便携式离子注入型半导体核辐射仪的研制
用于核材料γ能谱测量的便携式HPXe屏栅阵列电离室的设计的开题报告
用于核材料γ能谱测量的便携式HPXe屏栅阵列电离室的设计的开题报告1. 研究背景核材料的γ能谱是研究核材料杂质和核反应过程的重要手段之一。
γ能谱的测量通常使用电离室进行，但传统的电离室存在体积大、重量重、灵敏度低等问题，尤其不适用于现场核材料γ能谱测量。
因此，开发一种便携式、高灵敏度、高准确度的γ能谱测量设备对核材料监测和核安全具有重要意义。
2. 需求分析（1）便携性：设备要求体积小、重量轻，方便携带和操作。
（2）高灵敏度：设备应能够接收、检测到低能的γ射线，以增强监测效果。
（3）高准确度：设备应能够在复杂环境中准确地识别核材料γ能谱，以达到准确测量未知材料的目的。
3. 技术方案本设计采用HPXe屏栅阵列电离室数据采集系统作为核材料γ能谱的测量设备，充分利用HPXe屏栅阵列电离室的高灵敏度、高分辨率、小体积等特点，使该设备具有高精度、高灵敏度和便携性。
4. 技术路线（1）设计HPXe屏栅阵列电离室的结构和参数。
（2）制备阵列电离室所需的材料。
（3）进行阵列电离室的装配和测试，以确保其性能和可靠性。
（4）设计HPXe屏栅阵列电离室数据采集系统，包括放大器、微处理器、存储器等组成部分，并进行调试和测试。
（5）进行靶材料的γ能谱测量，评估HPXe屏栅阵列电离室的性能。
5. 预期成果设计一种便携式、高灵敏度、高准确度的核材料γ能谱测量设备，具有以下特点：（1）体积小、重量轻，易于操作和携带。
（2）高灵敏度，能够检测到低能的γ射线。
（3）高准确度，能够在复杂环境中准确地识别核材料γ能谱，并实现未知材料的准确测量。
6. 结论本设计可提供一种高效的、简便的、准确的核材料γ能谱测量设备，具有广泛的应用前景。
超低功耗小型便携式辐射剂量仪研制
第39卷第6期 2019年11月核电子学与探测技术Nuclear Electronics&Detection TechnologyVol. 39 N o. 6Nov. 2019超低功耗小型便携式辐射剂量仪研制肖伟，郭晓彬，马天骥，陈祥磊，程#，吴荣俊，范磊(武汉第二船舶研究设计所，武汉430064)摘要：为解决辐射检测仪表体积大、功耗高等问题，设计了一款基于硅光电二极管的超低功耗小 型辐射剂量仪。
以CsKTI)+硅光电二极管为探测器，分析、优化信号处理电路，并挤载超低功耗单片机 MSP430,实现剂量仪的低压、低功耗、小型化设计。
实验结果表明：在高辐射强度下，该仪器可用微型纽 扣电池长时间续航，达到较高精度的剂量率响应。
关键词:辐射检测；剂量仪;硅光电二极管;超低功耗中图分类号：TL 8文献标志码： A 文章编号：0258-0934(2019)6-0742-6个人剂量仪广泛运用于环境监测、辐射防 护等领域,主要用来监测与放射源接触的工作 人员所受的辐射剂量。
常用的核辐射探测器主 要有半导体、G-M管和闪烁体。
G-M管存在 体积较大、测量区间较小、成本和功耗较高等不 足〜。
半导体探测器在探测效率以及能量响 应范围方面略有缺憾U]。
闪烁体探测器在微 弱7射线检测过程中效率最高，最经典直接的 检测方式则是将“闪烁晶体”和“光电转换器 件”耦合而成[3]。
闪烁体探测器通常配合光电 倍增管（PMT)使用，则需要高压电源，使得仪 器的功耗和体积难以降低[4]。
CsI(Tl)晶体机 械性能好，性能稳定、发光效率高，综合性能优 于NaI(Tl)[5’6]。
光电二极管的发展使得其与 CsI(Tl)构成的探测器具有体积小，无需高压, 器件稳定性好，功耗和成本低的优点[7]。
目前，国内外的检测仪表大多存在体积大、收稿日期：2018-08-25作者简介：肖伟（1991—),男，湖北省襄阳人，助理工程 师，主要从事核电子学与信号探测研究。
便携式放射线测定仪原理
便携式放射线测定仪原理放射性物质有以下三种主要形式：α射线、β射线和γ射线。
α射线是由具有两个质子和两个中子的α粒子组成，能够被一张纸或者几厘米的空气所阻挡。
β射线是由高速运动的电子组成，能够通过数米的空气，但可以被一张薄铝箔所阻挡。
γ射线是电磁辐射，没有质量和电荷，并且可以通过数厘米到数米的铅或混凝土屏蔽物。
荧光闪烁探测器是一种能够将射线转化为可见光的材料。
当射线经过探测器时，它与材料中的原子相互作用，产生能量沉积。
这些能量沉积会导致探测器中的原子激发，并且快速退激发，释放出能量。
这些能量会激发探测器中的荧光材料，使其发出可见光。
便携式放射线测定仪会通过光电倍增管将荧光材料发出的可见光转化为电信号，然后通过电路进行放大和处理，最终给出射线的计数结果。
半导体探测器是另一种常用的探测器，其主要原理是基于半导体材料的电子结构。
当射线进入探测器时，它会与半导体材料中的原子相互作用，导致电子从价带跃迁到导带。
这些跃迁导致了半导体材料内部的电子流动，产生电流信号。
