CN110346828B - 一种高线性快响应的半导体探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高线性快响应的半导体探测器，包括外壳以及半导体组件；外壳设置闪烁体组件以及半导体组件；半导体组件包括基板、半导体晶体、高压电极层与收集电极层；基板通过设置在侧筒体底部的至少两根支撑柱固定在侧筒体内；基体上安装半导体晶体；半导体晶体下表面与基体上表面之间设置高压电极层，半导体晶体上表面设置收集电极层，用于接收闪烁体组件激发出的部分荧光；高压电极层通过高压线与外部高压电源连接，收集电极层通过信号输出导线向外部输出信号。本发明主要利用闪烁体耦合半导体组件，克服了现有半导体晶体的低脉冲线性和慢时间响应问题。

Description

一种高线性快响应的半导体探测器
技术领域
本发明涉及一种辐射探测装置，具体涉及一种高线性快响应的半导体探测器。
背景技术
碲锌镉(CdZnTe，简称CZT)是一种新型室温化合物半导体材料,具有较高的平均原子序数、较高的密度、较高的电阻率以及较宽的禁带宽度等综合优势。
高平均原子序数，使CZT探测器对中高能X/γ射线具有较高的探测效率；
高密度，使CZT探测器体积小，在群探测中具有较强的兼容性，在空间探测中具有极大的优势；
高电阻率和宽禁带宽度，使CZT探测器在室温下具有较低的暗电流，解决了常用的Si、Ge半导体探测器的低温应用限制，有效降低了探测***的复杂程度。
基于CZT的辐射探测技术研究，已为空间探测、医疗诊断以及工业探伤等领域提供了新的探测技术途径。目前，得益于CZT材料的综合优势，CZT探测器在能谱测量方面已获得了广泛应用，在脉冲辐射探测方面，有望提供一种具有快时间响应(ns量级)、高信噪比、高脉冲线性的室温半导体探测器，具有极大的研究价值和应用前景。
入射粒子通过沉积能量方式在晶体内产生大量载流子。载流子在外加电场作用下向高压极和信号收集极迁移，电极上的感应信号反映了脉冲辐射的情况。然而，受到晶体生长技术的限制，晶体内缺陷对载流子俘获和去俘获效应等效，使得空穴在探测器电极上的感应信号存在非线性，造成探测器线性特性较差。此外，俘获和去俘获效应，等效延长载流子寿命，造成探测器时间响应较慢。
脉冲线性和时间响应是脉冲辐射探测器的关键性能指标。CZT探测器的低脉冲线性和慢时间响应大大限制其在脉冲辐射探测领域方面的应用。因此，亟需探索可行技术途径，削弱甚至克服晶体内缺陷对载流子的俘获和去俘获效应(主要是指空穴)，深化对CZT探测器辐射探测机理的认识，并进一步扩展探测器的适用范围。
发明内容
为克服半导体晶体的低脉冲线性和慢时间响应问题，本发明提供了一种基于闪烁体耦合半导体晶体的高脉冲线性快时间响应的半导体探测器。
本发明的技术解决方案是：
本发明公开了一种高线性快响应的半导体探测器，包括外壳以及半导体组件；外壳包括水平筒体以及与水平筒体连通的侧筒体；
水平筒体内设置有闪烁体组件；
侧筒体内沿闪烁体组件激发出的荧光传输方向依次设置有限束光阑以及半导体组件；
半导体组件包括基板、半导体晶体、高压电极层与收集电极层；
基板通过设置在侧筒体底部的至少两根支撑柱固定在侧筒体内；
基体上安装半导体晶体；半导体晶体下表面与基体上表面之间设置高压电极层，半导体晶体上表面设置收集电极层，用于接收闪烁体组件激发出的部分荧光；
高压电极层通过高压线与外部高压电源连接，收集电极层通过信号输出导线向外部输出信号。
进一步地，上述闪烁体组件包括闪烁体和闪烁体支撑板；闪烁体支撑板固定于所述水平筒体内，闪烁体安装在闪烁体支撑板内；闪烁体支撑板采用为黑尼龙材料制作。
进一步地，上述闪烁体是具有快衰减时间为ns级或亚ns级的无机闪烁体或有机闪烁体。
进一步地，上述水平筒体的中轴线和侧筒体中轴线之间的夹角为45°。
