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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2007-05-05 00:21:02  |
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摘要：研究并采用增加灵敏体积的方法，mm×600mmPIN探测器，成功实现了探测器灵敏度要求为10－15~10－16 范围的辐射测量；研究并采用将数个PIN探测器串接起来形成阵列的方法，已研制出f80mm×800mmPIN新型阵列探测器，成功使探测器灵敏度调节范围达到10－14~10－15 。有效解决了光电探测器和以前国产硅PIN探测器在该灵敏度范围的测量困难。
关键词:PIN探测器；灵敏度； 阵列探测器；光电探测器；辐射测量
中图分类号:TL814； TL 812 文献标识码：A 文章编号:
The methods study about
increasing current model PIN detector sensitivity
HU Mengchun1 YE Wengying2 TAN Zhangkui 1 SONG Xicai2 TAN ZHenyuan1 LI Zhongbao1
（China Academy of Engineering Physics Institute of Nuclear Physics and Chemistry1
Institute of Electronic Engineering2 mianyang 621900,China）
Abstract：The f60mm×600mm PIN detector has been developed by study and adoption the means of increasing sensitive volume，radiation measurement in the detector sensitivity range of 10－15~10－16 is realization succeeful;
f80mm×800mm PIN new type array detector is developed by using the method of making several single PIN detector together
form array，the array detector sensitivity is up to 10－14~10－15 ，these new kind PIN detectors is good for solving the difficulties of photoelectricity detectors and former silicon PIN
detectors made in china were faced.
Keywords: PIN detectors ；sensitivity ；array detector； photoelectricity detectors；radiation measurement
1. 引言
进行辐射测量，需要使用灵敏度范围为10－14~10－16 的探测器，以前国产的硅PIN探测器，其灵敏度可调节范围一般为10－16~10－18 ，这种PIN探测器的灵敏度相对要求低了一个量级以上，不适合使用；光电倍增管加闪烁体构成光电探测系统，其灵敏度可调节范围一般为10－9~10－14 ，这种高灵敏度光电探测系统的灵敏度相对要求高了一个量级以上，也不适合使用；光电管加闪烁体构成光电探测系统，其灵敏度可调节范围一般为10－16~10－19 ，这种低灵敏度光电探测系统的灵敏度相对要求低了一个量级以上，也不适合使用。对影响PIN探测器灵敏度的因素分析可知道：增加单个PIN探测器的灵敏体积可以提高PIN探测器灵敏度；将数个PIN探测器串接起来形成阵列也可以提高探测系统的灵敏度。本工作目的是：采用增加灵敏体积的方法，研制出f60mm×600mmPIN探测器；采用将数个PIN探测器串接起来形成阵列
的方法，研制出f80mm×800mmPIN新型阵列探测器。通过实验标定，以确认这两类探测器灵敏度组合是否达10－14~10－15 的要求，以此有效解决光电探测器和以前国产硅PIN探测器在该灵敏度范围的测量困难。
获中国工程物理研究院专项课题资助（二所－305）。
作者简介：胡孟春,男，1963－，硕士，副研究员，硕士导师，从事粒子探测技术研究，负责国家实验重要、关键课题，获两项国际先进水平成果；获部、委级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖5项；公开发表和交流学术论文50多篇；其中10多篇为核心刊物，10多篇为EI或sci收录源刊。电话：0816-2484247 （O），0816-2483445 （H），通信地址：绵阳919信箱212分箱,邮编： 621900，E-mail: humc001@21cn.com。
2. 可以提高PIN探测器灵敏度的方法分析
电流型硅PIN探测器灵敏度可以用公式（1）分析计算[1-4]
(1)
式中：
¾为硅PIN探测器的能量灵敏度;
¾为PIN接收入g辐射的有效截面;
¾ 为入射辐射的能量;
w¾硅中产生出一个电子空穴对需要消耗的平均能量，PIN取3.62eV;
e¾电子电荷，其值为1.6´10－19 C；
k1—与探测器死层对入射辐射的衰减、由探测器外壳前壁向灵敏层飞去的电子数量和能量、由探测器外壳后壁向灵敏层飞去的电子数量和能量等因素有关。
¾ 为入射射线与探测器灵敏层物质作用后在灵敏层中沉积的能量，可以用MC抽样方法计算，也可以用多种解析方法初步估算,例如用能量吸收效率法进行计算时其表达式可写为：
（2）
—探测器灵敏物质Si对能量为E的辐射的质能吸收系数。
