輻射探測(cè)器應(yīng)用及發(fā)展

1、輻射探測(cè)器應(yīng)用及其發(fā)展摘要：本文詳細(xì)的描述了輻射探測(cè)器的發(fā)展史，簡(jiǎn)單的介紹了探測(cè)器的分類(lèi)和區(qū)別，最后重點(diǎn)闡述了GaN探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：輻射探測(cè)器；GaN探測(cè)器ApplicationandDevelopmentofRadiationDetectorChenhengSFi6060i8)AbstractInthispaper,thehistoryofradiationdetectorsisdescribedindetail,andtheclassificationanddifferenceofdetectorsareintroduced.Finally,thedevelopmentofGaN

2、detectorsisdiscussed.KeywordsRadiationdetector；GaNdetectors1 .引言在當(dāng)代社會(huì)中，由于社會(huì)發(fā)展的要求，對(duì)核物理實(shí)驗(yàn)與核科學(xué)的研究起到了巨大的推動(dòng)作用，也是由以上科學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)致了核輻射探測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大，不管是就核科學(xué)技術(shù)研究來(lái)說(shuō)，還是出于對(duì)公共安全的考慮，我們都必須對(duì)核輻射探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提出更高的要求標(biāo)準(zhǔn)。作為實(shí)現(xiàn)核輻射探測(cè)的關(guān)鍵，核輻射探測(cè)器的研制就顯得尤為重要1。相信我們?nèi)匀粚?duì)2011年發(fā)生的日本福島核電站事件記憶猶新，在那個(gè)事件中，日本福島的第一核電站其中的1號(hào)反應(yīng)堆發(fā)生爆炸。這場(chǎng)爆炸立刻吸引了全世界的注意，人們對(duì)此

3、都表現(xiàn)除了強(qiáng)烈的擔(dān)憂，因?yàn)檫@不禁讓人聯(lián)想起另一個(gè)與之相類(lèi)似的事件。那就是在1986年，發(fā)生在前蘇聯(lián)的切爾諾比利的核電站出現(xiàn)的泄漏事故，那場(chǎng)事故所造成的深遠(yuǎn)影響至今仍沒(méi)有消散。因而，對(duì)核能的安全利用問(wèn)題的討論，使得輻射探測(cè)技術(shù)這一問(wèn)題，再一次成為了國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)。眾所周知，核能是由原子核的質(zhì)量轉(zhuǎn)變而成的能量，由愛(ài)因斯坦經(jīng)典的質(zhì)能方程E=m(2,方程中的E是代表的是能量，c代表的是光速，m代表的是質(zhì)量。在原子核的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康倪^(guò)程中會(huì)釋放出巨大的能量。同時(shí)，在核反應(yīng)產(chǎn)生能量的過(guò)程中還有大量的射線被釋放出來(lái)，這些射線會(huì)對(duì)人類(lèi)和環(huán)境產(chǎn)生巨大的傷害。射線主要有三種，分別為民,B和丫三種射線，其中

4、a射線是He核，一張紙片就能輕易擋住，但是當(dāng)其進(jìn)入人體內(nèi)部之時(shí)，卻可以產(chǎn)生相當(dāng)大的危害,B射線是電子流，皮膚如果被B射線照射到，就會(huì)產(chǎn)生明顯的損傷。以上兩種射線的影響范圍都比較小，穿透力也比較小，只要放射源不進(jìn)入人體內(nèi)，就不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生太大的傷害。X射線和丫射線都是電磁波，由于它們都是波長(zhǎng)很短的電磁波，因此它們的頻率很高，穿透能力也很強(qiáng)，可以穿透人體和建筑物，產(chǎn)生危害的范圍也比較廣。在我們生活的世界中具有放射性物質(zhì)十分多，但是通常危害都不大。只有類(lèi)似核爆炸或是核電站泄漏等事故，其所產(chǎn)生的放射性物質(zhì)才會(huì)造成廣泛的影響，甚至造成人員傷亡。由于人體對(duì)核輻射是無(wú)法感知的，因此要想探測(cè)核輻射的種類(lèi)，能量

