[發明專利]一種高度集成的γ輻照探測器

在審

• 申請號: 202110393624.4
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113109858A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 馬宗敏;劉俊;唐軍;石云波;薛錦龍;牛劉敏;郭浩;劉永婷;侯青峰
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29;G01T1/202
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

本發明公開了一種高度集成的γ輻照探測器，主要解決現有γ探測器不耐輻照以及無法在范圍很廣的γ劑量率下實時監測的問題。該探測器包含金剛石探頭、放大模塊、A/D轉化模塊、DDR存儲器、FPGA、上位機。金剛石探頭1是在250um厚且電阻率為0.01～0.05Ωcm²的摻硼硅片上生長了30um的多晶金剛石之后，再在多晶金剛石上利用磁控濺射器濺射了20nm的Cr和100nm的Au。金剛石探頭2是在一片300um厚的電子級單晶金剛石正反兩面利用磁控濺射器分別濺射了20nm的Pd，10nm的Ti和150nm的Au。兩種探頭都在真空下進行高溫退火，以便形成良好的歐姆接觸。本發明基于金剛石的優越性能具有良好的抗輻照性，且在劑量率為1mGy/h～1MGy/h下能夠正常工作。

技術領域

本發明屬于微電子領域，具體為一種高度集成的γ輻照探測器，可用于核能中γ輻射探測領域。

背景技術

隨著核技術的廣泛應用，核輻射探測技術所面臨的應用環境也變得越來越苛刻。傳統半導體材料制成的半導體核輻射探測器，已經難以滿足核裂變、核聚變、加速器、外太空環境等高溫、強輻射、高靈敏度的要求，必須尋找新的半導體材料來制作新一代核輻射探測器。金剛石具有優異的光、電、熱、機械及抗輻照性能，己成為制作新一代輻射探測器的首選材料。

隨著人造CVD金剛石技術的不斷發展，使得使用金剛石材料來取代許多常規硅材料器件在國內外研究領域掀起浪潮。金剛石與常規普通硅材料相比，具有更高的載流子遷移率，其中對電子而言約為2倍左右，而對于空穴來說達到了驚人的5倍左右，這一優點使得基于金剛石材料的探測器更適用于需要快速響應和良好時間分辨率的測試系統。由于其具有很高的禁帶寬度（5.5eV），大的擊穿電壓（V/cm）及強的抗輻照性能，使其可以應用于γ輻照探測器中。

即使在高劑量率下，例如，當設置在核反應堆發生附近時，也希望輻照探測器能夠正常工作。于此同時探測器還需要能夠精確測量低劑量率下的輻射。因此應該設計一款合適的γ輻照探測器，能夠滿足在足夠寬的劑量率范圍內具有良好的性能。

發明內容

本發明的目的是主要解決現有γ探測器不耐輻照以及無法在范圍很廣的γ劑量率下實時監測的問題，提供一種高度集成的γ輻照探測器。

本發明是采用如下的技術方案實現的：一種高度集成的γ輻照探測器，包括金剛石探頭、放大模塊、A/D轉化模塊、數據存儲模塊、FPGA和上位機。放大模塊對金剛石探頭感應到的信號進行放大之后模數轉化，將信號存儲在數據存儲模塊中，利用FPGA調用數據并進行一些運算（比如高斯擬合，光譜解算），在上位機上進行顯示或者選擇想要查看的數據。

上述的一種高度集成的γ輻照探測器，金剛石探頭包括金剛石探頭1和金剛石探頭2；其中金剛石探頭1最底部為摻硼硅片，摻硼硅片上生長了多晶金剛石，多晶金剛石上表面利用磁控濺射法濺射了電極，金剛石探頭2選用單晶金剛石，上下表面分別利用磁控濺射法濺射了電極；金剛石探頭1和金剛石探頭2都配有放大模塊、A/D轉化模塊、數據存儲模塊，FPGA和上位機為金剛石探頭1和金剛石探頭2共用。金剛石探頭1用于精確測量低劑量率下的輻射，金剛石探頭2用于精確測量高劑量率下的輻射。目前，半導體輻射探測器主要由硅制成。硅的晶體質量優異且足夠穩定，因此硅被公認為是久經考驗的輻射探測器材料。然而，硅輻射探測器不能長時間精確測量高劑量率輻射。相比之下，從輻射硬度的觀點來看，足夠高質量的金剛石預期優于其他材料，因此選擇在硅片表面生長了金剛石薄膜用于低劑量率環境下的檢測，利用單晶金剛石來用于高劑量率環境下的檢測，以提高檢測精度并擴大檢測范圍。

上述的一種高度集成的γ輻照探測器，金剛石探頭1中摻硼硅片的厚度為250um，多晶金剛石的厚度為30um，電極為兩層，下層為20nm的Cr，上層為100nm的Au；金剛石探頭2中電子級單晶金剛石的厚度為300um，電極為三層，下層為20nm的Pd，中層為10nm的Ti，上層為150nm的Au。