粒子探测枝术

高纯锗探测器的调研报告

摘要：

本文先介绍半导体探测器，介绍半导体探测的分类，再引入高纯锗探测器，介绍了其工作原理及其发展，并对高纯锗探测器进行了展望。

关键词：

半导体探测器，高纯锗，探测效率,γ能谱仪

0 前言

锗存在于煤矿、铁矿及若干银矿、铜矿、锌矿中，从煤和上述矿石冶炼时所得烟道灰回收而得。锗性质比较稳定，在空气中不被氧化，与水、盐酸、稀硫酸也不反应。高纯度锗是从高纯度的氧化锗还原，再经区域熔炼提纯而得，最常用在半导体之中；掺有微量特定杂质的锗单晶，用来制造晶体管、整流器等；锗的化合物用于制造荧光板和各种高折光率的玻璃。

半导体探测器是以半导体材料为探测介质的辐射探测器。最通用的半导体材料是锗和硅，其基本原理与气体电离室相类似，故又称固体电离室。半导体近测器有能量分辨率高、空间分辨高，时间响应快、线性范围宽等优点。半导体探测器分为PN结型、锂漂移型、高纯锗、全耗尽型、化合物等类型，而高纯锗探测器可用于测量γ射线和X射线，具有较高的能量分辨、高探测效率和较大的射线能量探测范围，因些在各类物理量测量中应用广泛，高纯锗探测器的关键技术指标包括能量分辨率和探测效率，其中探测效率影响物理测量结果的准确度，因些研究探测效率已经引起人们广泛关注[1]。以下先介绍半导体探测器，再引出高纯锗探测器。

1 半导体探测器

1.1 半导体探测器的发展

自从60年代有商品生产的半导体探测器以后,这种探测器得到了迅速的发展,它的工作原理类似于气体电离室,而探测介质是半导体材料,这的主要优点是:

(1)电离辐射在半导体介质中产生一对电子空穴对平均所需能时大约为在气体中产生一对离子对所需能量的十公之一,妈同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在气体中产生的约多一个量级,因而电荷安生的相对统计涨落也就小得多,所以半导体探测器的能量分辨率很高。

(2)带电粒子在半导体中形成的电离密度要比在一个大气压的气体中形成的高,所以当测高能电子或γ光子时半导体探测器的尺寸比气体探测器小得多,因

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而可以制成高空间分辨和快时间响应的探测器。

(3)测量电离辐射的能量时，线性范围宽。

半导体探测器的主要缺点是：

(1)对辐射损伤较灵敏,受强辐照后性能变差。

(2)常用的锗探测器,需要在低温条件下工作,甚至要求在低温下保存,使用不便。

半导体探测器广泛应用于各个领域的射线能谱测量。近年来又受到高能物理工作者的重视，在高位置分辨的粒子径迹探测器方面有了突破性的进展。

半导体的PN结在反向压下，探测器内能形成一个电场强度很高的耗尽层，即探测器的灵敏区。当入射粒子进入耗尽层内会产生电子空穴对。如同电离室的情况一样，这些电子、空穴能在耗尽层内强电场作用下被收集。

可是，由于半导体材料的纯度不高，用这样的材料制成的探测器，所能得到的耗尽比较窄。这样窄的耗尽层就限制了它只能用来测量能量低，或者射程短的入射粒子。为了扩大耗尽层的厚度，就必须要生到纯度高、电阴率大的单晶。但是，要得到这样高纯的材料是比较困难的。

为了解决测量能量较高、射程较长的粒子，在1960年皮乐提出了用锂漂移补偿P型硅材料的办法，制成了锂漂移硅探测器，简称硅探测器。这种探测器的耗尽层的厚度可超过5毫米。这就为测量能量较高的带电粒子、β射线和X射线提供了可能。从而也大地推进了半导体探测器的发展和应用。

但是，用这样的探测器来测量能量较高的γ射线仍是很困难的。这此，1962年旨雷克又将锂漂移技术应用到比硅原子序数高的锗材料中去，并成功地制成了钽漂移锗半导体探测器。大约用了二三年的时间，就研制成了平面型锂漂移锗探测器。为了进一步提高锂漂移锗探测器的灵敏体积，1965年又研制成功了大体积的同轴型的锗探测器。使锗探测器的灵敏度很快就达到，并超过了50立方厘米。

同轴型锗探测器的研制成功，再加之使用了声效应晶体管做成的前置放大器，降低了电子学仪器的噪音。使得锗探测器用于测量γ射线，取得了很高的能量分辨率。这个结果很重要，它使测量γ射线的精确度提高了很多，从而解决了过去无法进行的一些测量。

