[發明專利]基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器及探測方法

在審

• 申請號: 201410234296.3
• 申請日: 2014-05-29
• 公開（公告）號: CN104062676A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 吳耀軍;帥平;貝曉敏;張倩
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G01T1/26
• 分類號: G01T1/26
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

1.一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特征在于包括：基底(1)、柵極電極(2)、絕緣緩沖層(3)、源極電極(4)、漏極電極(5)、探測層(6)、電壓測量電極(7)和恒定電流供應電極(8)；

基底(1)作為所述探測器的X射線或帶電粒子的吸收體，所述基底(1)的下表面鍍制柵極電極(2)；基底(1)的上表面為絕緣緩沖層(3)，所述絕緣緩沖層(3)覆蓋基底(1)；基底(1)中有源極電極(4)和漏極電極(5)；源極電極(4)和漏極電極(5)形狀相同，均為條形長方體，對稱分布于基底(1)的兩側且與絕緣緩沖層(3)的下表面緊密貼合；探測層(6)緊貼在絕緣緩沖層(3)的上表面上，且位于絕緣緩沖層(3)的中部；電壓測量電極(7)和恒定電流供應電極(8)均為條形電極，電壓測量電極(7)和恒定電流供應電極(8)固定在探測層(6)上表面，電壓測量電極(7)包括電壓測量電極正極(71)和電壓測量電極負極(72)，恒定電流供應電極(8)包括恒定電流供應電極正極(81)和恒定電流供應電極負極(82)；電壓測量電極正極(71)和電壓測量電極負極(72)位于探測層(6)中心的兩側，恒定電流供應電極正極(81)位于電壓測量電極正極(71)的外側，恒定電流供應電極負極(82)位于電壓測量電極負極(72)的外側；源極電極(4)、漏極電極(5)、電壓測量電極(7)和恒定電流供應電極(8)之間兩兩平行。

2.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特征在于：所述恒定電流供應電極(8)用于為探測層(6)提供恒定電流，所述電壓測量電極(7)用于測量探測層(6)的電壓降。

3.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特征在于：恒定電流供應電極正極(81)和柵極電極(2)之間形成電場，使得入射的X射線或者帶電粒子在基底(1)中電離產生的電子向探測層(6)移動。

4.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特征在于：所述源極電極(4)和漏極電極(5)之間形成電場，使得探測層(6)下方匯集的電子在所述電場的作用下漂移到漏極電極(5)而排出。

5.根據權利要求1-4所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特征在于：所述基底(1)為半導體材料，柵極電極(2)、源極電極(4)、漏極電極(5)、電壓測量電極(7)和恒定電流供應電極(8)均為金屬電極，絕緣緩沖層(3)為絕緣材料，探測層(6)為石墨烯材料。

6.根據權利要求5所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特征在于：基底(1)為硅、鍺、碳化硅、砷化鎵、碲化鎘、碲鋅鎘或銻化銦材料；柵極電極(2)、源極電極(4)、漏極電極(5)、電壓測量電極(7)和恒定電流供應電極(8)為Al電極、Ag電極、Au電極、Ti電極或Cu電極；絕緣緩沖層(3)為二氧化硅、氧化鋁或氮化硅材料；探測層(6)為單晶單層石墨烯或雙層石墨烯材料。

7.根據權利要求5所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特征在于：所述基底(1)的厚度為100-5000μm，長和寬均為0.5～2cm；絕緣緩沖層(3)的厚度為100-1000nm，探測層(6)的長和寬均為5～100μm。

8.根據權利要求1-7所述的一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測器，其特征在于：可以利用多個探測器組成探測陣列，來增加探測面積。

9.一種基于石墨烯電場效應的X射線和帶電粒子探測方法，其特征在于步驟如下：

(1)X射線光子入射到所述X射線和帶電粒子探測器的基底(1)，在其中電離產生電子空穴對，所述電子空穴對的數量通過公式計算得到，其中，N₀為電子空穴對數目，E₀為X射線能量，W₀為硅的平均電離能；

(2)電子在恒定電流供應電極正極(81)和柵極電極(2)之間加載電壓形成電場的作用下漂移運動，并匯集到探測層(6)下方，電子匯集后產生的電場的場強e為單位電荷，ε₀為真空介電常量，ε_r為二氧化硅的相對介電常量，A為電荷面積；

(3)根據石墨烯的電場效應曲線和所述電子匯集后產生的電場的場強E，確定匯集電荷產生的電場引起探測層(6)電阻值發生的改變量ΔR；

(4)恒定電流供應電極(8)為探測層(6)提供恒定電流，通過該恒定電流與所述探測層(6)電阻值發生的改變量ΔR計算探測器的輸出電壓信號ΔV；

(5)根據探測器輸出電壓信號ΔV的幅值以及探測器的標定曲線，得到入射X射線能量；根據探測器輸出電壓信號ΔV的上升沿，得到入射X射線的時間；

(6)通過公式計算能量分辨率η，其中F為法諾因子，硅的法諾因子為0.19；

通過公式計算時間分辨率t_c，中d為吸收體厚度，μ為電子遷移率，U_G為恒定電流供應電極正極81和柵極電極2之間加載的電壓。