辐射探测器应用及发展

辐射探测器应用及其发展

摘要：本文详细的描述了辐射探测器的发展史，简单的介绍了探测器的分类和区别，最后重点阐述了GaN探测器的发展现状。

关键词：辐射探测器；GaN探测器

Application and Development of Radiation Detector

Chen heng(SF1606018)

Abstract：In this paper, the history of radiation detectors is described in detail, and the classification and difference ofdetectors are introduced. Finally, the development of GaN detectors is discussed.

Key words：Radiation detector；GaN detectors

1.引言

在当代社会中，由于社会发展的要求，对核物理实验与核科学的研究起到了巨大的推动作用，也是由以上科学的发展，导致了核辐射探测技术的进一步发展壮大，不管是就核科学技术研究来说，还是出于对公共安全的考虑，我们都必须对核辐射探测技术领域的发展提出更高的要求标准。作为实现核辐射探测的关键，核辐射探测器的研制就显得尤为重要[1]。

相信我们仍然对2011年发生的日本福岛核电站事件记忆犹新，在那个事件中，日本福岛的第一核电站其中的1号反应堆发生爆炸。这场爆炸立刻吸引了全世界的注意，人们对此都表现除了强烈的担忧，因为这不禁让人联想起另一个与之相类似的事件。那就是在1986年，发生在前苏联的切尔诺比利的核电站出现的泄漏事故，那场事故所造成的深远影响至今仍没有消散。因而，对核能的安全利用问题的讨论，使得辐射探测技术这一问题，再一次成为了国内外研究的一个热点。

众所周知，核能是由原子核的质量转变而成的能量，由爱因斯坦经典的质能方程E=mc2，方程中的E是代表的是能量，c代表的是光速，m代表的是质量。在原子核的质量转变为能量的过程中会释放出巨大的能量。同时，在核反应产生能量的过程中还有大量的射线被释放出来，这些射线会对人类和环境产生巨大的伤害。射线主要有三种，分别为α，β和γ三种射线，其中α射线是He核，一

张纸片就能轻易挡住，但是当其进入人体内部之时，却可以产生相当大的危害，β射线是电子流，皮肤如果被β射线照射到，就会产生明显的损伤。

以上两种射线的影响范围都比较小，穿透力也比较小，只要放射源不进入人体内，就不会对人体产生太大的伤害。X射线和γ射线都是电磁波，由于它们都是波长很短的电磁波，因此它们的频率很高，穿透能力也很强，可以穿透人体和建筑物，产生危害的范围也比较广。

在我们生活的世界中具有放射性物质十分多，但是通常危害都不大。只有类似核爆炸或是核电站泄漏等事故，其所产生的放射性物质才会造成广泛的影响，甚至造成人员伤亡。由于人体对核辐射是无法感知的，因此要想探测核辐射的种类，能量和强度等就必须借助于核辐射探测器。只有通过有效的方法来对辐射进行监测，才可以及时有效的降低或避免辐射造成的危害。为了控制及避免辐射所引起的危害，设计一种能够高效探测核辐射的器件就显得十分必要。核辐射探测器，能够有效地对放射性物质进行监测，核辐射探测技术也是粒子物理和核物理研究中一个不可或缺的重要工具。

在辐射探测领域，最早出现的探测器是气体探测器，随着技术的发展，到二十世纪五十年代左右出现了一种新型的闪烁体探测器，逐渐取代了气体探测器，到了七十年代左右，才出现了各种半导体探测器。以上这些探测器都对核技术的应用以及核试验的进行做出了重大贡献。相比于其他材料，半导体材料有其独有的优势，而这些优势使其十分适用于电离辐射的探测领域[2]。同时，半导体材料特别是硅基材料被广泛用于制备其他具有放大功能的微电子集成电路和电子元器件。被用以制造这些集成电路和电子元器件的工艺同样可以用来制备探测器，这样可以使得外围电路与探测器的集成成为了可能[3]。