锗探测器的发展不仅推动了γ能谱学的发展，而且对低噪音、高稳定的电子学测试仪器以及测量数据用的多道脉冲分析器等方面，也起了很大的推动作用。

与些同时，硅探测器也取得了很大的进展。有人将硅探测器和场效应晶体管配合，并一起置于低温下，同时，还采用了光电反馈技术来恢复探测器中的积累电荷，使得硅X射线荧光公析谱仪表有能量分辨率高、测量准确、稳定性好等优点。目前已在许多领域中得到了广泛的应用，并且越来越受到人重视。随着半导休工艺的不断改进，1970年左右又试制成功了纯度极高的锗材料。用这种高纯度的锗材料做成的高纯锗半导体探测器，在测量γ能谱时，可以得到与锗（锂）探测同样好的测试结果。

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在高纯硅方面，近年来也取得了很大的进展。此外，根据各种测试的不同需要，还先后研制成功了硅全耗尽型探测器、硅位置灵敏探测器、硅电流型探测器以及采用离子注入技术等方面都取得了很多成果。

可是，锗和硅元素半导体探测器，虽然有其独特的优点，但也有不足之处。不论是硅（锂）探测器，还是锗（锂）探测器，它们都必须置于液氮温度下工作，这给使用带来了很大的不便。为些，人们又探索着去寻找和研究新的半导体材料，期望着能研制出一种不需要冷却、漏电流小、能量分辨高、便于在室温下使用的半导体探测器。

化合物半导体探测器的研制，就是为了解决这些问题而开展的。因此，作为化合物半导体所用的材料，就希望具备这样一些条件：原子序数高、材料的完整性、便于在室温或高于室温下工作等。近年来，在休合物半导休的研制方面开展了许多工作。其中取得一些进展的有：碲化镉、碘化汞、砷化镓等。并在在某些方面已得到了初步的应用。但是，它胶距离真正使用阶段，还相距甚远。

目前，经过理论公析认为有希望的材料还有：碲化铝、碲化锌、磷化铟等化合物。当然，它们是否能达到预期限的目的，还有待实验结果来证实。因些，汉前就整个化合物半导体探测器的工作来说，仍处在实验室的研制阶段，还有不少问题尚待解决。

1.2 半导体探测器的分类

从制作方法分可以有PN结型探测器、锂漂移探测器、全耗尽型探测器；按材料分类可有高纯锗探测器和化合物半导体探测器[2]。

1.2.1PN结天半导体探测器

PN结半导体探测器的灵敏区就是加反向偏压的PN结，它具有良好的能量线性、高的能量分辨率和时间分辨本领好等优点，在α及其他重带电粒子能谱测量方面有重要作用；它还可以做d E/dx探测器；可以制成半导体夹层谱仪；而且在剂量方面也有重要的应用。PN结半导体探测器可分为扩展型、面垒型和离子注入型等。这几种探测器的基本原理是一致的，但制作方法和工艺不同，各有各的特点。

1.2.2 锂漂移型半导体探测器

为了探测穿透能力较强的γ射线，要求探测器有更大的灵敏区。这种效果通常是使锂漂移进入P型半导体材料,进行补偿而获得。由于锗比硅对γ射线有更高的探测效率，故一般采用锗（锂）漂移探测器。这种探测器的灵敏体积可大于200厘米3。但是,由于其死层较厚，故在探测较低能量的X射线时,往往采用硅（锂）漂移探测器。锂漂移型探测器的另一个特点，是当它被用来探测X及γ射线时必须保持在低温(77K)和真空中工作。

1.2.3 高纯锗半导体探测器

随着锗半导体材料提纯技术的进展，已可直接用超纯锗材料制备辐射探测

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器。它具有工艺简单、制造周期短和可在室温下保存等优点。用超纯锗材料还便于制成X 、γ射线探测器,既可做成很大灵敏体积，又有很薄的死层,可同时用来探测X 和γ射线。高纯锗探测器发展很快，有逐渐取代锗（锂）探测器的趋势。

1.2.4全耗尽型半导体探测器

全耗尽型半导体探测器是一种特殊的PN 结型探测器，其P 和N 层减至最薄，使硅材料中不存在未耗尽部分，选用电阻率大的材料和适当高的工作电压，可以使耗尽层扩展到探测器整个厚度。

主要用于粒子鉴别，粒子穿过它是损失能量，与粒子入射能量和种类有关，测量ΔE 即可确定粒子种类。故又叫ΔE 探测器。探测器厚度与所要探测的粒子能量和种类有关。

探测 >1MeV 的电子，厚度为100～200μm ；探测质子和重粒子，厚度很薄 ～十几μm ；面垒型 4 μm 。因非耗尽层可忽略，结电容是常数，所以其输出幅度稳定，上升时间快，一般为十几ns ，好的可小到2ns 。可以用于飞行时间测量和其他要求快的地方。