5、和強(qiáng)度等就必須借助于核輻射探測(cè)器。只有通過(guò)有效的方法來(lái)對(duì)輻射進(jìn)行監(jiān)測(cè)，才可以及時(shí)有效的降低或避免輻射造成的危害。為了控制及避免輻射所引起的危害，設(shè)計(jì)一種能夠高效探測(cè)核輻射的器件就顯得十分必要。核輻射探測(cè)器，能夠有效地對(duì)放射性物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，核輻射探測(cè)技術(shù)也是粒子物理和核物理研究中一個(gè)不可或缺的重要工具。在輻射探測(cè)領(lǐng)域，最早出現(xiàn)的探測(cè)器是氣體探測(cè)器，隨著技術(shù)的發(fā)展，到二十世紀(jì)五十年代左右出現(xiàn)了一種新型的閃爍體探測(cè)器，逐漸取代了氣體探測(cè)器，到了七十年代左右，才出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體探測(cè)器。以上這些探測(cè)器都對(duì)核技術(shù)的應(yīng)用以及核試驗(yàn)的進(jìn)行做出了重大貢獻(xiàn)。相比于其他材料，半導(dǎo)體材料有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，而這些優(yōu)勢(shì)使其

6、十分適用于電離輻射的探測(cè)領(lǐng)域2。同時(shí)，半導(dǎo)體材料特別是硅基材料被廣泛用于制備其他具有放大功能的微電子集成電路和電子元器件。被用以制造這些集成電路和電子元器件的工藝同樣可以用來(lái)制備探測(cè)器，這樣可以使得外圍電路與探測(cè)器的集成成為了可能3。從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始，半導(dǎo)體加工工藝技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，同時(shí)也開(kāi)發(fā)出了許多新型的使用半導(dǎo)體材料的探測(cè)器。像硅漂移室SDCP-N結(jié)CCD化合物半導(dǎo)體探測(cè)器CdZn、Te等這些半導(dǎo)體探測(cè)器，它們被廣泛應(yīng)用在輻射探測(cè)，核儀器，核醫(yī)學(xué)以及環(huán)保等諸多領(lǐng)域4。最早的半導(dǎo)體探測(cè)器是Si為主導(dǎo)的半導(dǎo)體探測(cè)器，雖然也有少量報(bào)道有關(guān)其他種類(lèi)的半導(dǎo)體材料用于核輻射探測(cè)，例如確鋅

7、鎘（CZT等，但是因?yàn)樵谠缙趫?bào)道中，它們作為輻射探測(cè)器的各方面特性都沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的性能。還有以第三代半導(dǎo)體代表之一的SiC材料制備輻射探測(cè)器的報(bào)道，但是制備出來(lái)的SiC基輻射探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間和能量分辨率還有待提高。同樣作為第三代半導(dǎo)體材料代表之一的GaN和它的多元合金材料，憑借其優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性，逐漸受到了研究人員的關(guān)注，GaN作為一種半導(dǎo)體材料，是在1938年由Juza和Hahn首次合成得到5,大概在1969年，才有報(bào)道說(shuō)通過(guò)在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)GaN材料的技術(shù)。目前，光電子（如發(fā)光二極管LED和激光二極管LD和微電子（高電子遷移率晶體管HEMT）®域的研究和應(yīng)用尤為活躍，是