从二十世纪八十年代开始，半导体加工工艺技术得到了突飞猛进的进步，同时也开发出了许多新型的使用半导体材料的探测器。像硅漂移室SDC，P-N结CCD，化合物半导体探测器Cd、Zn、Te等这些半导体探测器，它们被广泛应用在辐射探测，核仪器，核医学以及环保等诸多领域[4]。

最早的半导体探测器是Si为主导的半导体探测器，虽然也有少量报道有关其他种类的半导体材料用于核辐射探测，例如碲锌镉（CZT）等，但是因为在早期报道中，它们作为辐射探测器的各方面特性都没有达到预期的性能。还有以第

三代半导体代表之一的SiC材料制备辐射探测器的报道，但是制备出来的SiC基辐射探测器的响应时间和能量分辨率还有待提高。同样作为第三代半导体材料代表之一的GaN和它的多元合金材料，凭借其优异的光学和电学特性，逐渐受到了研究人员的关注，GaN作为一种半导体材料，是在1938年由Juza和Hahn首次合成得到[5]，大概在1969年，才有报道说通过在蓝宝石衬底上外延生长GaN 材料的技术。目前，光电子(如发光二极管LED和激光二极管LD)和微电子(高电子迁移率晶体管HEMT)领域的研究和应用尤为活跃，是当今半导体界的国际焦点。在探测器领域，GaN基材料逐渐成为紫外探测器、特别是太阳光盲紫外探测器的研究热点。近几年来，国外开始关注和开展GaN材料在核辐射探测领域的研究。GaN具有宽带隙、强共价键结合、高熔点、高击穿电场、抗腐蚀、抗辐射等优良性能，它是良好的室温核辐射探测器半导体材料，尤其是在强辐射场的探测方面颇具优势。

2.核辐射探测器

核辐射探测器，简称为核探测器，也称为核探测设备。是一种辐射射线检测装置。核辐射是原子核从某种能量状态或某种结构向另一种结构或状态发生转变时，在转变过程中释放出来的微观粒子流，这是一个涉及原子或原子核的过程，从原子核中释放出的辐射。γ辐射、中子辐射、α和β辐射等这些辐射都称为核辐射[6]。X，γ射线都是属于电磁辐射范畴，X-ray是由核外电子在跃迁过程中产生的，γ射线是在核跃迁或粒子湮灭过程的中发出来的电磁辐射[7]。核辐射探测器可以说是粒子物理研究以及核物理研究中最为基础，也是极其重要的一项技术和工具，核辐射探测器的基本工作原理如图。当辐射射线（或粒子）辐照到探测器的电荷灵敏区，而电荷灵敏区内的物质在辐射的激发下会产生出大量电子-空穴对，在外加电场的作用下分别向正负电极移动而产生电学信号，对电学信号的分析整理，从而实现对辐射射线或粒子的探测。自从云室的出现以来，核探测器材料已经得到极大的发展，经历了气体、闪烁体、到半导体的发展。

3.核辐射探测器的分类

目前而言，市场上已经具有多种不同的已经商业化应用的核辐射探测器种类，而它们之间的工作原理也并非完全一样。我们可以根据辐射探测的探测原理不同

而将核辐射探测器大致分为发光原理探测器和电离原理探测器。常见的发光类探测器包括闪烁体探测器，热释光探测器等。而电离类探测器有半导体探测器，电离室等。同时，利用物理和化学变化原理的粒子径迹探测器也可以纳入电离原理探测器这一类。由探测器所探测获得的信息，可以直接或间接的确定核辐射射线的种类，核辐射强度，核辐射能量以及核寿命等参数。