2 高纯锗半导体探测器

利用纯度很高的锗制成PN 结，

耗尽层随反向偏压的增加而增厚。当

偏压很高时，整块晶体都成了耗尽层。

有平面型，或具有环状深沟的槽型结

构，也可是同轴型。优点：易制备成

大灵敏体积的探测器，可在室温下储

存，在高低温下(170K)工作，性能仍很

好。它的能量分辨率和对γ射线的探

测效率与Ge(Li)探测器相同[3]。

由半导体探测器的发展可知，超

纯锗材料还便于制成X 、γ射线探测

器,既可做成很大灵敏体积，又有很薄

的死层,可同时用来探测X 和γ射线。

高纯锗探测器发展很快，有逐渐取代

锗（锂）探测器的趋势。

高纯锗探测器的制备工艺很简单，

只需在探测器的两个面上分别做上电

极即可。这要比锗（锂）探测器的制

备工艺方便多了。通常，制备一块锂

漂移锗探测器，一般需要1-2个月甚至更长才能完成，而高纯锗探测器公需要1-2天可完。同时，高纯锗探测器由于不需要进行锂漂移，所以不存在锂的沉淀问题。

因些平时可保存在室温下。这对使用都来说，也提供了很大的方便。

2.1 高纯锗探测器的工作原理

高纯锗探测器用纯度高的锗单晶制成的半导体探测器，能量分辨率高，最

常于X，γ射线的能谱测量。具有PIN结构，加反向偏压后，在本征区I开成电

场。当光子射入探测器时，与灵敏体积中的物质作用，产生载流子。载流子被P、

N电极收集（所收集的电荷与入射光子沉积于探测器中的能量成正比），经电荷灵敏放大器转换成电压信号输出，用以测定粒子能量。为减少载流子的热生成，

通常采用液氮温度冷却。按结构分为平面锗探测器、低能锗探测器、同轴锗探测

器、倒置电极锗探测器、井型探测器等。

一般地，γ辐射探测器基于γ射线与探测器灵敏体积内介质的相互作用，

即通过光电效应，康普顿效应和电子对效应等作用机制而损失能量，这此能量可

在锗晶体中产生空穴-电子对，在外加反向偏听偏压所形成的电场下，空穴对定

向运动，使得所产生的电荷聚集，形成探测器输出端的基本电信号，用于电子学

线路记录、外理与分析，高纯锗探测器可看成一个在反向偏压下工作的巨大晶体

二极管。由单个事件所产生的信号脉冲Array与其处接电路的输入特效电容相连，R

为前置，负载电阻两端的脉冲信号V（t）

的上升前沿取决于探测器的电荷收集

时间t，对于同轴型高纯锗探测器，电

荷收集时间在液氮温度下为r*10-8 量

级，r为晶体外径，脉冲信号后沿取决

于外电路的RC常数，一般RC远大于

t[4，5]。

2.2 高纯锗探测器的应用

与Ge（Li）探测器相同，HpGe探测器主要应用于γ射线的能谱测量，可以

说，凡量应用Ge（Li）探测器的领域均可用HpGe探测器。

HpGe探测器也可用于X射线谱学，尽管Si(Li)探测器在些领域中应用得更为普遍，但由于在锗中形成一个电子-空穴对所需要的能量较少，可望使电子空穴对数增加28%，这将明显地改善能量分辨率。但是，锗的固有“死层”和高阻止本领使HpGe探测器所能测量的X射线能量下限为2.3kev,这要比Si(Li)的高。

高纯锗探测器的具有较高的能量分辨率水平、高探测效率和较大的射线探测

范围（几kev到几Mev），被广泛应用于各类物理测量中。高纯锗探测器在涉及

放射测量领域有很广泛的应用，如在：地质分析研究、农业应用研究、环境样品

的分析测量、核设施热电厂放物的监测等。

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3 对高纯锗探测器的展望

尽管高纯锗探测器的具有较高的能量分辨率水平、高探测效率和较大的射线探测范围等这些优点，但也有缺点，锗的固有“死层”和高阻止本领使HpGe探测器所能测量的X射线能量下限为2.3kev,这要比Si(Li)的高等，因些高纯锗的其他性能也有待提高，我们希望在保持高纯锗探测器的性这些优点基础上再更简化其生产工艺，提高其时间分辨率等，制成一个更普遍使用的性能更好的探测器。参考文献

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