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技术文章

半导体探测器

2009/11/11 21:47:00

半导体探测器(semiconductor detector)是以半导体材料为探测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅,其基本原理与气体电离室相类似。半导体探测器发现较晚,1949年麦凯(K.G.McKay)首次用α 射线照射PN结二极管观察到输出信号。5O年代初由于晶体管问世后,晶体管电子学的发展促进了半导体技术的发展。

半导体探测器有两个电极,加有一定的偏压。当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时,即产生电子-空穴对。在两极加上电压后,电荷载流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。但在半导体探测器中,入射粒子产生一个电子-空穴对所需消耗的平均能量为气体电离室产生一个离子对所需消耗的十分之一左右,因此半导体探测器比闪烁计数器和气体电离探测器的能量分辨率好得多。半导体探测器的灵敏区应是接近理想的半导体材料,而实际上一般的半导体材料都有较高的杂质浓度,必须对杂质进行补偿或提高半导体单晶的纯度。通常使用的半导体探测器主要有结型、面垒型、锂漂移型和高纯锗等几种类型下图由左至右)金硅面垒型探测器1958年首次出现,锂漂移型探测器60年代初研制成功,同轴型高纯锗(HPGe)探测器和高阻硅探测器等主要用于能量测量和时间的探测器陆续投入使用,半导体探测器得到迅速的发展和广泛应用。

半导体探测器输出脉冲幅度与能量成正比﹐可用来测量能量﹐能量分辨率高于正比计数器﹑闪烁计数器﹔脉冲上升时间较短﹐可用于快速测量﹔窗可以做得很薄﹐可测量低能X射线﹔结构简单,体积小,重量轻,不用很高电压,适合空间环境的严格要求。其缺点是不能做大做厚,难以测量高能辐射和低强度辐射;输出信号小,电子线路复杂化。在空间研究中最常用的是金硅面垒探测器。硅探测器一般在室温下工作,如果用在液氮温度下,可以大大提高能量分辨率。1969年﹐美国芝加哥大学的麦格雷戈等人首次采用液氮冷却的锂漂移硅探测器,并与低噪声光反馈的电荷灵敏前置放大器配合,在太阳耀斑爆发期间测量4~40千电子伏能段内的太阳X射线辐射。

随着科学技术不断发展需要,科学家们在锗锂Ge(Li)、硅锂Si(Li)、高纯锗HPGe、金属面垒型等探测器的基础上研制出许多新型的半导体探测器,如硅微条、Pixel、CCD、硅漂移室等,并广泛应用在高能物理、天体物理、工业、安全检测、核医学、X光成像、军事等各个领域。世界各大高能物理实验室几乎都采用半导体探测器作为顶点探测器。美国费米实验室的CDF和D0(右上图),SLAC的B介子工厂的BaBar实验,西欧高能物理中心(CERN)LEP上的L3,ALEPH(左上图),DELPHI,OPAL,正在建造的质子-质子对撞机LHC上的ATLAS,CMS及日本的KEK,德国的HARA、HARB及Zeus等。ATLAS和CMS还采用了硅微条探测器代替漂移室作为径迹测量的径迹室。近些年高能物理领域所有新的物理成果,无不与这些高精度的具有优良性能的先进探测器密切相关。

丁肈中领导的AMS实验,目标是在宇宙线中寻找反物质和暗物质。它的探测器核心部分的径迹室采用了多层硅微条探测器(右图)。由美国、法国、意大利、日本、瑞典等参加的GLAST实验组的大面积γ射线太空望远镜的核心部分也使用了多层硅微条探测器(左图),总面积大于80平方米,主要用来作为γ→ e-+e+ 的对转换过程的径迹测量望远镜。硅微条探测器的位置分辨率可好于σ=1.4μm,这是任何气体探测器和闪烁探测器很难作到的。

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