便携式放射线测定仪会通过前置放大器将探测器中的电流信号转化为电压信号，然后进行放大和处理，得到射线的计数结果。
电离室是一种能够测量射线的电离能力的探测器。
它是由一个带电的电极和一个接地电极组成的封闭空间。
当射线进入电离室时，它会与气体中的原子或分子相互作用，导致电离。
这些电离会导致电离室中的带电粒子移动，产生电流信号。
便携式放射线测定仪会通过放大器和电路进行信号处理，最终得到射线的计数结果。
除了探测器，便携式放射线测定仪还包括其他组件，如高压电源、信号处理器和显示器。
高压电源提供了探测器所需的工作电压，信号处理器负责放大和处理来自探测器的信号，显示器则显示射线的计数结果。
总的来说，便携式放射线测定仪是通过探测器检测射线的能量和强度，然后通过信号处理器将信号转化为射线的计数结果。
这种仪器在环境监测和安全控制方面具有重要的应用价值。
离子注入型与金硅面垒型半导体探测器温度特性比较
试 电路 ， 通过温度测试实验分别得出 了离子注入型和金硅面垒型半导体 探测器 的温度特性 曲线 。测 试结果表 明 ， 离 ＇ Ｆ 注入型半导体探测器的温度特性 明显优于金硅 面垒型半导体探测 器。本文的结果可 为半 导体探 测器 的使 片 、 ｊ筛 选提供参考 、
』一
温度敏感 的主要 因素 、 掌握其 变化规 律 ， 而在 研 从 制探 测 系统时 采 取适 当 的温 度 补偿 措 施 ， 以提 高
系统 的温度稳 定性 和测 量精度 Ｊ 。。
图 １ 半 导 体 探 测 器 的 偏 置 电 路
２ 材 料 与方 法
２ １半导体 探测器 ．
半 导体探 测器 的偏 置 电路 如 图 １ 所示 。当温 度 ＿ 高时 ， 导体 的反 向 电流 增大 ， 丁 １ 半 偏置 电压 在负 载 电阻 Ｒ上 的压降 增 大 ， Ａ点 半 导体 探 测器 上 的 偏置 电 下 降 ， 号幅度 降 低 。这 对 于采 用 半 导 信
关 键 词 ： 半 导体 探 测 器 温 度 特 性 离 子 注 入 型 金 硅 面 垒 型
中图分类号 ： Ｌ １ Ｔ ８４
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：１０—３６ ２ １）２０ ２ ０ ０４６ ５（０ １０ — ６０ ３ ０ ０
１ 引 言
半导体 探 测器 具 有 能 量分 辨 率 高 、 响 线性 能
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收 稿 日期 ： ０ １ １ｌ ２ １— 一 ０ ０ 作者简介 ： 晓辉 （９０ ， ，９４年毕业于防化指挥工程学院核辐射探 测专业 ， 棒 １ ．）男 １８ ６ 学士 ； ０４年毕、 ２０ ｆ海 军 Ｉ 程人
移动终端微型核辐射探测仪研制
移动终端微型核辐射探测仪研制
俞剑;郑盈盈;刘士兴;张章
【期刊名称】《核电子学与探测技术》
【年(卷),期】2021(41)6
【摘要】介绍了一种基于Android或IOS移动终端的微型核辐射探测仪。
该仪器以硅PIN光电二极管作为光电转换传感器,核辐射信号被传感器转换为电信号后,经内部电路放大和电压比较整形后,通过3.5 mm耳机接口或TYPE-C接口传输至移动终端进行数据处理。
探测仪主要功能为测量待测物体或环境中是否存在高于天然本底的X或γ射线辐射,并发出警报。
相比传统辐射探测仪,本探测仪具有响应快、抗干扰强、体积小、灵敏度高、无需高压偏置等优点。
【总页数】7页(P1045-1051)
【作者】俞剑;郑盈盈;刘士兴;张章
【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院;合肥安聚仪电科技有限公司【正文语种】中文
【中图分类】TL816
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第30卷 第4期 核 技 术 V ol. 30, No.4 2007年4月 NUCLEAR TECHNIQUES April 2007——————————————第一作者：谢利平，女，1976年出生，2005年于总装防化研究院辐射防护及环境保护专业获硕士学位，现为济南军区装备部防化技术室工程师，主要从事辐射防护方向研究工作收稿日期：2007-01-16，修回日期：2007-01-23便携式离子注入型半导体核辐射仪的研制谢利平1 康明杰1 堵敏轩1 杜 毅21（济南军区装备部防化技术室 济南 250002） 2（中国核动力研究设计院 成都 610005）摘要 采用离子注入技术研制的便携式半导体核辐射仪，其各项技术指标均有很大的改进和提高，达到了国内先进水平，可广泛用于空间和环境中X 射线和γ射线的探测领域。
