'
毛.
一
探测效率高
,
,
性能稳定
,
能在室温存
放等 优 点
,
在核辐射探测领域 中
'
,
受 到 人 们 极大 重 视
发 展很 快
型锗
, ,
,
.
早 期 的 锗 探 测 器 是甩 杂质 浓 度 补 偿高 阻 来 实现 的
一
.
的
,
通 过 铿 离子 漂 移 技 术 获得
护
一
年
,
〔 和 幻
.
彭
〕 次 研 制 出 净 杂 质 浓 度落 首
燕的 锗
单晶
,
,
接 着又 制 成 了 高纯锗 探 测器
.
又 经过
一 年努力
高 纯 锗 探 测 器 已逐步 取 代了 锉
,
漂 移锗 探测器
近 年来
,
随着 高 纯 锗 材 料 质 量 进 一 步提 高
器 件 制 备 中引 进 新 工 艺 和 配罩
低噪声 电 子 学系 统
,
高 纯锗 探 测 系 统 的 性 能 有 了 明 显 改 进
对
,
,
应 用 范 围 日益 扩 大
的
丫
目 前 高 纯锗 探 测 器 所 达 到 的 指 标 是
射 线 的 能 量 分辫率
,
相 对探测效率
帕
对
"
射 线 分辨 率 小 于
能 谱仪
,
射线能 量 范
围
一
色
主要 用 于 高分辨 率 的
探 测 高能粒 子 等
一
净杂 质 浓 度
'
,
材
,
料
,
探 测 器 性 能 与原 始 高 纯 锗 单 晶质 量 有 紧 密 联 系
根 据探 测 器 的 用 途
.
被测射 线 的性质
.
所 需灵 敏 体 积 的 大 小 以 及
现 阶段 材料 和 器 件 工 艺 所 能 达 到 的 水 平 确 定 的 净杂质 浓 度 要 求 在
型号
型和 型 单 晶都可 用来 制 作探测器
,
一
.
'.
厂之间
基
型 的 高纯锗 较之基
型的具 的作
有 两 个显 著 优 点
迁移率 用下
,
一 是窗薄
善 于
探 测 较 低能 量 的 粒 子
.
二 是抗 辐 射 能 力 强
.
,
它 在 一定 程 度上 反 映单 晶的 杂 质 含量 和 晶 格 完 整 性
林
.
在 电场
灵 敏 区 内载 流子 的 漂 移 速 度
护.
,
优 质探 测 器 的
.,
应 该大于 载 流子的 饱 和 运
但无 位 错 的材料 不能 用 来
, ,
动 速度
,
这 样 才 能 使 载 流子 被 有 效 地 收 集 起 来 位 错密 度 戈
,

晶格 完整 性
,
,
一 股 要求 小 于
.
一
制 作 探 测 器 因 为 它 有 大 量 空 位 其 作 用 犹 如 强 电 荷 俘 获 中心 位 错 分 布 要 均 匀 若 存 在 局 部 密 集 区 电场 分 布 将 发 生 畸 变 其 有 害 作 用 更 大
,
位 错 的 影 响 是 各 向异 性 的 〔
晶 〕 向比
.
【
一
.〕 响 要 小 影
使用
一
"
,
〔
方 〕 向 的 晶体 仍 能 制 作 出 高 分 辨 率 探 测 器
平 底坑 密 度 愈 少 愈 好 心 其 密度
铜
,
,
它是 由硅 氧 络 化 物 的 诸 中沉 积 形 成 的 是 探 测 器 中 空 穴俘 获中
,
,
. .
,
.
一 '
的 材料 不 适 合 作 探 测 器 在 约
, ,
啾
一 '
时 已 能 观 测 到 电荷 俘 获 的 作 用
,
镍
被
,
锌 等杂 质 以 及 其 他 晶格 缺 陷
在 禁 带 中引入 深能级
,
它 们 起 复 合 中心 的
作用
浓度
,
严 重影 响 到 探 测 器 的 分 辨本领
,
尤 以 铜 的影 响 最大
其 含 量 不 得超 过 材 料 的 净杂 质
.
.
分 析 深 能 级 杂质 对 探 测 器 的 作 用 是 当 今 主 要 研 究 课 题 之 一
氢
碳
,
硅 等中性杂质及 其 络合物 也 是 一 些 俘获 中心
,
.