8、當(dāng)今半導(dǎo)體界的國(guó)際焦點(diǎn)。在探測(cè)器領(lǐng)域，GaN基材料逐漸成為紫外探測(cè)器、特別是太陽(yáng)光盲紫外探測(cè)器的研究熱點(diǎn)。近幾年來(lái)，國(guó)外開(kāi)始關(guān)注和開(kāi)展GaN材料在核輻射探測(cè)領(lǐng)域的研究。GaN具有寬帶隙、強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合、高熔點(diǎn)、高擊穿電場(chǎng)、抗腐蝕、抗輻射等優(yōu)良性能，它是良好的室溫核輻射探測(cè)器半導(dǎo)體材料，尤其是在強(qiáng)輻射場(chǎng)的探測(cè)方面頗具優(yōu)勢(shì)。2 .核輻射探測(cè)器核輻射探測(cè)器，簡(jiǎn)稱(chēng)為核探測(cè)器，也稱(chēng)為核探測(cè)設(shè)備。是一種輻射射線檢測(cè)裝置。核輻射是原子核從某種能量狀態(tài)或某種結(jié)構(gòu)向另一種結(jié)構(gòu)或狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中釋放出來(lái)的微觀粒子流，這是一個(gè)涉及原子或原子核的過(guò)程，從原子核中釋放出的輻射。丫輻射、中子輻射、a和B輻射等這

9、些輻射都稱(chēng)為核輻射6。X,丫射線都是屬于電磁輻射范疇，X-ray是由核外電子在躍遷過(guò)程中產(chǎn)生的，丫射線是在核躍遷或粒子湮滅過(guò)程的中發(fā)出來(lái)的電磁輻射7。核輻射探測(cè)器可以說(shuō)是粒子物理研究以及核物理研究中最為基礎(chǔ)，也是極其重要的一項(xiàng)技術(shù)和工具，核輻射探測(cè)器的基本工作原理如圖。當(dāng)輻射射線（或粒子）輻照到探測(cè)器的電荷靈敏區(qū)，而電荷靈敏區(qū)內(nèi)的物質(zhì)在輻射的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生出大量電子-空穴對(duì)，在外加電場(chǎng)的作用下分別向正負(fù)電極移動(dòng)而產(chǎn)生電學(xué)信號(hào)，對(duì)電學(xué)信號(hào)的分析整理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射射線或粒子的探測(cè)。自從云室的出現(xiàn)以來(lái)，核探測(cè)器材料已經(jīng)得到極大的發(fā)展，經(jīng)歷了氣體、閃爍體、到半導(dǎo)體的發(fā)展。3 .核輻射探測(cè)器的分類(lèi)目前而

10、言，市場(chǎng)上已經(jīng)具有多種不同的已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的核輻射探測(cè)器種類(lèi)，而它們之間的工作原理也并非完全一樣。我們可以根據(jù)輻射探測(cè)的探測(cè)原理不同而將核輻射探測(cè)器大致分為發(fā)光原理探測(cè)器和電離原理探測(cè)器。常見(jiàn)的發(fā)光類(lèi)探測(cè)器包括閃爍體探測(cè)器，熱釋光探測(cè)器等。而電離類(lèi)探測(cè)器有半導(dǎo)體探測(cè)器，電離室等。同時(shí)，利用物理和化學(xué)變化原理的粒子徑跡探測(cè)器也可以納入電離原理探測(cè)器這一類(lèi)。由探測(cè)器所探測(cè)獲得的信息，可以直接或間接的確定核輻射射線的種類(lèi)，核輻射強(qiáng)度，核輻射能量以及核壽命等參數(shù)。3.1 閃爍體核輻射探測(cè)器閃爍體核輻射探測(cè)器是出現(xiàn)較早的一種核輻射探測(cè)器。閃爍體核輻射探測(cè)器也是應(yīng)用較為廣泛且較為成熟的輻射探測(cè)器之一，閃爍

11、體探測(cè)器利用的原理是射線或粒子照射在某些物質(zhì)上時(shí)，會(huì)使其中產(chǎn)生出光，而通過(guò)對(duì)光的探測(cè)來(lái)探測(cè)電離輻射，這些能產(chǎn)生光的物質(zhì)就稱(chēng)為閃爍體。通過(guò)使用某種被稀釋的有機(jī)溶劑來(lái)探測(cè)核輻射。這種有機(jī)溶劑在經(jīng)過(guò)放射性粒子輻射之后，其中的分子會(huì)吸收放射性粒子的能量，而將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿軇┓肿拥募ぐl(fā)能，然后這些激發(fā)能會(huì)被有機(jī)溶劑分子吸收傳遞給其中的溶質(zhì)分子，從而激發(fā)溶質(zhì)分子，而有機(jī)閃爍體分子在退激過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生熒光，可以通過(guò)產(chǎn)生的熒光來(lái)測(cè)定放射性的含量。探測(cè)部分主要由閃爍體，光導(dǎo)以及光電倍增管等幾個(gè)部分組成。閃爍體探測(cè)器具有以下特點(diǎn)：探測(cè)響應(yīng)時(shí)間快，探測(cè)效率高，大面積靈敏度高，能量分辨率好，是目前應(yīng)用較為廣泛的核輻射探測(cè)

