核电子学第二课优秀课件.ppt

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1、核电子学第二课第1页，本讲稿共52页上次课关键点n时域分析与频域分析时域分析与频域分析tf(t)0时域时域0F()傅立叶变换傅立叶变换傅立叶逆变换傅立叶逆变换频域频域第2页，本讲稿共52页本堂课主要内容：本堂课主要内容：n一、气体探测器一、气体探测器 （Gasfilled Detector）n二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器 （Scintillation Detector）n三、半导体探测器三、半导体探测器 （Semiconductor Detector）第3页，本讲稿共52页为什么需要辐射探测器？为什么需要辐射探测器？n对对于于辐辐射射是是不不能能感感知知的的，因因此此人人们们必必须须借借助

2、助于于核核辐辐辐辐射射射射探探探探测测测测器器器器探探测测各各种种辐辐射射，给给出出辐辐射射的的类类类类型型型型、强强强强度度度度(数数数数量量量量)、能能能能量量量量及及时间时间时间时间等特性。即对辐射进行测量。等特性。即对辐射进行测量。n核核辐辐射射探探测测器器的的定定义义：利利用用辐辐射射在在气气体体、液液体体或或固固体体中中引引起起的的电电电电离离离离、激激激激发发发发效效应应或或其其它它物物理理、化化学学变变化化进进行行辐辐射射探探测测的的器件称为器件称为辐射探测器辐射探测器辐射探测器辐射探测器。n探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：气体探

3、测器气体探测器；闪烁体探测器闪烁体探测器；半导体探测器半导体探测器。第4页，本讲稿共52页辐射探测的基本过程：辐射探测的基本过程：n辐射粒子射入探测器的辐射粒子射入探测器的灵敏体积灵敏体积；n入入射射粒粒子子通通过过电电离离、激激发发等等效效应应而而在在探探测测器器中中沉积能量沉积能量；n探探测测器器通通过过各各种种机机制制将将沉沉积积能能量量转转换换成成某某种种形式的形式的输出信号输出信号。辐射探测器辐射探测器学习要点学习要点（研究问题）：（研究问题）：探测器探测器的的工作机制工作机制工作机制工作机制；探测器探测器的的输出回路输出回路输出回路输出回路与与输出信号输出信号输出信号输出信号；探测

4、器探测器的的主要性能指标主要性能指标主要性能指标主要性能指标；探测器探测器的的典型应用典型应用典型应用典型应用。第5页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.1气体中离子与电子的运动规律气体中离子与电子的运动规律气体的气体的电离电离与与激发激发 入入射射带带电电粒粒子子与与靶靶原原子子的的核核外外电电子子通通过过库库仑仑作作用用，使使电子获得能量而引起原子的电子获得能量而引起原子的电离电离或或激发激发。入入射射粒粒子子直直接接产产生生的的离离子子对对称称为为原原电电离离。初初电电离离产产生生的高速电子足以使气体产生的电离称为的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离次电离。总电离总电离

5、 =原电离原电离+次电离次电离 电电电电离离离离能能能能WW：带带电电粒粒子子在在气气体体中中产产生生一一电电子子离离子子对对所所需需的的平平均能量。均能量。对不同的气体，对不同的气体，W大约为大约为30eV。第6页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.1气体中离子与电子的运动规律气体中离子与电子的运动规律电子与离子在气体中的运动电子与离子在气体中的运动 当当存存在在外外加加电电场场的的作作用用情情况况时时，离离子子和和电电子子除除了了与与作作热热运运动动的的气气体体分分子子碰碰撞撞而而杂杂乱乱运运动动和和因因空空间间分分布布不不均均匀匀造造成成的的扩扩散散运运动动外外，还还有有由

6、由于于外外加加电电场场的的作作用用沿沿电电场场方方向向定向漂移。定向漂移。离子的飘移：离子的飘移：在在存存在在电电场场的的情情况况下下，两两次次碰碰撞撞之之间间离离子子从从电电场场获获得得的的能能量量又又会会在碰撞中损失，离子的能量积累不起来。在碰撞中损失，离子的能量积累不起来。电子的漂移：电子的漂移：电电子子与与气气体体分分子子发发生生弹弹性性碰碰撞撞时时，每每次次损损失失的的能能量量很很小小，因因此此，电电子子在在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来。两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来。第7页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.1气体中离子与电子的运动规律气体中离子与电