关键词 离子注入，半导体探测器，核辐射仪 中图分类号 TL814离子注入技术的基本原理是：用能量为100keV 量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成份、结构和性能的变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能[1]。
而半导体探测器具有能量响应好、响应时间快、工作寿命长、稳定性好、结构简单、体积小、重量轻、易于加工的特点，适用于X 射线、γ射线的探测[2,3]。
因此本课题采用离子注入技术研制新型半导体核辐射仪用于对核爆或环境中产生的X 射线、γ射线进行探测。
1 仪器的工作原理便携式离子注入式半导体核辐射仪主要由半导体探测器、电荷灵敏放大器、主放大器、单片机、液晶显示器、电池、电子开关等组成。
其工作原理是：半导体探测器将探测到的辐射粒子转化为电信号，经电荷灵敏放大器和前置放大器的放大后，由修正端口对电信号进行修正，最后形成标准脉冲由CPU 计数，CPU 在进行修正计算后在LCD 上显示出来。
2 制作工艺及特点离子注入型半导体核辐射仪是利用离子注入掺杂法构成P －N 结。
这种方法制造的半导体探测器对环境和真空都很稳定，并且可以在高阻硅上得到极薄的窗[4]。
半导体探测器温度每升高7℃时，噪声增加一倍。
离子注入式（ion-implanted ）半导体探测器在-40℃—+50℃温度条件下具有较好的信噪比。
所以在本项工作中选用离子注入工艺。
始于20世纪70年代研制的平面工艺离子注入式半导体探测器，进入90年代以来，随着MOS 制备工艺和器件性能的不断完善提高，其特点在于：（1）低偏置电压。
通过一种低偏压技术，用电池直接供电的3—5 V 的低偏压探测器，以提高便携式仪器整体的可靠性。
（2）宽域工作温度。
采用离子注入技术，改变半导体探测器的性能，在-40℃—+50℃范围内获得相对较好的信噪比性能。
（3）含氯氧化钝化工艺。
在半导体探测灵敏层周围形成一个保护膜，来隔离各种污染，并降低表面漏电流，提高少数载流子寿命，提高探测器的品质。
（4）集成化封装设计。
将用于稳定输出脉冲幅度的电荷灵敏放大器与主放大器集成在一个陶瓷片上，将探测器与读出器集成，将半导体探测器焊接在电荷灵敏放大器上，完成厚膜一体化过程，提高仪器整体的可靠性和便携性，更适合在恶劣环境下使用。
3 仪器性能测试 3.1高低温性能测试半导体探测器及集成电路随着温度增加，噪声显著增加，致使一些仪器在高温和低温下都无法正常工作。
我们对研制的核辐射仪（离子注入型半导体探测器、电荷灵敏放大器、主放大器）进行高低温性能测试。
实验方法为：将137C S 源固定在探测器第4期谢利平等：便携式离子注入型半导体核辐射仪的研制 395上方，照射量率选在40 mR/h 处，用FH463A 定标器记录脉冲数，长期高温低温考验时间分别为12 h 。
表1 实验数据Table 1 Experiment data定标器阈值 / V Threshold of scaler 计数时间 / s Count time 温度 /℃ Temperature 每10 s 计数 Counts per 10 s 平均值 Average 偏差 Deviation0.45 10 +22 433.469477.470 377.442 476.479 478.452457 0.45 10 +50 445.528542.448592.409 418.420 365.536470 (470-457)÷457=-3% 0.45 10 -40 520.475503.498 507.582 563.533 564.537538 (538-457)÷457=+18%3.2 信噪比测试信噪比测试方法：把137C S 源置于探测器上方，记下示波器上输出幅度：80—100 mV ，再把放射源移开，记下噪声幅度：5—7 mV ，信噪比为14:1。
图1 信噪比测试示意图 Fig.1 Schematic of SNR test3.3 能量分辨能率测试GB/T13161-91国标及GJB/1157-91国军标要求：该类仪器能量测量下限为50 keV 。
用241Am 源，用1 mm 厚纸板将α射线屏蔽掉，用示波器（如上图）测241Am 信号与噪声。
信号：22 mV ，噪声：5—6 mV 。
信噪比为：4:1据此推算：能量分辨率约为20 keV 。
4 主要技术指标对于探测器的使用性能而言，工作电压、漏电流、反向偏压、能量分辨率是重要的指标[5]。
离子注入型半导体核辐射仪的各项性能技术指标如下所示：1、有效面积（mm 2）：15—300； 2、耗尽层厚度（μm ）：300—500； 3、漏电流（nA ）：0.3—0.8（VR=25 V ）； 4、结电容（pF ）：6—110； 5、最大反向偏压（V ）：>100；6、噪声幅度：5—7 mV ，信噪比为14：1；7、能量分辨率：约为20 keV 。
日本滨松公司生产的同种类型探测器的各项性能技术指标如表2所示。
