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CN102636804B - 测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测结构 - Google Patents

测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测结构 Download PDF

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CN102636804B CN 201110038486 CN201110038486A CN102636804B CN 102636804 B CN102636804 B CN 102636804B CN 201110038486 CN201110038486 CN 201110038486 CN 201110038486 A CN201110038486 A CN 201110038486A CN 102636804 B CN102636804 B CN 102636804B
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Abstract

本发明涉及测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测结构,有以下步骤:1)用杂散电子过滤片过滤γ/X射线与探测器周围物质作用产生的杂散电子;所述杂散电子过滤片为低原子序数绝缘介质材料;2)用电流型半导体探测器测量从杂散电子过滤片穿出的电子束和γ/X射线,记录电流型半导体探测器的输出电流;3)根据电流型半导体探测器的输出电流和探测器的电流灵敏度计算确定γ/X辐射场强度。本发明解决了现有技术中半导体探测器在电流工作模式下不能准确刻度其辐射灵敏度,从而无法用于γ/X射线强度绝对测量的技术问题。本发明实现了基于电流型半导体探测器的探测结构对γ/X辐射灵敏度的准确刻度及辐射场强度的绝对测量。

Description

测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测结构
技术领域
本发明属于辐射探测技术,具体涉及一种测量γ/X辐射场强度的方法及采用电流工作模式的半导体探测器。
背景技术
半导体探测器具有时间响应快、能量分辨率好、灵敏度高、使用方便等突出优点。尤其是近年来发展的CVD金刚石薄膜探测器(耐高温,工作温度可达500℃;耐辐照,比Si-PIN半导体探测器高出3个量级)、CZT探测器(高Z;伽马灵敏度高)、GaN探测器(亚纳秒时间响应)以其优异的性能及低噪声,成为深空探测、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脉冲辐射探测的研究热点,新型半导体探测器及其应用已成为当前辐射探测领域研究的前沿课题和较理想的探测器件之一。
半导体探测器工作有两种模式:脉冲计数模式和电流工作模式。与计数型半导体探测器相比,电流工作模式的半导体探测器为欧姆接触型,具有安培以上线性电流输出。对于较弱的辐射场,通常采用脉冲计数模式的探测器,此时,探测器直接放入辐射场,并通过前放、主放和多道分析系统对辐射场强度、能谱分布实施测量。而在辐射场较强或脉冲状态时,脉冲计数模式不能满足测量要求,需要采用电流工作模式的探测器,此时,这类探测器与小电流测量仪或示波器相连接实施对时间-强度的测量。无论是计数模式还是电流模式,半导体探测器对辐射场强度进行测量时,事先必须刻度其辐射灵敏度,进而给出强度信息。但是,在γ/X射线测量的实验研究中发现,当γ/X射线能量在200KeV以上时,将电流模式工作的半导体探测器直接置于辐射场测量γ/X射线,很难得到准确的灵敏度结果。主要是来自γ/X射线与探测器周围物质作用产生的杂散电子进入探测器,使得无法对其辐射灵敏度进行准确的实验刻度。这一困难一直困扰着电流工作模式的半导体探测器的研究和应用,正因如此,自半导体探测器发现以来,很少见到用单只电流模式工作的半导体探测器用于测量强流γ/X辐射场强度或脉冲γ/X射线束流强度的报道。通过多年研究,我们发现在这类实验中,γ/X射线与电流型半导体探测器(Si-PIN探测器、CZT探测器、GaN探测器、CVD金刚石薄膜探测器等)周围物质产生的杂散电子进入探测器产生干扰信号是导致输出信号增大及灵敏度无法准确刻度的主要原因,这些杂散电子干扰信号有时比探测器对入射γ/X射线的本征响应要高出1~3倍,且干扰信号强度与测量环境、实验布局密切相关,使得每次测量结果都不一样。为了解决这一难题,将电流型半导体探测器用于γ/X射线强度绝对测量,必须滤除实验中外部杂散电子的干扰,设计、采用新的基于半导体探测器的探测结构。
发明内容
本发明目的是提供一种可测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测器,解决了现有技术中半导体探测器在电流工作模式下不能准确刻度其辐射灵敏度,从而无法用于γ/X射线强度绝对测量的技术问题。
本发明的技术解决方案是:
一种测量γ/X辐射场强度的方法,其特殊之处在于:包括以下步骤:
1]用杂散电子过滤片过滤γ/X射线与探测器周围物质作用产生的杂散电子;所述杂散电子过滤片为低原子序数绝缘介质材料;
2]用电流型半导体探测器测量从杂散电子过滤片穿出的电子束和γ/X射线,记录电流型半导体探测器的输出电流;
3]根据电流型半导体探测器的输出电流和探测器的电流灵敏度计算确定γ/X辐射场强度。
上述杂散电子过滤片的厚度是通过如下方式确定的:调整杂散电子过滤片的厚度,直至探测器输出的信号电流不再增加,进入饱和区。
上述杂散电子过滤片的厚度是通过如下方式确定的: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,以Si-PIN探测器作为校验探测器,通过测量Si-PIN探测器的电荷收集效率对理论计算和实验结构进行校验,最终确定杂散电子过滤片的厚度。
上述杂散电子过滤片为绝缘材料,所述绝缘材料包括聚乙烯或聚四氟乙烯或胶木。