进一步地，上述外壳采用Fe材料制作，其内抽真空；高压电极层和收集电极层的材料为金，厚度均为20nm±5nm。
进一步地，上述半导体晶体为CZT单晶或砷化镓GaAs晶体或碲化镉CdTe晶体。
进一步地，上述高压电源与高压电极层之间串接有电阻，电阻与高压电极层之间通过电容接地。
进一步地，上述电阻阻值为18.2kΩ，所述电容为100nF的电容。
进一步地，上述半导体晶体与高压电极层及收集电极均为欧姆接触。
进一步地，上述支撑柱为铜材料制作。
本发明的有益效果是：
本发明通过采用闪烁体耦合半导体晶体，保证闪烁体发出的荧光只在半导体收集电极层上产生电子空穴对，空穴很快被收集，电子在外加电场作用下向高压电极层迁移形成输出信号，弱化了空穴输运过程对探测器输出信号的影响，使半导体探测器具有高脉冲线性和快时间响应特性，改善半导体探测器弱的动态跟随能力问题，从而为脉冲辐射场测量提供具有高脉冲线性快时间响应的半导体探测器。
附图说明
图1是本发明实施例中CZT探测器结构示意图；
图2是本发明实施例中CZT探测器内部电路示意图；
图3为荧光照在高压电极层时300V工作电压下半导体探测器输出曲线图；
图4为荧光照在信号收集层时300V工作电压下半导体探测器输出曲线图；
图5是本发明实施例中CZT探测器电极设计图。
附图标记如下：
1-闪烁体支撑板，2-闪烁体，3-外壳，4-限束光阑，5-CZT晶体，6-基板，7-支撑柱，8-信号输出线，9-高压线，10-收集电极层，11-高压电极层，12-电阻，13-电容、14-水平筒体、15-侧筒体。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。本实施例以CZT探测器为例进行说明，需要说明的是：本发明同样适用于其它半导体，差异性在于根据半导体材料参数选取不同参数的闪烁体、电阻、电容等器件，具有广泛的适用性。
如图1所示，本实施例提出的CZT探测器包括外壳3、半导体组件以及闪烁体组件；
外壳3包括水平筒体14以及与水平筒体14连通的侧筒体15，且水平筒体14的中轴线和侧筒体15中轴线之间的夹角为45°；还需要说明的是：本实施例中：外壳3材料为Fe，水平筒体14的尺寸为Φ100mm×200mm，侧筒体15的尺寸为Φ88mm×150mm，水平筒体14以及侧筒体15的筒壁厚均为4mm。
闪烁体组件包括闪烁体2和闪烁体支撑板1；闪烁体支撑板固定在水平筒体14内部，同时固定闪烁体2；闪烁体2的材料为具有快衰减时间(ns甚至亚ns)的无机闪烁体或有机闪烁体，尺寸为Φ50mm×10mm；
侧筒体15内沿闪烁体组件激发出的荧光传输方向依次设置有限束光阑4以及半导体组件；其中，限束光阑4控制到达半导体组件的荧光份额，同时屏蔽散射射线和杂散光；
如图1和2所示，半导体组件包括CZT晶体5、基板6、支撑柱7、收集电极层10、高压电极层11；CZT晶体5固定基板上；基板6通过支撑柱7固定在侧筒体15内；如图3和图4所示，这两张图说明了光分别照射在收集电极层10、高压电极层11时，探测器线性特性出现较大差异，具体是：当探测器工作电压为300V时，若光照射高压电极层11时，探测器输出为非线性，而若光照射在收集电极层10时，探测器输出为线性。因此，CZT晶体5下表面与基体6上表面之间设置高压电极层11，CZT晶体5上表面设置收集电极层10，用于接收闪烁体组件激发出的部分荧光；收集电极层10、高压电极层11的材料均为金，其面积与CZT单晶5灵敏面积一致，厚度为20nm±5nm。CZT单晶5与高压电极层11、收集电极层10均为欧姆接触，电阻率约为1011Ω·cm。
高压电极层11通过高压线9与外部高压电源连接，收集电极层10通过信号输出导线8向外部输出信号，如图5所示，本实施例中高压电源与高压电极层之间串接有18.2kΩ的电阻12，电阻12与高压电极层11之间通过一个100nF电容13接地，实现保护高压源。