7、子的运动规律第8页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.2电离室的工作机制电离室的工作机制电离室的工作方式电离室的工作方式 (1)(1)脉冲型工作状态脉冲型工作状态 记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：称为：脉冲电离室。脉冲电离室。(2)(2)累计型工作状态累计型工作状态 记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：离室称为：累计电离室。累计电离室。第9页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.2电离室的工作机制电离室的工作机制电离室

8、的基本机构电离室的基本机构 不同类型的电离室在结构上基本相同，典型结构有不同类型的电离室在结构上基本相同，典型结构有平板型平板型平板型平板型和和圆柱型圆柱型圆柱型圆柱型。高压极高压极(K)：正高压或负高压；：正高压或负高压；收集极收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；的电位；保护极保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；：又称保护环，处于与收集极相同的电位；负载电阻负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。：电流流过时形成电压信号。第10页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n平板型电离室平板型电离室第11页，本讲稿共52

9、页一、气体探测器一、气体探测器n圆柱型电离室圆柱型电离室第12页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.31.3脉冲电离室脉冲电离室 电电离离室室处处于于脉脉脉脉冲冲冲冲工工工工作作作作状状状状态态态态，电电离离室室的的输输出出信信号号仅仅反反映映单单单单个个个个入入射射粒粒子子的的电电离离效效应应。可可以以测测量量每每个个入入射射粒粒子子的的能能能能量量量量、时间时间时间时间、强度强度强度强度等。等。脉冲电离室的输出信号：脉冲电离室的输出信号：电荷信号电荷信号，电流信号电流信号，电压信电压信号号。电离室是一个电离室是一个理想理想理想理想的的电荷源电荷源电荷源电荷源（其外回路对输出量

10、无影响）。（其外回路对输出量无影响）。第13页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.3脉冲电离室脉冲电离室 电离室可以用电流源电离室可以用电流源I0(t)和和C1并联等效。并可得到其输出并联等效。并可得到其输出回路的等效电路回路的等效电路。第14页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.4正比计数器（正比计数器（Proportional Counters）正正比比计计数数器器中中，利利用用碰碰撞撞电电离离将将入入射射粒粒子子直直接接产产生生的的电电离离效效应应放放放放大大大大了了了了，使使得得正正比比计计数数器器的的输输出出信信号号幅幅度度比比脉脉冲冲电离室显著增大。电离

11、室显著增大。对对直直接接电电离离效效应应放放大大的的倍倍数数称称为为“气气体体放放大大倍倍数数”，以以A A表示，在一定的工作条件下，表示，在一定的工作条件下，A保持为保持为常数常数。正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。正比计数器结构上必须正比计数器结构上必须满足实现满足实现碰撞电离碰撞电离碰撞电离碰撞电离的需的需要，而在强电场下才能实要，而在强电场下才能实现碰撞电离。现碰撞电离。第15页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.4正比计数器（正比计数器（Proportional Counters）正比计数器中发生的物理作用：正比计数器中

12、发生的物理作用：碰撞电离与气体放大碰撞电离与气体放大 碰碰撞撞电电离离只只只只有有有有电电子子才才能能实实现现。当当电电子子到到达达距距丝丝极极一一定定距距离离 r0 之之后后，通通过过碰碰撞撞电电离离过过程程，电电子子的的数数目目不不断断增增殖殖，这这个个过过程程称为称为气体放大过程气体放大过程，又称，又称电子雪崩。电子雪崩。光子反馈光子反馈 在在电电子子与与气气体体分分子子的的碰碰撞撞中中，不不仅仅能能产产生生碰碰撞撞电电离离，同同时时也也能能产产生生碰碰撞撞激激发发。气气体体分分子子在在退退激激时时会会发发出出紫紫外外光光子子，其其能能量量一一般般大大于于阴阴极极材材料料的的表表面面逸逸