12、器之一。3.2 氣體核輻射探測(cè)器氣體核輻射探測(cè)器主要探測(cè)的是帶電粒子，其原理主要為通過(guò)收集射線產(chǎn)生的電離電荷來(lái)測(cè)量核輻射。在最初核物理發(fā)展的過(guò)程中，氣體探測(cè)器起到了很大的作用。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和使用方便的特點(diǎn)，可制備成許多類(lèi)型的大型電離室，因此許多方面仍得到廣泛應(yīng)用。氣體核輻射探測(cè)器最關(guān)鍵的核心在于收集，探測(cè)的原理就是探測(cè)核輻射射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷，為了更加有效的收集電荷，需在氣體電離區(qū)兩端加上電場(chǎng)，即在探測(cè)器兩端設(shè)置兩個(gè)電極，然后在通過(guò)電場(chǎng)的作用使正離子和電子分別向兩極漂移。被加速后的電子，其所具有的能量已經(jīng)達(dá)到了氣體的激發(fā)能，但其能量還不足以將分子或原子激發(fā)。3.3 半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器

13、半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器就發(fā)展時(shí)間來(lái)說(shuō)，還是一類(lèi)比較新的核輻射探測(cè)器，簡(jiǎn)單的說(shuō)，可以將它看作為一個(gè)工作于反向偏置的P-N結(jié)二極管。半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器是以固體材料做為工作介質(zhì)。半導(dǎo)體材料不同于絕緣體材料和金屬材料的地方在于，絕緣體材料中，由電離輻射產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在到達(dá)電極之前就已經(jīng)被復(fù)合了，因此不能作為探測(cè)器制備材料。半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的探測(cè)通常會(huì)給器件加上一個(gè)反向偏壓，分離電子-空穴來(lái)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)。而最后的電信號(hào)就是我們用來(lái)判定測(cè)量輻射的重要依據(jù)。一般的入射類(lèi)型有三種：中子，光子和帶電粒子。與其他兩種不同，中子的常用探測(cè)法為核反應(yīng)法，它是利用中子和原子核的反應(yīng)，釋放出帶電粒子，在通過(guò)帶電粒子來(lái)

14、反推中子的能量和劑量。在上下兩個(gè)金屬電極之間為半導(dǎo)體材料，當(dāng)給半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器加上一個(gè)反向偏壓時(shí)，半導(dǎo)體探測(cè)器內(nèi)部的耗盡層區(qū)域?qū)⒃龃蟆? .GaN核輻射探測(cè)器的研究進(jìn)展與第二代半導(dǎo)體探測(cè)器CZT相比，第三代半導(dǎo)體探測(cè)器GaN具有更寬的帶隙、更強(qiáng)的機(jī)械性能、更佳的化學(xué)穩(wěn)定性、更成熟的材料生長(zhǎng)和器件制備技術(shù)等優(yōu)勢(shì)。在強(qiáng)輻射場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域，正在進(jìn)行的歐洲粒子物理研究所(CERN資助的RD50計(jì)劃的目標(biāo)是研制在重粒子對(duì)撞系統(tǒng)中強(qiáng)輻射半導(dǎo)體射線探測(cè)器。這一計(jì)劃主要有材料工程和器件工程兩大項(xiàng)目方向，由20個(gè)成員國(guó)中的53個(gè)研究所的264名科學(xué)家參與，所研究的材料主要有Si(ObSiC和GaN。由于Si的抗輻