—探测器灵敏物质Si的质量密度；
—探测器灵敏物质Si在辐射入射方向上灵敏层的厚度。
实际使用的硅PIN探测器灵敏层的厚度一般小于毫米，对于能量为MeV级的入射g，其 值一般为10－2cm量级， 约10－3，为了研究方便公式（2）可以变为：
（3）
结合公式（1）我们可以得到：
（4）
通过分析公式（4）我们可以看出：影响硅PIN探测器灵敏度的因素主要有：硅PIN探测器灵敏层的面积 ，灵敏层的厚度 ，或者灵敏层的灵敏体积 ，对于一定能量的入射辐射，同样的硅材料， 的值也是不变的，由前面介绍 的物理意义以及实验理论比较可以知道：对于硅PIN探测器 值在1附件，且变化不大。因此我们可以得出：增加硅PIN探测器灵敏层的面积 ，或者增加硅PIN探测器灵敏层的厚度 ，或者直接增加硅PIN探测器灵敏层的灵敏体积 ，是提高电流型PIN探测器灵敏度的可选方法。
进一步提高电流型PIN探测器灵敏度，单靠直接增加硅PIN探测器灵敏层的面积，或灵敏层的厚度的方法要受到材料和工艺方面的制约，如果将数个PIN探测器串接起来形成阵列探测系统，这样每个探测器测量的输出信号将以某种方式叠加再一起，从而也可以提高探测系统的灵敏度。
3. 提高PIN探测器灵敏度方法的应用实例
3.1. f60mm×600mmPIN探测器
3.1.1. 结构特点简介
以前国产的硅PIN探测器灵敏面积以φ8mm值φ30mm为较常见，全耗尽层厚度一般为200～300mm，为了使硅PIN探测器灵敏度提高到约10－15 ，以部分满足灵敏度范围达到10－14~10－16 的探测器要求，根据上面对影响硅PIN探测器灵敏度的因素分析，得到的提高电流型PIN探测器灵敏度的方法，研制的f60mm×600mmPIN探测器，其灵敏面积的直径到达φ60mm，全耗尽层厚度达600mm。图1是该新型PIN探测器与以前常使用的PIN探测器的比较实物照片。照片上方为新型PIN探测器，下方为以前常使用的PIN探测器。 图1 新型PIN探测器实物比较照片
3.1.2. 灵敏度理论计算和实验测量情况
按公式（1）（3）进行理论计算，得到0.2MeV至3MeV之间的灵敏度曲线，见图2中的曲线。我们还用近1014Bq的 g放射源测量了这种类型多个探测器的 g绝对灵敏度，其实验测量数据结果[4-7]已绘入图2中，对应1.25MeV能量点处。由图2知道，提供的多个探测器实验测量数据，灵敏度最大值为5.10E-15 ，最小值为4.45E-15 ，理论计算值为4.80E-15
。测量结果分散性原因可能是由于探
图2 新型PIN探测器灵敏度计算和实验测量结果 测器加工工艺的差异和加工材料差异可能造成每个探测器有效灵敏体积有所不同，标定时每个探测器外壳前壁向灵敏层飞去的电子数量和能量、探测器外壳后壁向灵敏层飞去的电子数量和能量有差异。
3.2. f80mm×800mmPIN新型阵列探测器
3.2.1. 结构特点简介
f80mm×800mmPIN新型阵列探测器，单个PIN探测器灵敏面积的直径到达φ80mm，全耗尽层厚度达800mm。最多可将8个这样的单个PIN探测器串接起来形成阵列探测系统，图3是该新型阵列PIN探测器与以前常使用的PIN探测器的比较实物照片。照片左方为f80mm×800mmPIN新型阵列探测器，右方为以前常使用的PIN探测器。
3.2.2. 灵敏度实验测量情况
f80mm×800mmPIN新型阵列探测器的灵敏度实验测量，也是在近1014Bq的强 g放射源中进行的，图4是在该辐射场中测量的该探测系统的灵敏度与探测器供电电压之间的关系。由实验测量结果可以看出：当探测系统的供电电压大于500V时，该探测系统的灵敏度大于2´10－14 。
图3 新型阵列与以前PIN探测器实物比较照片 图4阵列PIN探测器灵敏度实验测量结果
4. 结论
1) 增加硅PIN探测器灵敏层的面积 ，或者增加硅PIN探测器灵敏层的厚度 ，或者直接增加硅PIN探测器灵敏层的灵敏体积 ，是提高电流型PIN探测器灵敏度的可选方法；
2) 研制出的f60mm×600mmPIN探测器，对 g射线的绝对灵敏度数据分布在4.45E-15 至5.10E-15 之间；
3) 将数个PIN探测器串接起来形成阵列探测系统，每个探测器测量的输出信号以某种方式叠加再一起，也可以提高探测系统的灵敏度；
4) 研制出f80mm×800mmPIN新型阵列探测系统，当供电电压大于500V时，对 g射线的灵敏度大于2´10－14 ；
5) 采用本文提出的提高电流型PIN探测器灵敏度的方法，可以使PIN探测系统的灵敏度达到10－15~10－16 范围，从而实现探测器灵敏度要求为10－15~10－16 范围的辐射测量；有效解决光电探测器和以前国产硅PIN探测器在该灵敏度范围的测量困难。
参考文献
1. Robert W.Kuckuck,Semiconductor detector for use in the current mode UCRL-51011.
2. 刘庆兆 脉冲辐射场诊断技术[M]，科学出版社，1994.12
3. 胡孟春，φ60mm´600mm硅PIN半导体探测器的脉冲时间响应性能研究，第十二届全国电子束、离子束、光子束学术年会, 2003.10 论文集 p511-515
4. 胡孟春 叶文英 周殿忠 φ60mm´600mm硅PIN探测器g灵敏度和时间响应测量〔J〕 核电子学与探测技术,2002,Vol.22 No.4 p339
5. 胡孟春, 适合裂变能区g辐射测量的新型厚灵敏层半导体探测器, 四川省传感技术第七届学术年会 2003.10论文集p70-73
6. 胡孟春，φ60mm′600mm硅PIN探测器直照g灵敏度能谱特性研究 ，中物院第七届高技术高技术青年学术交流会,2002.11 论文集 p67-70
7. 胡孟春,新型硅PIN探测器在裂变能区的g、中子灵敏度比，中国物理学会2003年秋季学术会议论文集，2003.9 p28
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