13、出出功功，而而在在阴阴极极打打出出次电子。次电子。第16页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器气体放大过程中正离子的作用气体放大过程中正离子的作用n离离子子漂漂移移速速度度慢慢，在在电电子子漂漂移移、碰碰撞撞电电离离等等过过程程中中，可可以以认认为为正正离离子子基基本本没没动动，形形成成空空间间电电荷荷，处处于于阳阳极极丝丝附附近近，会会影影响响附附近近区区域域的的电电场场，使使电电场场强强度度变变弱弱，影影响响电电子雪崩过程的进行。子雪崩过程的进行。n正正离离子子漂漂移移到到达达阴阴极极，与与阴阴极极表表面面的的感感应应电电荷荷中中和和时时有有一一定定概概率率产产生生次次电电子子，发

14、发生生新新的的电电子子雪雪崩崩过过程程，称称为为离离子子反反馈馈；也也可可以以通通过过加加入入少少量量多多原原子子分分子子气气体体阻阻断断离离子反馈。子反馈。第17页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.4正比计数器（正比计数器（Proportional Counters）正比计数器的应用正比计数器的应用n流气式流气式4 正比计数器正比计数器 特特点点：4 立立体体角角，探探测测效效率率高高；流流气气工工作作方方式式，换换样样品品方方便，结构密封简单；阳极丝为环状。便，结构密封简单；阳极丝为环状。n低能低能X射线正比计数器射线正比计数器鼓形正比计数器鼓形正比计数器 特点：有入射窗，

15、常用特点：有入射窗，常用Be(铍铍)窗窗。n多丝正比室和漂移室多丝正比室和漂移室 多多丝丝正正比比室室的的阴阴极极为为平平板板，阳阳极极由由平平行行的的细细丝丝组组成成多多路路正正比比计计数数器器。位位置置灵灵敏敏度度达达到到mm量量级级，为为粒粒子子物物理理等等作作出出巨巨大大贡贡献献，于于1992年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。第18页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.5 G-M计数管计数管 G-M计计数数管管是是由由盖盖革革(Geiger)和和弥弥勒勒(Mueller)发发明明的的一一种利用自持放电的气体电离探测器。种利用自持放电的气体电离探测器。G-M管的特点是管的

16、特点是：制制造造简简单单、价价格格便便宜宜、使使用用方方便便。灵灵敏敏度度高高、输输出出电电荷荷量量大。大。G-M管的缺点是：管的缺点是：死时间长，仅能用于计数。死时间长，仅能用于计数。第19页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.5 G-M计数管计数管G-M管的工作机制管的工作机制 (1)正离子鞘的形成及自持放电过程正离子鞘的形成及自持放电过程 初初始始电电离离及及碰碰撞撞电电离离过过程程（电电子子加加速速发发生生碰碰撞撞电电离离形形成成电电子子潮潮雪崩过程）雪崩过程）放电传播放电传播（气体放出的紫外光子打到阴极上并打出次电子）（气体放出的紫外光子打到阴极上并打出次电子）正正离离

17、子子鞘鞘向向阴阴极极漂漂移移过过程程（形形成成“离离子子电电流流”，是是形形成成输输出出脉脉冲冲的的主主要贡献）要贡献）正离子在阴极表面的电荷中和过程。正离子在阴极表面的电荷中和过程。(2)有机和卤素自熄有机和卤素自熄G-M计数管计数管 在在工工作作气气体体中中加加入入少少量量有有有有机机机机气气气气体体体体或或或或卤卤卤卤素素素素气气气气体体体体，构构成成的的G-M管管，具具有有自熄能力。自熄能力。第20页，本讲稿共52页一、气体探测器一、气体探测器n1.5 G-M计数管计数管G-M计数管的典型结构及性能计数管的典型结构及性能 G-M管管主主要要有有圆圆柱柱型型和和钟钟罩罩型型两两种种。圆圆