应 当尽 力 降低 其 含最
一
综 上 所述
优 质 探 测 器 材 料 的 指 标 大 致 可归 纳 为
, ,
净杂质 浓 度
血
一
,
气 迁 移
一
,
率
.. .倪
丫
位 错密度
,
分布均 匀
,
平底坑
复 合和 俘 获 中心 尽 可 能 少
,
单晶尺 寸 尽 可 能 大
而 且 有 较 好 的 纵 向 和 径 向均 匀 性
二
图 示 出 了常 用 探 测 器 管 芯 结 构
,
结构 与封装
高 分辨 率 和
丫
射线 用 的 探 测 器
,
,
灵敏体积较 小
,
可 制 成 平面 型
高探 测 效 率 的
探 测 器 要求 灵 敏 体 积尽 量大
'平
制 成 同轴型
图
,
平 面型 探 测 器
示出的 一般
以 制 成尽 可 能
护 里 七 逻
'斗 ,
《势 垒 城 注
入 ,
,
,
… 戴
套
面型 可 以 充 分 利 用 原 材 料
大 的 探 测器
场 分布
,
图
所 示 的 沟槽 型 可 改 善 电
,
减 小 漏 电流
,
降低 噪 声
,
对 高分 辨
,
率 的 探测 器 比较 适用
.
这 两 种 结 构 的 特点 是
入射 窗
.
灵 敏 体 积 与直 径
才 ,
耗尽层 厚 度 有关
的能最
丫
薄
,
可测到
典 型尺 寸 为
小
咭
一
同 轴 型 探测 器
由
' "
,
常 规 电极 型 图
一
,
面盆或 注 人
' ,
,
扩金 到
洛
型 锗 制成 可 适用 的能量范 围为
图
探 测 器 的几何形状示意 图
,
入射窗较厚 图
,
,
灵 敏 区 与真 有 关 择
,
以探测效 率
反 的 探 测 器 为例 肠
冉 型 尺寸
,
朴.
能 最范 围为
,
芯 内径
一
,
芯长
,
倒 置 电极 型
,
由
.
型锗 制 成

窗薄
,
可适用的
.
窗薄
抗 中子 辐 照能 力 强
用于 一
其 他 性 能 同 常 规 电极 型 能量范围
, ,
低 能锗 探 测 器
器 直 径 和耗 尽 层 厚 度 有关
型
,
图
,
灵 敏 区 与探 测
同 轴型 和 平 面
离子 注 入 电 极 消 除 了
的大 面 积 器件
,
谱 的 干扰
一
,
电容
窗薄
,
小于
可制成
,
小
图
,
分 辨率较 高
,
井 型锗 探 测器 侧效率高
,
能 量范围 但 电容 较 大
对小 的 被 测 样 品 探
扭
,
接近
.
接触
典 型尺寸 外 径
,
井 直 径
井壁 内
深
,
致 冷 装 置 由真 空 室 和 桂 瓦 瓶 两 部 分 组 成 保 持清 洁
切一
其 结 构 和 体 积 视 具 体 要 求 而定
,
真 空 室必 须
避 免低温时杂质凝 固在探 测器表 面 杜 瓦 瓶 要 具 有 良好 的 隔 热 性 能
使其 性能哀 变
液 氮 消 耗最 小
,
室 内 真 空 度 一 般 约在
,
并 防 止 液 氮 沸腾 形 成 的 颇
噪声
争 每
统
,
和用 高 纯 锗 探 测 器 能 在 童温下 存 放的特 点 适用 于 各 种 场 合 如姆井 等野 外 间断测 量
, ,
,
已 经 发 展 了 一 种 轻 便 式 高哟 锗 探 测 器 系
,
反应 堆 燃 料 池 的 监 测 等
,
一
.'
这 种系 统 能在 任
,
意方 位 上正 常 工 作
时
耐潮 耐 酸 耐 有机 溶 剂 等 恶 劣 气 氛
灌住 液 氮
,
,
,
系统 重 仅
'
一旅
液 氮
保持
一
,
只 要使 用前 约
便可 投 入 使 用
三
·
,
性
能
优 质 探 测 器 内各 点 的 电场 吸 皮应 大 于
一
,
电 参数 灵 敏 区 的 场 强 及 其 分 布 决 定 电荷 的 运 动 和 收 集
,
漏 电 流对 平 面 型 为
一 .
'
一
一 .
'
,
对 同轴 型 为
"
一
一 .
, ,
.
…
卜
灵敏区 高 纯 锗 探 测 器 一般 工 作 于 全 耗 尽 状 态 下
,
·
囚 此 除死 层 以 外 整 个 锗 材 料 均 为 对 辐 射 灵 敏
,
的区 域
.
现 阶段 平 面 型 体积可 做 到
,
.
.
一
,
.
同轴 型
,
. ..