Claims (7)

1.一种高线性快响应的半导体探测器，包括外壳以及半导体组件；
其特征在于：所述外壳包括水平筒体以及与水平筒体连通的侧筒体；
水平筒体内设置有闪烁体组件；侧筒体内沿闪烁体组件激发出的荧光传输方向依次设置有限束光阑以及半导体组件；半导体组件包括基板、半导体晶体、高压电极层与收集电极层；基板通过设置在侧筒体底部的至少两根支撑柱固定在侧筒体内；基体上安装半导体晶体；半导体晶体下表面与基体上表面之间设置高压电极层，半导体晶体上表面设置收集电极层，用于接收闪烁体组件激发出的部分荧光；高压电极层通过高压线与外部高压电源连接，收集电极层通过信号输出导线向外部输出信号；
闪烁体组件包括闪烁体和闪烁体支撑板；闪烁体支撑板固定于所述水平筒体内，闪烁体安装在闪烁体支撑板内；闪烁体支撑板采用为黑尼龙材料制作；所述水平筒体的中轴线和侧筒体中轴线之间的夹角为45°；
外壳采用Fe材料制作，其内抽真空；高压电极层和收集电极层的材料为金，厚度均为20nm±5nm。
2.根据权利要求1所述的高线性快响应的半导体探测器，其特征在于：
闪烁体是具有快衰减时间为ns级或亚ns级的无机闪烁体或有机闪烁体。
3.根据权利要求1所述的高线性快响应的半导体探测器，其特征在于：半导体晶体为CZT单晶或砷化镓GaAs晶体或碲化镉CdTe晶体。
4.根据权利要求1所述的高线性快响应的半导体探测器，其特征在于：
所述高压电源与高压电极层之间串接有电阻，电阻与高压电极层之间通过电容接地。
5.根据权利要求4所述的高线性快响应的半导体探测器，其特征在于：所述电阻阻值为18.2kΩ，所述电容为100nF的电容。
6.根据权利要求1所述的高线性快响应的半导体探测器，其特征在于：所述半导体晶体与高压电极层及收集电极均为欧姆接触。
7.根据权利要求1所述的高线性快响应的半导体探测器，其特征在于：支撑柱为铜材料制作。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2000028351A1 (en) * 1998-11-09 2000-05-18 Iwanczyk Jan S Gamma-ray detector employing scintillators coupled to semiconductor drift photodetectors
US6768326B2 (en) * 2001-10-01 2004-07-27 General Electric Company SiC photodiode detectors for radiation detection applications
US8076647B2 (en) * 2008-10-21 2011-12-13 Matt Danielsson X-ray detector, a corresponding x-ray imaging device and a method for improving the resolution of a scintillator-based x-ray detector
CN101740666B (zh) * 2009-12-23 2011-04-27 西北工业大学 在碲锌鎘晶体上制备金电极的方法
WO2012104798A2 (en) * 2011-02-03 2012-08-09 Koninklijke Philips Electronics N.V. Radiation sensitive imaging detector including a radiation hard wavelength shifter
JP6381638B2 (ja) * 2013-06-28 2018-08-29 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 半導体シンチレーション検出器
CN106249273B (zh) * 2016-07-19 2019-09-27 西北核技术研究所 高灵敏度拼接式czt探测器的灵敏度标定方法
US10408949B2 (en) * 2017-08-17 2019-09-10 Bruker Axs, Inc. Indirect photon-counting analytical X-ray detector

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