上述电流型半导体探测器两电极为欧姆接触,其脉冲线性电流输出大于300mA。
一种测量γ/X辐射场强度的电流型半导体探测结构,包括工作在电流模式的半导体探测器2,还包括紧贴半导体探测器2的前端面且完全覆盖半导体探测器2灵敏区的杂散电子过滤片1。
上包括用于嵌入杂散电子过滤片1和电流型半导体探测器2的绝缘材料封装外壳3;所述封装外壳3上设置有前后两个准直通道4,所述半导体探测器2位于两个准直通道4之间。
上述电流型半导体探测器2包括电流型Si-PIN探测器、电流型CZT探测器、电流型GaN探测器或电流型CVD金刚石薄膜探测器;所述杂散电子过滤片1为绝缘材料,所述绝缘材料为聚乙烯或聚四氟乙烯或胶木。
上述电流型半导体探测器两电极为欧姆接触,其脉冲线性电流输出大于300mA。
本发明所具有的优点:
本发明提出一种可测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测结构,只需要在现有的半导体探测器正前方紧贴一块合适厚度的杂散电子过滤片,就可以消除γ/X射线在探测介质周围产生的杂散电子对探测信号的影响,而杂散电子过滤片对信号的影响可以通过理论计算和实验测量准确确定。本发明实现了基于电流型半导体探测器的探测结构对γ/X辐射灵敏度的准确刻度及对γ/X辐射场强度的绝对测量,解决了现有技术中半导体探测器在电流工作模式下不能用于γ/X辐射场强度的绝对测量的难题。
附图说明
图1是本发明的基于电流型半导体探测器测量γ/X辐射场强度的电流型半导体探测结构的结构示意图;
图2是理论计算γ/X辐射在半导体探测器中净沉积能量的计算模型示意图。
图3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4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。
图中,1-杂散电子过滤片;2-半导体探测器;3-封装外壳;4-准直通道。
具体实施方式
本发明提出了一种测量γ/X辐射场强度的方法,包括以下步骤:
1]用杂散电子过滤片过滤γ/X射线与探测器周围物质作用产生的杂散电子;杂散电子过滤片为低原子序数绝缘介质材料,一般为聚乙烯或聚四氟乙烯或胶木;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,所需的杂散电子过滤片的厚度与单位γ/X射线在探测器内的净沉积能量相对应,可通过调整杂散电子过滤片的厚度同时测量探测器输出的信号电流的方法确定,当信号电流不再随厚度增加而增加时,探测器信号电流即达饱和值;当探测器输出的信号电流处于饱和区时,相应厚度即为所需的杂散电子过滤片的厚度。所需的杂散电子过滤片的厚度还可通过如下方式确定:通过理论计算和实验初步选择能够过滤外来杂散电子的厚度,以Si-PIN探测器作为校验探测器,通过测量其电荷收集效率对理论计算和实验结构进行校验,最终确定所需的杂散电子过滤片厚度。
2]用电流型半导体探测器对穿出杂散电子过滤片的γ/X射线和电子束进行测量;测量所用电流型半导体探测器两电极均为良好的欧姆接触(而不是肖特基接触),其脉冲线性电流输出大于300mA。
记录电流型半导体探测器的输出电流;
电流型半导体探测器包括电流型Si-PIN探测器、电流型CZT探测器、电流型GaN探测器或电流型CVD金刚石薄膜探测器等电流型半导体探测器。
3]根据电流型半导体探测器的输出电流和探测器的电流灵敏度计算确定γ/X辐射场强度。
本发明一种测量γ/X辐射场强度的电流型半导体探测结构,包括工作在电流模式的半导体探测器2、紧贴半导体探测器2的前端面且完全覆盖半导体探测器2灵敏区的杂散电子过滤片1、用于嵌入杂散电子过滤片1和半导体探测器2的绝缘材料制成的封装外壳3;封装外壳3设置有前后两个准直通道4;前方的准直通道位于杂散电子过滤片1的前面,后方的准直通道位于半导体探测器2的后面,准直通道的截面形状与半导体探测器2的灵敏区一致且面积小于等于半导体探测器2的灵敏区面积。
探测器的辐射响应灵敏度可由其对辐射的电荷收集效率计算获得。Si-PIN半导体探测器,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%。可以采用Si-PIN探测器作为校验探测器,通过测量其电荷收集效率对理论计算和实验结构进行校验,表1是前置不同厚度的杂散电子过滤片时Si-PIN探测器对60Coγ射线的响应测量结果,其中
Figure BDA0000046891300000061
为信号电流实验测量值,Imth为假设载流子被完全收集时的信号电流理论计算值,当聚乙烯杂散电子过滤片厚度小于4mm时,由于干扰信号的存在,输出信号的测量值比计算值大,无法获得正确的实验结果,而聚乙烯杂散电子过滤片厚度取4mm以上值时,可以获得ηSi-PIN为100%,测量结果正确,表明设计的探测结构正确可行。
表1
本发明原理:
本发明的核心要点是提出在电流型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射线与探测器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和实验准确确定,从而可有效排除干扰信号对测量的影响,实现半导体探测器在电流工作模式下对γ/X辐射场强度的准确测量。确定杂散电子过滤片的厚度的方法为: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,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,最终确定所需的杂散电子过滤片厚度。杂散电子过滤片厚度由入射γ/X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γ/X射线束,杂散电子过滤片厚度可通过理论计算和实验测量结果联合给出,相应于γ/X射线在探测器内的净沉积能量或探测器输出的信号电流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。