吕
实 际 上 有 时 由于 工
,
,
艺 不 善 或 结 构 设 计欠 妥
造成 表面沟道
使 电场 发生 畸 变
导 致 电荷 收 集效 率 降 低
这相
当 于 减 小 了 有 效 灵敏 体 积
死层 死 层 除 了视 扩 散 层 外 还 有 . 一.
,
一
,,
卜 一 或金把 等 蒸 发 层 的 非 灵 敏 区 对 其 起 因 解释 不 一
,
,
比较倾 向
或 硼 磷 离 子 注 入 层 的 住 论 点是 射 线
,
与 物 质 相 互 作 用 后 产 生 的等 离子 体 分 先 扩 散 到 表 面 被复 合 掉 测 到的 线
.
即热 电 子
,
在 其 漂 移 运 动 过 程 中 被 电极 收 集 前 早 先 达为
,
一部
,
·
该扩 散 距 离 即非 灵 敏 层 厚 度
,
,
高 纯锗 探 泌 器 最低 能
的
射 线 的 阔 值 由于

,
逃 逸 峰 的 影 响 低 能 阂是
证 明 其 低 能 阂可 测 到
,
的
.
射
但 用 离 子 注 硼 取 代 蒸把 工 艺 高 纯锗
女
的
的
一
,
射线
射 线 探 测 器 的死 层
可通 过 峰 本底 比 来 评枯
一
死 层 使 得 低能 部 分 出 现 拖
尾
也 可 测 量 不 同 能 量 下 全能峰 效 率 的 变 化 来 判 断 死 层 的 厚 薄
能 盆 分辨 率
二
探 测系 统 的 能 量 分辨 本领 主 要 和 以 下 因 素 有 关 的统 计 涨 落 石 探 侧 器 的 固 有 分 辨 率 即 幻载 流 子 的
.
产 生 载 流子 对 数 目 和 能 量 损 失
复 合 和俘获 其他
探 测 器 和 电子 学 系 统 的 噪 声 劝 如 入 射 粒 子 的 类型和 能 量 探 测器 和 源 的 几
,
.
.
} 二 芝 』 冬 粗 圳 价 琪 众
』
何 排列
境
,
,
探 测器 的 的 工 作条 件
如 偏压
,
温度
,
环
,
光照等
以 及 脉 冲 的 成 形 参数 等 都 与 能 量 分 辨
有关
只 要 认 真选 取原
材 料 , 不 断 改 进 器 件 工 艺
可 使 总 的 分 辨 率 主 要 取 决 于探 测 器 的 固 有 分 辨 率 和
电子 学 噪 声
典 型 锗 探 测 器 的 分 辨 率为 的
". "
小平面锗 对
的
了
射线为
,
大 平面锗对
同 轴锗 对
壬
能晕
少
一
"
一
,
,
为
的 图
少 爹 同轴 锗探 测器的能 量分 辨伞随 有 线能妞的
"" 的 能 量 分 辨 率是 响应 对 . ' 〕 此 时 电子 学 噪 声 为
·
.
为
通 常 锗 探 测 器 的能 量 分 辨 本 领 是
拜 性 卜
一 由脚 硒 令 对嘎 赫 犯 洲 一 汁 浓 舌 内
」
沁从
的
测 珍 器洱
年 代 初为 一 目前 是 一 丫 谱 仪 在 不 同能 量 下 的 分 辨 本 领 如 图 所示以 〕
一
而言
'
一
即
,
现代
.
探测效率
高 纯 锗 探 测 器 的 探 测 效 率 与射 线 能 量
,
,
探测
拼
'
胃
'
器灵教体 积
,
几 何 形 伏 和 制备 方 法
,
源 与探 测 器
.
味
的距 离以 及探 测器 的装 配 细 节等有关 了绝 对 效 率 随 射 线 能 量 的 关 系 曲 线
. .
图
给出
,
礴
暇 冲 职
锗 探测器 适
,
用 于 分 析 较低 能 量 的 光 子
工
同 轴相对效 率
巧肠
,
探 测 效 率越 高
由于外径 也不 等
,
.
一般 来 说 体 积越大 但 即 使 同样 灵敏 体 积 的 探 测器
,
,
.
, 二二 间 轴 相 对 效 书
低能
平面
少"
一
'.
'
.
又 工
,
高 度 和 内芯 直 径 的 不 伺
,
探 测 效 率
因此
有 必 要 对 每 个 具 体 探测 器 的 效 率
.
通过 实验来标定 对 探 测 效 率 已达
护
现 有 的 高 纯 锗 同 轴 探 测器 的 相
肠
,
舱
上.