18、柱柱型型主主要要用用于于 射射线线测测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于，射线的测量。射线的测量。第21页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器 闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器是利用辐射在某些物质中产生的是利用辐射在某些物质中产生的闪光闪光闪光闪光来探来探测电离辐射的探测器。测电离辐射的探测器。第22页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n闪烁探测器的工作过程：闪烁探测器的工作过程：(1)辐射射入闪烁体使闪烁体原子辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离电离或或激发激发，受激原，受激原子子退激退激而发出波长在可见光波段的而发出波长在可见光

19、波段的荧光荧光荧光荧光；(2)荧光光子被收集到荧光光子被收集到光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管(PMT)的的光阴极光阴极光阴极光阴极，通过，通过光电效应光电效应光电效应光电效应打出打出光电子光电子光电子光电子；(3)光光电子在光电倍增管里运动并倍增电子在光电倍增管里运动并倍增电子在光电倍增管里运动并倍增电子在光电倍增管里运动并倍增，并在，并在阳极输出阳极输出阳极输出阳极输出回路回路回路回路输出信号。输出信号。n n闪烁探测器闪烁探测器可用来测量可用来测量入射粒子入射粒子的的能量能量。第23页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n2.1闪烁体闪烁体闪烁体的分类闪烁体的分类 无

20、机闪烁体无机闪烁体无机闪烁体无机闪烁体：无机晶体无机晶体无机晶体无机晶体(掺杂掺杂)玻璃体玻璃体玻璃体玻璃体 纯晶体纯晶体纯晶体纯晶体 有机闪烁体有机闪烁体有机闪烁体有机闪烁体：有机晶体：有机晶体蒽晶体等；有机液体闪蒽晶体等；有机液体闪烁体及塑料闪烁体。烁体及塑料闪烁体。第24页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n2.1闪烁体闪烁体闪烁体的发光机制闪烁体的发光机制 无机闪烁体的发光机制无机闪烁体的发光机制 晶晶体体中中电电子子的的能能态态不不再再用用原原子子能能级级表表示示，而而用用“能能带带”来来描描述述，晶晶体体的的发发光光机机制制取取决决于于整整个个晶晶体体的的电电子子能能

21、态。态。对于离子晶体，辐射射对于离子晶体，辐射射入闪烁体使晶体原子入闪烁体使晶体原子电电离离和和激发激发。第25页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n2.1闪烁体闪烁体闪烁体的发光机制闪烁体的发光机制 有机闪烁体的发光机制有机闪烁体的发光机制 有有机机闪闪烁烁体体的的发发射射光光谱谱和和吸吸收收光光谱谱的的峰峰值值是是分分开开的的，所所以以，有有机机闪闪烁烁体体对对其其所所发发射射的的荧荧光光是是透透明明的的。但但发发射射谱谱的的短短波波部部分分与与吸吸收收谱谱的的长长波波部部分分有有重重叠叠，为为此此在在有有的的有有机机闪闪烁烁体体中加入中加入移波剂移波剂，以减少自吸收。，以减

22、少自吸收。第26页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n2.1闪烁体闪烁体光的收集光的收集 1)反射层反射层 在在非非光光子子出出射射面面打打毛毛，致致使使光光子子漫漫反反射射，并并再再衬衬以以或涂敷氧化镁或氧化钛白色粉末。或涂敷氧化镁或氧化钛白色粉末。2)光学耦合光学耦合 为为防防止止光光由由光光密密介介质质到到光光疏疏介介质质发发生生的的全全反反射射，用用折折射射系系数数 n=1.41.8 的硅脂的硅脂(或硅油或硅油)。3)光导光导 常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸不符或其它特殊常用于闪烁体与光电倍增管的尺寸不符或其它特殊需要。需要。第27页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪

23、烁体探测器n2.2光电倍增管光电倍增管光电倍增管的结构光电倍增管的结构第28页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n2.2光电倍增管光电倍增管光电倍增管的主要性能光电倍增管的主要性能 光阴极的光谱响应光阴极的光谱响应 光光阴阴极极受受到到光光照照后后，发发射射光光电电子子的的概概率率是是入入射射光光波波长长的的函函数数，称称作作“光谱响应光谱响应”。光照灵敏度光照灵敏度 阴极灵敏度；阳极灵敏度。阴极灵敏度；阳极灵敏度。光电倍增管的暗电流与噪声光电倍增管的暗电流与噪声 当当工工作作状状态态下下的的光光电电倍倍增增管管完完全全与与光光辐辐射射隔隔绝绝时时，其其阳阳极仍能输出电流极仍能输

24、出电流(暗电流暗电流)及脉冲信号及脉冲信号(噪声噪声)。光电倍增管的时间特性与稳定性。光电倍增管的时间特性与稳定性。第29页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n2.3单晶闪烁谱仪单晶闪烁谱仪 闪烁谱仪的组成与工作原理闪烁谱仪的组成与工作原理 闪烁体、闪烁体、PMT以及配套的电子学仪器组成。以及配套的电子学仪器组成。X或或 射射线线不不带带电电，它它与与闪闪烁烁体体的的相相互互作作用用是是通通过过三三种种次次次次级级级级效效效效应应应应实实现现的的，它它产产生生的的次次次次级级级级电电电电子子子子的的的的能能能能谱谱谱谱是是相相当当复复杂杂的的，因因而而由由次次次次级级级级电电电电

25、子子子子产产产产生生生生的的输输输输出出出出脉脉脉脉冲冲冲冲幅幅幅幅度度度度谱谱谱谱也也是是相当复杂的。相当复杂的。以以NaI(Tl)闪烁晶体的单晶闪烁晶体的单晶 闪烁谱仪为例。闪烁谱仪为例。第30页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n2.3单晶闪烁谱仪单晶闪烁谱仪单能射线的输出脉冲幅度谱单能射线的输出脉冲幅度谱 射线与物质的相互作用：射线与物质的相互作用：第31页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n2.3单晶闪烁谱仪单晶闪烁谱仪单能射线的输出脉冲幅度谱单能射线的输出脉冲幅度谱 常见单能常见单能 射线谱射线谱第32页，本讲稿共52页二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器n

26、2.3单晶闪烁谱仪单晶闪烁谱仪单能射线的输出脉冲幅度谱单能射线的输出脉冲幅度谱 常见单能常见单能 射线谱射线谱第33页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器 半半半半导导导导体体体体探探探探测测测测器器器器的的基基本本原原理理是是带带电电粒粒子子在在半半导导体体探探测测器器的的灵灵敏敏体体积积内内产产生生电电电电子子子子空空空空穴穴穴穴对对对对，电电子子空空穴穴对对在在外外电电场场的作用下的作用下漂移漂移漂移漂移而输出信号。而输出信号。我我们们把把气气气气体体体体探探探探测测测测器器器器中中的的电电电电子子子子离离离离子子子子对对对对、闪闪闪闪烁烁烁烁探探探探测测测测器器器器中中被被

27、 PMTPMT第第第第一一一一打打打打拿拿拿拿极极极极收收收收集集集集的的的的电电电电子子子子 及及半半半半导导导导体体体体探探探探测测测测器器器器中中的的电电电电子子子子空空空空穴穴穴穴对对对对统统称称为为探探探探测测测测器器器器的的的的信信信信息息息息载载载载流流流流子子子子。产产生生每每个个信信息息载载流流子子的的平平均均能能量量分分别别为为30eV30eV(气气气气体体体体探探探探测测测测器器器器)，300eV300eV(闪闪闪闪烁烁烁烁探探探探测测测测器器器器)和和3eV3eV(半导体探测器半导体探测器半导体探测器半导体探测器)。第34页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测

28、器n n半导体探测器半导体探测器的特点：的特点：(1)(1)能量分辨率最佳能量分辨率最佳能量分辨率最佳能量分辨率最佳；(2)射线探测效率较高射线探测效率较高射线探测效率较高射线探测效率较高，可与闪烁探测器相比。，可与闪烁探测器相比。常用半导体探测器有：常用半导体探测器有：(1)(1)P-NP-N结型结型结型结型半导体探测器；半导体探测器；(2)锂漂移型锂漂移型锂漂移型锂漂移型半导体探测器；半导体探测器；(3)高纯锗高纯锗高纯锗高纯锗半导体探测器。半导体探测器。第35页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.1半导体的基本性质半导体的基本性质 常用半导体材料为常用半导体材料为硅硅(