表2 日本滨松公司的产品Table 2 Specifications of some products from Hamamatsu Co, Japan型号 Code 封装尺寸 Package size /mm 有效面积 Useful area/mm 2 漏电流Leakage current /nA 结电容Junction capacitance /pF 最大反向偏压Max bias voltage /V S3590-01 10×105 (VR=30 V) 75 (VR=30 V) 50 S3590-03 10×1010 (VR=70 V) 50 (VR=70 V) 100 S3590-05 陶瓷Ceramic (14.5×12.7) 9×9 30 (VR=100 V) 25 (VR=100 V) 150 S3204-03 Ceramic (25.5×25.5)18×1820 (VR=70 V) 140 (VR=70 V) 100 S5106 Ceramic (10.6×8.8) 5×55 (VR=10 V) 40 (VR=10 V)30Oscillograph Charge-sensitive amplifier396 核技术第30卷5结束语采用离子注入技术研制半导体核辐射仪的各项技术指标达到了国际国内先进水平，可广泛用于空间、环境中X射线、γ射线的探测。
参考文献1林文廉. 离子注入技术. 北京师范大学低能核物理研究所, /kjqy/file/0314.htmLIN Wenlian. Ion implantation technology. Institute of Low-energy Nuclear Physics, Beijing Normal University, /kjqy/file/0314.htm2吴治华, 赵国庆, 陆福全, 等. 原子核物理实验方法.北京: 原子能出版社, 1997: 135—139WU Zhihua, ZHAO Guoqing, LU Fuquan, et al.Experimental methods in nuclear physics. Beijing: Atomic Energy Publishing Company, 1997: 135—1393陈鸿飞, 邹积清, 田大宇, 等. 核电子学与探测技术, 2005, 25(5): 457—459CHEN Hongfei, ZOU Jiqing, TIAN Dayu, et al. Nucl Electron Detect Technol, 2005, 25(5): 457—4594叶宗海. 空间粒子辐射探测技术. 北京: 科学出版社, 1986YE Zonghai. Radiation detection technology of space particles. Beijing: Science Press, 19865谭继廉, 靳根明, 段利敏, 等. 核电子学与探测技术, 2005, 25(6): 580—583TAN Jilian, JIN Genming, DUAN Limin, et al. Nucl Electron Detect Technol, 2005, 25(6): 580—583Development of the portable ion implanted semiconductor nuclear radiation meter XIE Liping1 KANG Mingjie1 DU Minxuan1 DU Yi21(Chemical Defence Technical Branch of Jinan Military Area, Jinan 250002, China)2(Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610005, China)Abstract Adopting the ion implantation technology in the fabrication of new type of semiconductor, a portable semiconductor nuclear radiation meter has been developed. The technical parameters of the new meter are improved clearly as compared with the conventional detectors. So it can be widely used for detecting the X-rays and γ-rays in the space and the environment.Key words Ion implantation, Semiconductor detector, Nuclear radiation meterCLC TL814。