预 期 到
年 可 达
周
一
'
典 掣肩纯 钻 探测 器 的绝 对效率 随
射

峰康 二 比和 谱 峰 形 状
在 分 析 复 杂 丫能 谱 时
,
线熊皿 的 关系
肠〔 」 要 求探 测 器 的 峰 康 比 高
,
.
谱 峰 对称 性 好
,
按 标准
,
峰康 比是 指
,
对
"
峰高与
狡 留 奉 晰
为'
时
一
一
,
康 普顿 平 坦 均 值 之 比 效率为
"
较好的锗 探 测 器
,
峰康 炜 为
,
务时
的
峰康 比 为
,
一
,
为提 高 峰 康 比
测器
,
亨 啊 哪 要 轴探 的 碑 缨 子 坚组 呼 导 叮竺 挤 的 竺 阴 能 量 分 竺 越 好 秒 比 也 越" "
判 , 率 号 是 赘 啊 芍呻 浴 飞燮峰 寸数 或 处 的 全 宽 度 与 半 高 宽 之 比 按 照 标 准 斯 分 布 丽 省 些 通常 以
·
'
"
一
大
, ,
,
, ,
之比
了
澄
时回特件 一 探冲 的 脉 冲 上升时 间丰要 取 决 于 灵 敏 区 中载 流 子 的 电 荷 收 集 时 间 器
表
缈
塔 '
·
" ' '" ' "
·
"
,
后者
翔
鼻
"乳
现李 的 锗 探 测器 前 者 之 比 为 ' 好
·
"
一'
·
一草
" "
,
,
后者为
·
一"
·
.
·
它 与载 流子 产 生
一
茸
状态
敏区电
外 粒 子 径迹 附 的等离 子 体 以 及 锗 材 料 中的 俘 获 和 复 合 效 率 也 对 电 荷 收 集 过 近 而 对 咏 冲 上升 时 间 产生 影 响 当 探 测 器 用 作 快 符 合 测 量 或 测 定 极 小 时 间 间 隔 时 表 仄
,
,
娜
度及 其 分布
,
结 电容
,
串联 电阻 以 及 载 流子 的 迁 移 率 等
征 探 测 器 时 间特 性 的 是 时 间 分 辨本 领 它 与探 测 器 中的 脉 冲 形 成 过 程 如 脉 冲 上 升 时 间 的 离 散 脉 冲前 沿 波 形 的 起 厌 以 及 脉 冲 幅 度 的 涨 落有 关 此 外 还 与 信 号的 拾取 方 式 关 有
,
,
,
厚 平 面型 锗探 测 器 对 的 同轴 型 探 测 器 对 吧℃
习
,
一
一
灼旧 寸间 分 辨 率 为
,
,
而
厚 的是
,
川
,
同 轴 型 锗探 肠 肠的为
河器的 上 升 时 间 的 离 散 略 大 于相 同 耗 尽 层 厚 度 的 平 面 型
伙 .
'
在 典 型 时 间谱 仪 中 效 率 为
射 线 测得 的 时 间分 辨 率 为
而效 率为
猫射报 倪
高 纯 锗探 树器 由 于 其 灵 敏 区 内 电 活性 杂 质 侬 度 很低
"
,
·
'
'
自 由 载 流 子 的 迁 移 距 离很 高
,
,
因 而
而对 辐 射 损 伤 很 灵 敏
,
例如
,
高 能质 子 束 造 成 严 重 损 伤 的 注 量 为
料
快 中子 在
子的强
左右
'
,
而 对 丫射 线 和 电子 的 抗 辐 射 能 力 远 较 对 快 中子 和 带 电垃
.
,
·
下 对探测 器退 火 一 能够 减 小 中 子 辐 照 引 起 的 狼 伤 经 质 子 损 伤 后 的探 测 器 的 修复 比 经 中 子 损 伤 后 的 容 易 得 多 所

需 退 火 的间 短 些 温 度 也 低 些 一
,
在
型 高 纯锗 同 轴 探 测 器 具 有 较 好 的 抗 辐 射 性 能 这 是 因 为 由 辐 射 产 生 的 缺 陷主 要 是 对 空
,
穴 有 陷获 作 用 面 附近 被收集
,
若 用 .型 材 料
,
圆柱体外 表
面 是
电 极 中心 为" 极 则 空 穴 很 快 在 圆 柱 表
, ,
使 得 辐 射 损 伤 形 成 的 能 级 对 空 穴 的 陷 获 作 用 减 到 最低 限 度
,
此外 平面型 探
测 器 的抗 辐 射 性 能 优 于 同 轴 型
而 灵 敏 区 较 厚 的 平 面 型 探 测 器 的抗 辐 射 性 能 又 较 薄 的 差
,
'
四
与 硅裸
,
与其 他探测 器 的 比较
两 者 对"
'
射 线 探 测 瀚的 比 较 在 高 分 辨 率 射 线谱 仪 中 常 用 的 是 硅 锉 和 小 平 面 高 纯 锗 探 测 器
.