29、Si)和和锗锗(Ge)，均为，均为IV族元素。族元素。本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 1)本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体：理想、无杂质的半导体。由于热运动而产生的理想、无杂质的半导体。由于热运动而产生的载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度称为称为本征载流子浓度，本征载流子浓度，本征载流子浓度，本征载流子浓度，且导带中的且导带中的电子数电子数电子数电子数和价带中和价带中的的空穴数严格相等。空穴数严格相等。空穴数严格相等。空穴数严格相等。固体物理理论已证明半导体内的固体物理理论已证明半导体内的载载载载流子平衡浓度流子平衡浓度流子平衡浓度流子平衡浓度为为：第36页，本讲稿

30、共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.1半导体的基本性质半导体的基本性质本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 2)杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体 替位型替位型：III族元素，如族元素，如B，Al，Ga等；等；V族元素，如族元素，如P，As，Sb等等 间隙型间隙型：Li，可在晶格间运动。，可在晶格间运动。施主杂质施主杂质施主杂质施主杂质（施主杂质为施主杂质为V V族族族族元素，其电离电位元素，其电离电位E ED D很低。在室温下，很低。在室温下，这些杂质原子几乎全部电离。掺有施主杂质的半导体称为这些杂质原子几乎全部电离。掺有施主杂质的半导体称为N N 型型型型半导体半导

31、体半导体半导体。）受主杂质受主杂质受主杂质受主杂质（受主杂质为受主杂质为IIIIII族族族族元素，其电离电位元素，其电离电位E EA A也很低。掺有受也很低。掺有受主杂质的半导体称为主杂质的半导体称为P P 型半导体型半导体型半导体型半导体。）第37页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.1半导体的基本性质半导体的基本性质半导体作为探测介质的物理性能半导体作为探测介质的物理性能 1)平均电离能平均电离能 入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。2)载流子的漂移载流子的漂移 由由于于电电子子迁迁移移率率 n 和和

32、 空空穴穴迁迁移移率率 p 相相近近，与与气气体体探探测测器器不不同同，不存在电子型或空穴型半导体探测器。不存在电子型或空穴型半导体探测器。SiGe300K3.62eV2.80eV 77K3.76eV2.96eV第38页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.1半导体的基本性质半导体的基本性质半导体作为探测介质的物理性能半导体作为探测介质的物理性能 3)电阻率与载流子寿命电阻率与载流子寿命 掺掺杂杂将将大大大大降降低低半半导导体体的的电电阻阻率率，对对硅硅来来说说掺掺杂杂对对电电阻阻率率的的影影响响比比锗锗显显著著得得多多。当当半半导导体体材材料料被被冷冷却却到到液液氮氮温温度度

33、时时将将大大大大提提高高电电阻率。阻率。载载载载流流流流子子子子寿寿寿寿命命命命 -载载流流子子在在俘俘获获以以前前，可可在在晶晶体体中中自自由由运运动动的的时时间间。只只有有当当漂漂移移长长度度大大于于灵灵敏敏体体积积的的长长度度才才能能保保证证载载流流子子的的有有效效收收集集。对对高高纯纯度度的的Si和和Ge 10-3s，决决定定了了Si和和Ge为为最最实用的半导体材料。实用的半导体材料。半导体电阻率半导体电阻率：第39页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理结半导体探测器的工作原理 1)P-N结区结区(势

34、垒区势垒区)的形成的形成多多数数载载流流子子扩扩散散，空空间间电电荷荷形形成成内内电电场场并并形形成成结结结结区区区区。结结区区内内存存在在着着势势垒垒，结结区区又又称称为为势势势势垒垒垒垒区区区区。势势垒垒区区内内为为耗耗耗耗尽尽尽尽层层层层，无无无无载载载载流流流流子子子子存存存存在在在在，实现实现高电阻率高电阻率高电阻率高电阻率。第40页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理结半导体探测器的工作原理 1)P-N结区结区(势垒区势垒区)的形成的形成 在在P-N结结上上加加反反向向电电压压，由由于于结结区区电