Claims (7)

1.一种测量γ/X辐射场强度的方法,其特征在于:包括以下步骤:
1] 用杂散电子过滤片过滤γ/X射线与探测器周围物质作用产生的杂散电子;所述杂散电子过滤片为低原子序数绝缘介质材料;
2] 用电流型半导体探测器测量从杂散电子过滤片穿出的电子束和γ/X射线,记录电流型半导体探测器的输出电流;
3] 根据电流型半导体探测器的输出电流和探测器的电流灵敏度计算确定γ/X辐射场强度;
所述杂散电子过滤片的厚度是通过如下方式确定的:调整杂散电子过滤片的厚度,直至探测器输出的信号电流不再增加,进入饱和区;
或者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,以Si-PIN探测器作为校验探测器,通过测量Si-PIN探测器的电荷收集效率对理论计算和实验结构进行校验,最终确定杂散电子过滤片的厚度。
2.根据权利要求1所述的测量γ/X辐射场强度的方法,其特征在于:所述杂散电子过滤片为绝缘材料,所述绝缘材料包括聚乙烯或聚四氟乙烯或胶木。
3.根据权利要求1或2所述的测量γ/X辐射场强度的方法,其特征在于:所述电流型半导体探测器两电极为欧姆接触,其脉冲线性电流输出大于300mA。
4.一种测量γ/X辐射场强度的电流型半导体探测结构,包括工作在电流模式的半导体探测器(2),其特征在于:还包括紧贴半导体探测器(2)的前端面且完全覆盖半导体探测器(2)灵敏区的杂散电子过滤片(1);
所述杂散电子过滤片的厚度是通过如下方式确定的:调整杂散电子过滤片的厚度,直至探测器输出的信号电流不再增加,进入饱和区;
或者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,以Si-PIN探测器作为校验探测器,通过测量Si-PIN探测器的电荷收集效率对理论计算和实验结构进行校验,最终确定杂散电子过滤片的厚度。
5.根据权利要求4所述的测量γ/X辐射场强度的电流型半导体探测结构,其特征在于:还包括用于嵌入杂散电子过滤片(1)和电流型半导体探测器(2)的绝缘材料封装外壳(3);所述封装外壳(3)上设置有前后两个准直通道(4),所述半导体探测器(2)位于两个准直通道(4)之间。
6.根据权利要求4或5所述的测量γ/X辐射场强度的电流型半导体探测结构,其特征在于:所述电流型半导体探测器(2)包括电流型Si-PIN探测器、电流型CZT探测器、电流型GaN探测器或电流型CVD金刚石薄膜探测器;所述杂散电子过滤片(1)为绝缘材料,所述绝缘材料为聚乙烯或聚四氟乙烯或胶木。
7.根据权利要求4或5所述的测量γ/X辐射场强度的电流型半导体探测结构,其特征在于:所述电流型半导体探测器两电极为欧姆接触,其脉冲线性电流输出大于300mA。
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组合式Si-PIN 14 MeV中子探测器;张显鹏 等;《物理学报》;20080131;第57卷(第1期);第1页左栏第1行至第3页左栏第13行 *

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