[發明專利]一種高分辨率的半導體核輻射探測器

有效

• 申請號: 200710075334.5
• 申請日: 2007-07-27
• 公開（公告）號: CN101281148A
• 公開（公告）日: 2008-10-08
• 發明（設計）人: 姚棟樑;李勝輝
• 申請（專利權）人: 江蘇天瑞信息技術有限公司
• 主分類號: G01N23/223
• 分類號: G01N23/223;G01T1/24
• 代理公司: 深圳市凱達知識產權事務所
• 代理人: 劉大彎

技術領域

本發明涉及X熒光光譜儀(以下簡稱XRF)中使用的半導體核輻射探測器，尤其是一種具有超高分辨率的改進型硅漂移半導體探測器(以下簡稱UHRD)。

背景技術

本發明主要針對能量色散X射線熒光光譜儀(以下簡稱EDXRF)中的關鍵核心部件--半導體核輻射探測器。

EDXRF是利用經X射線照射樣品后，其所含元素被激發，所產生熒光X射線具有不同能量的特點，通過探測器的能量分辨本領和正比工作特性將其分開并檢測，從而計算出樣品中元素組分含量的儀器。EDXRF系統中探測器是關鍵部件，它的性能好壞是至關重要的。對探測器的基本要求有以下幾點：

1)良好的能量分辨率和能量線性。(一般使用⁵⁵Fe放射源的5.894Kev?Mn?Ka峰的半高寬度表示探測器的能量分辨率指標)

2)探測能量范圍寬。

3)死時間短，有優良的高計數率特性。

4)良好的能譜特性，高的峰背比。(一般使用⁵⁵Fe放射源的5.894Kev?Mn?Ka峰的峰值計數與1.0Kev處的本底計數之比表示探測器的峰背比指標)

5)使用方便、可靠、堅固。

而半導體探測器則是高性能EDXRF的首選，其基本原理是，X射線光子射到探測器后形成一定數量的電子-空穴對，電子-空穴對在電場作用下形成電脈沖，脈沖幅度與X光子的能量成正比。經放大器放大后送到多道脈沖分析器。按脈沖幅度的大小分別統計脈沖數，脈沖幅度可以用X射線光子的能量標度，從而得到計數率隨光子能量變化的分布曲線，即X光能譜圖。

從上世紀六十年代起，半導體探測器被發現，應用于核射線探測，已發展了幾代，性能不斷提高，常用的半導體探測器包括，金硅面壘探測器，鋰漂移硅探測器Si(Li)，Si-PIN光電二極管探測器，硅漂移探測器SDD。

鋰漂移硅探測器Si(Li)，其組成是將高濃度的金屬鋰擴散到P型半導體材料硅中，形成P-N結，在加上反向偏壓后，在X光子打擊下，就會產生與X光子能量對應的電脈沖，這類探測器能量分辨率較高，但需加低溫，存儲和工作在液氮罐中，在脫離液氮保護后，探測器中擴散摻入的鋰將會反漂移，造成不可逆轉的變化，導致探測器損壞，這也就是液氮制冷的Si(Li)探測器在不工作時也需要液氮的根本原因，這造成使用很不方便。

Si-PIN光電二極管探測器，用二級半導體制冷，可在常溫下保存，分辨率已達到160eV。體積小重量輕，使用非常方便。但探測器等效電容較大，尤其是隨探測器面積加大而增加，使之電子噪聲較大，能量分辨率也稍差。

硅漂移探測器(SDD)的工作原理如圖1所示，是以N型高電阻硅片為基底制作的，在N型硅片(基片)的入射面和背面分別注入P+型離子層，形成P-N結，當被施加反向偏置電壓(8)，形成完全耗盡(fully?depleted)型半導體區域，這是入射X射線(1)產生的空穴和電子對而被探測的本征區(2)。

現有的硅漂移探測器(SDD)的結構如圖2所示，在高純N型硅片的射線入射面(6)制備一圓形面積均勻的P-N結，而在該P-N結相對應的背面，同樣使用離子注入技術，在中央制備一個點狀的N型陽極(5)，以陽極(5)為中心的周圍形成許多同心的P型漂移電極(7)。在工作時，器件兩面的P-N結加上反向電壓，從而在器件體內產生一個勢阱(對電子)。在漂移電極(7)上加一個電位差會在器件內產生一橫向電場，它將使勢阱彎曲從而迫使入射輻射產生的信號電子在電場作用下向陽極(5)漂移(4)，到達陽極(讀出電極)附近才產生信號。而空穴沿路徑(3)漂移。

另外，第一級的場效應管(10)內置于陽極(5)中，場效應管的柵極直接連接到陽極上。這第一級場效應管采用離子注入并在相當低的溫度下進行熱處理來制造。場效應管的通道是用深層磷注入法制作的。由于采用環形深層磷注入、通過保護環施加偏壓、場效應管區域和收集區域分割開等方法，因而對通道中的電子有一個較好的限制，于是給出一個較大的輸出電阻。該探測器利用連續不斷地翻轉場效應管的柵-漏極面結偏壓方向，使探測器漏電流放電和使陽極累積信號電荷復位。因此不再需要用一個外部控制的復位機構。