35、电阻阻率率很很高高，电电位位差差几几乎乎都都降降在在结结区区。反反向向电电压压形形成成的的电电场场与与内内电电场场方方向向一一致致。外外加加电电场场使使结结区区宽宽度度增增大。反向电压越高，结区越宽。大。反向电压越高，结区越宽。在外加反向电压时的反向电流：在外加反向电压时的反向电流：少子的扩散电流，结区面积不变，少子的扩散电流，结区面积不变，IS 不变不变；结区体积加大，热运动产生电子空穴多，结区体积加大，热运动产生电子空穴多，IG 增大增大；反向电压产生反向电压产生漏电流漏电流 IL，主要是表面漏电流。，主要是表面漏电流。即在使结区变宽的同时，即在使结区变宽的同时，I IGG 增加增加增加增

36、加,IS不变，并出现不变，并出现IL，此时表，此时表现的宏观电流称为现的宏观电流称为暗电流暗电流暗电流暗电流。第41页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理结半导体探测器的工作原理 2)P-N结半导体探测器的特点结半导体探测器的特点 结区的空间电荷分布，电场分布结区的空间电荷分布，电场分布n-typep-type-+P-N结内结内N N区区区区和和P P区区区区的的电电电电荷密度荷密度荷密度荷密度分别为：分别为：式式中中ND和和NA分分别别代代表表施施主主杂杂质质和和受受主主杂杂质质浓浓度度；a,b则则代代表表

37、空空间间电电荷荷的的厚厚度度。一一般般a,b不不一一定定相相等等，取取决决于于两两边边的的杂杂质质浓浓度度，耗耗尽尽状状态态下下结区总电荷为零，即结区总电荷为零，即结区总电荷为零，即结区总电荷为零，即N ND Da aN NA Ab b。第42页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理结半导体探测器的工作原理 2)P-N结半导体探测器的特点结半导体探测器的特点 结区的空间电荷分布，电场分布结区的空间电荷分布，电场分布 电场为非均匀电场：电场为非均匀电场：第43页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3

38、.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器P-N结半导体探测器的工作原理结半导体探测器的工作原理 2)P-N结半导体探测器的特点结半导体探测器的特点 结区宽度与外加电压的关系结区宽度与外加电压的关系 结区宽度的限制因素及结电容随工作电压的变化结区宽度的限制因素及结电容随工作电压的变化 受材料的受材料的击穿电压击穿电压击穿电压击穿电压的限制；受的限制；受暗电流暗电流暗电流暗电流的限制。的限制。结区电容随外加电压变化而变化，外加电压的不稳定可以影响探结区电容随外加电压变化而变化，外加电压的不稳定可以影响探测器输出电压幅度的不稳定。测器输出电压幅度的不稳定。Ni为掺杂少的一为掺杂少的一边的杂质浓度。边

39、的杂质浓度。第44页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器P-N结半导体探测器的类型结半导体探测器的类型 1)扩散结扩散结(Diffused Junction)型探测器型探测器 采采用用扩扩散散工工艺艺高高温温扩扩散散或或离离子子注注入入；材材料料一一般般选选用用P P型型型型高高高高阻阻阻阻硅硅硅硅，电电阻阻率率为为1000；在在电电极极引引出出时时一一定定要要保保证证为为欧欧姆姆接触，以防止形成另外的结。接触，以防止形成另外的结。2)金硅面垒金硅面垒(Surface Barrier)探测器探测器 一一般般用用N型型型型高高高高阻阻阻阻硅