15、射性能不如SiC和GaN,因此，SiC和GaN最終將成為更有優(yōu)勢(shì)的強(qiáng)輻射場(chǎng)探測(cè)器網(wǎng)。正在進(jìn)行中的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程將把亮度在目前水平上提高約100倍，其對(duì)探測(cè)器的抗輻射能力也將大幅提高。這為GaN核輻射探測(cè)器的研究提供了良好機(jī)遇。J.GRAN瑤使用12pm的GaN制備肖特基結(jié)構(gòu)探測(cè)器，在照射注量為1016cm-2的中子和質(zhì)子后，電荷收集效率均從53幽至I20%26%,漏電流卻有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的減少。J.VAITKU鄰9指出，GaN薄膜探測(cè)器在經(jīng)5X1014cm-2中子照射后，電荷收集效率從92%下降至IJ77%。PJ.SELLINq實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)質(zhì)子或a粒子輻照后半絕緣的GaN薄膜探測(cè)器

16、的電荷收集效率接近100%。J.Y.DUBOZ10研究了GaN探測(cè)X射線的可能性，研制了MSM結(jié)構(gòu)探測(cè)器，分別經(jīng)640keV的X射線輻照，發(fā)現(xiàn)同時(shí)存在光伏和光導(dǎo)效應(yīng)，認(rèn)為器件響應(yīng)與器件結(jié)構(gòu)、偏壓和內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過(guò)程有關(guān)。J.GRAN由的研究表明，當(dāng)GaN薄膜探測(cè)器在接受1014cm-2中子輻照后，探測(cè)a粒子的電荷收集效率明顯降低，探測(cè)器厚度增加，電荷收集效率的降低幅度減少。PJ.SELLIF#運(yùn)用2pm的GaN探測(cè)器作為成像單元，在2MeVa粒子輻照下首次實(shí)現(xiàn)成像。目前，尚未見(jiàn)國(guó)內(nèi)有關(guān)GaN用于核探測(cè)的報(bào)道，因此，使用GaN材料研制半導(dǎo)體核探測(cè)器是一新興研究領(lǐng)域，有重要的研究?jī)r(jià)值和豐富的研究?jī)?nèi)容，

17、大力研發(fā)GaN新型半導(dǎo)體探測(cè)器，將在一些特殊場(chǎng)合，如空間、強(qiáng)輻射場(chǎng)等方面具有可觀的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。5.總結(jié)與展望近年來(lái)，GaN以優(yōu)異的光電子學(xué)性能已在白光照明、光學(xué)存儲(chǔ)和太陽(yáng)光盲紫外探測(cè)器方面獲得了廣泛應(yīng)用?；贕aN材料和器件廣泛的科研及工業(yè)化基礎(chǔ)，該材料在強(qiáng)輻射場(chǎng)、安檢、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)診斷和天體X射線望遠(yuǎn)鏡等核輻射探測(cè)方面有著廣泛的潛在應(yīng)用。核探測(cè)對(duì)GaN材料有更高的品質(zhì)要求，面對(duì)核探測(cè)器的應(yīng)用需求，還需在GaN材料的生長(zhǎng)及器件設(shè)計(jì)和制備等方面進(jìn)行研究。近幾年，在GaN材料的生長(zhǎng)方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但器件制備研究尚處在起步階段。當(dāng)相關(guān)的一些關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)得到充分解決后，在不久的將來(lái)，GaN材料在核探測(cè)領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1丁洪林.半導(dǎo)體探測(cè)器及其應(yīng)用M.北京:原子能出版社，1989.2李萬(wàn)萬(wàn)，桑文斌，王昆黍，等.CdZnTe核輻射探測(cè)器材料與器件研究進(jìn)展J.上海有色金屬2004,25(2):87-94.3陸敏楊志堅(jiān)，潘堯波，等.量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)GaN基紫光二極管性能的影響J.稀有金屬，2007,31(增干U):33-35.4呂軍，侯新生.新型電致冷半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用J.物探與化探，2006,30(4):374-376.5劉恩科，朱秉升，羅晉生，等.半導(dǎo)體物理學(xué)M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1