射 线 的 半 宽 度 均可
硅 主要用于 分析
, ,
一
,
,
的
,
而锗 用 在 高 于
.
的
,
射线谱仪 中
因 此 与硅 相 比
,
.
由于 锗 的 原 子 序 数 大
禁 带 宽度窄
,
产 生 电子 空 穴 对 所 需 的 平 均 能 量 小
但本 底 较大
.
它在 高 能 端 的探 测效 率 高 间
固有分辨 率 好
在低 能端
,
对相
·
同的死 层 厚度
和"
·
,
效 率 损 失 较大 并 有 低 能拖 尾 探 测 器 漏 电 流 大
此外 因
」
一
间
' 一
逃 逸 峰使 探 测 器 效 率和 能 量 之 间 的 对应 关 系复 杂
.
价
从 而限制
它 了
在 此 能 区的 定 量 分析 中的应 用
与锗怪
探 测 器 的 比较
,
两 种 探 测器 的 能 量 分 辨 率 效 率 等 指 标 可 做 得 相 近 高 纯 锗 探 测 器 较 之锗 锉 探 测 器 的 明显 优 点 是 工 艺 周 期 短 可 在 室 温 下 贮 存 并 能 经 历 室 温 一 温 度 循 环 中 子 辐 射损 伤 后 利 用 退 火 可 以 修 复 不 存 在 未 耗 尽 层 的 材 料 区 因 而 电 荷 收 集及 峰 康 比 好 当然 高 纯 错 晶 单
,
,
,
,
的 制 取 不 如 锗 锉原 材 料 成 熟
.
由于 电 场 分 布 的 不 同
,
高 纯锗 探 测 器 的 时 间 分 辨 率 比 锗 银 的
略差
'
,
同 等探 测 效 率 时 约 大 相比
,
'
一
. 肠
丫
一
对
与 碘 化 钠 闪 炼探 测
与 是能 量分辨率 高
,
的 比较
卜
图
为典 型 的
高 纯 锗 探 测 器 明显 优 点 丫 谱 锗 探 测器
.
的 分辨率为
而
·
对
'" '
·
的分拚平为
,
,
计 数 时 间为
五
核 科学 与 工程
,
,
,
一
结 束语
,
高 纯 锗 探 测器 的 优异 特性
,
近 年来 促使 它 在
,
, ,
高 能 物 理 核 医学 以 及 生 物 地 质
和 冶 金 等 领 域 获 得广 泛 的 应用
配 以 小型 多 道 谱
今后
主
,
图
锗探 测 器 和
,

对 标 准源
仪 等的 便 携 式 系 统 更 扩 大 了其使 用 范 围
要 是 进 一 步 提 高原 材 料 的质 量
,
的 护谱
增 大 体积
,
翻作
更 高探 侧效 率
,
高 分 辨 率 的 丫探 测 器
,
继 续改进结 构
,
进 一 护降 低 电子 学噪 声
使 高纯 锗
探 测 系 统 达 到更 高 水 平
味
参
〕 〕
〕 终 〔 〕 命
'了
「
考
"
文
,
献
,
'
,
一
,
,
" "
,
"
沉
,
,
,
,
丫.
〕 于
'
亡
,
,
多
,
'
沁 甸了
. ,
,
,
.
,
,
,
'
'
,
刀召君
万
.
,
,
,
年
月
日
收到
..
'
'
.
. 亡
'
血
' 亡
.
护一
坦 了
咨
上
'
及
刃
才
"
五
一
护一
岭了
,
,
,
三
, ,
七
上
,
.
.
上接
页
参
〔 〕 何元 金 等
,
考
文
献
,
正 电子 湮 没 潜 学 基 础
,
上册
,
清 华大 学 出 版 社 何 元 金 等译
,
年
,
月
,
第 年
,
页 第 一 页
.
〔 〕
豪托 贾 维
,
芬兰
,
,
正 电 子 湮 没 伎术
.
科 学 出 版社
〔 〕 赵 静安 〔 〕 王 友桐
物理
,
,
核技 术
,
,
.
年
月
日
收到
一
'
早
,
了
了
皿
士
亡
亡
功
瓜
】 口
"
气
之
' 三,
了,
可
一
,
于
"
,
'
,
一 吕
,
,
'
,
'

1