40、硅硅硅，表表面面蒸蒸金金50100 g/cm2 氧氧化化形形成成P型型硅硅，而形成而形成P-N结。工艺成熟、简单、价廉。结。工艺成熟、简单、价廉。第45页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.2 P-N结半导体探测器结半导体探测器P-N结半导体探测器的输出电路结半导体探测器的输出电路第46页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.3锂漂移半导体探测器锂漂移半导体探测器锂的漂移特性及锂的漂移特性及P-I-N结结 1)间隙型杂质间隙型杂质Li Li为施主杂质，电离能很小为施主杂质，电离能很小 0.033eV Li漂移速度漂移速度2)P-I-N结的形成结的形成第47页，

41、本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.3锂漂移半导体探测器锂漂移半导体探测器锂的漂移探测器工作原理锂的漂移探测器工作原理 空间电荷、电场及电位分布空间电荷、电场及电位分布I区区为为完全补偿区完全补偿区，呈电中性，呈电中性为均匀电场；为均匀电场；I区区为为耗尽层耗尽层，电阻率可达，电阻率可达1010 cm；I区区厚度可达厚度可达1020mm，为，为灵敏体积灵敏体积。杂杂质质电电位位电电场场电电荷荷第48页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.4高纯锗半导体探测器高纯锗半导体探测器 由耗尽层厚度的公式：由耗尽层厚度的公式：降降低低杂杂质质的的浓浓度度Ni可可提提高高耗

42、耗尽尽层层的的厚厚度度。高高纯纯锗锗半半导导体体探探测测器器是是由由极极高高纯纯度度的的Ge单单晶晶制制成成的的 P-NP-N结结结结 半半导导体体探探测测器器。杂质浓度为杂质浓度为1010原子原子/cm3。一般半导体材料杂质浓度为一般半导体材料杂质浓度为1015原子原子/cm3。第49页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.4高纯锗半导体探测器高纯锗半导体探测器 采采用用高高纯纯度度的的P P型型型型Ge单单晶晶，一一端端表表面面通通过过蒸蒸发发扩扩散散或或加加速速器器离离子子注注入入施施主主杂杂质质(如如磷磷或或锂锂)形形成成N N区区区区 和和 N N+，并并形形成成P-

43、NP-N结结结结。另一端蒸金属形成。另一端蒸金属形成P P+，并作为入射窗。两端引出电极。，并作为入射窗。两端引出电极。HPGe半导体探测器可在半导体探测器可在常温下常温下常温下常温下保存保存保存保存，低温下工作低温下工作低温下工作低温下工作。QVE第50页，本讲稿共52页三、半导体探测器三、半导体探测器n3.5锂漂移和锂漂移和HPGe半导体探测器的应用半导体探测器的应用 HPGe和和Ge(Li)用用于于组组成成 谱谱仪仪：锗锗具具有有较较高高的的密密度度和和较较高高的原子序数的原子序数(Z=32)。谱谱仪仪的的应应用用：活活化化分分析析；X射射线线荧荧光光分分析析；核核物物理理研研究究等。等

44、。Si(Li)探测器：探测器：由由于于Si的的Z14，对对一一般般能能量量的的 射射线线，其其光光电电截截面面仅仅为为锗的锗的1/50，因此，其主要应用为：，因此，其主要应用为：低低能能量量的的 射射线线和和X射射线线测测量量，在在可可得得到到较较高高的的光光电电截截面面的的同同时时，Si的的X射射线线逃逃逸逸将将明明显显低低于于锗锗的的X射射线线逃逃逸逸；粒粒子子或或其其他他外外部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可减少反散射。部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可减少反散射。第51页，本讲稿共52页总结n一、气体探测器一、气体探测器 （原理、工作机制、脉冲电离室、正比计数器、原理、工作机制、脉冲电离室、正比计数器、G-M计数管计数管）n二、闪烁体探测器二、闪烁体探测器 （原理、闪烁体、光电倍增管、单晶闪烁谱仪原理、闪烁体、光电倍增管、单晶闪烁谱仪）n三、半导体探测器三、半导体探测器 （原理、半导体性质、原理、半导体性质、P-N结半导体探测器、锂漂移半导结半导体探测器、锂漂移半导体探测器、高纯锗半导体探测器体探测器、高纯锗半导体探测器）第52页，本讲稿共52页