3.1闪烁体核辐射探测器

闪烁体核辐射探测器是出现较早的一种核辐射探测器。闪烁体核辐射探测器也是应用较为广泛且较为成熟的辐射探测器之一，闪烁体探测器利用的原理是射线或粒子照射在某些物质上时，会使其中产生出光，而通过对光的探测来探测电离辐射，这些能产生光的物质就称为闪烁体。通过使用某种被稀释的有机溶剂来探测核辐射。这种有机溶剂在经过放射性粒子辐射之后，其中的分子会吸收放射性粒子的能量，而将其转变为溶剂分子的激发能，然后这些激发能会被有机溶剂分子吸收传递给其中的溶质分子，从而激发溶质分子，而有机闪烁体分子在退激过程中就会产生荧光，可以通过产生的荧光来测定放射性的含量。

探测部分主要由闪烁体，光导以及光电倍增管等几个部分组成。闪烁体探测器具有以下特点：探测响应时间快，探测效率高，大面积灵敏度高，能量分辨率好，是目前应用较为广泛的核辐射探测器之一。

3.2气体核辐射探测器

气体核辐射探测器主要探测的是带电粒子，其原理主要为通过收集射线产生的电离电荷来测量核辐射。在最初核物理发展的过程中，气体探测器起到了很大的作用。由于它结构简单和使用方便的特点，可制备成许多类型的大型电离室，因此许多方面仍得到广泛应用。

气体核辐射探测器最关键的核心在于收集，探测的原理就是探测核辐射射线在气体中产生的电离电荷，为了更加有效的收集电荷，需在气体电离区两端加上电场，即在探测器两端设置两个电极，然后在通过电场的作用使正离子和电子分别向两极漂移。被加速后的电子，其所具有的能量已经达到了气体的激发能，但其能量还不足以将分子或原子激发。

3.3半导体核辐射探测器

半导体核辐射探测器就发展时间来说，还是一类比较新的核辐射探测器，简

单的说，可以将它看作为一个工作于反向偏置的P-N结二极管。半导体核辐射探测器是以固体材料做为工作介质。半导体材料不同于绝缘体材料和金属材料的地方在于，绝缘体材料中，由电离辐射产生的电子空穴对，在到达电极之前就已经被复合了，因此不能作为探测器制备材料。

半导体核辐射探测器的探测通常会给器件加上一个反向偏压，分离电子-空穴来产生电脉冲信号。而最后的电信号就是我们用来判定测量辐射的重要依据。一般的入射类型有三种：中子，光子和带电粒子。与其他两种不同，中子的常用探测法为核反应法，它是利用中子和原子核的反应，释放出带电粒子，在通过带电粒子来反推中子的能量和剂量。在上下两个金属电极之间为半导体材料，当给半导体核辐射探测器加上一个反向偏压时，半导体探测器内部的耗尽层区域将增大。

4.GaN核辐射探测器的研究进展

与第二代半导体探测器CZT相比，第三代半导体探测器GaN具有更宽的带隙、更强的机械性能、更佳的化学稳定性、更成熟的材料生长和器件制备技术等优势。

在强辐射场探测领域，正在进行的欧洲粒子物理研究所(CERN)资助的RD50计划的目标是研制在重粒子对撞系统中强辐射半导体射线探测器。这一计划主要有材料工程和器件工程两大项目方向，由20个成员国中的53个研究所的264名科学家参与，所研究的材料主要有Si(O)、SiC和GaN。由于Si的抗辐射性能不如SiC和GaN，因此，SiC和GaN最终将成为更有优势的强辐射场探测器[8]。正在进行中的北京正负电子对撞机重大改造工程将把亮度在目前水平上提高约100倍，其对探测器的抗辐射能力也将大幅提高。这为GaN核辐射探测器的研究提供了良好机遇。J.GRANT等使用12μm的GaN制备肖特基结构探测器，在照射注量为1016 cm- 2的中子和质子后，电荷收集效率均从53%降到20%和26%，漏电流却有几个数量级的减少。J.VAITKUS等[9]指出，GaN薄膜探测器在经5×1014 cm- 2中子照射后，电荷收集效率从92%下降到77%。P.J.SELLIN等的实验显示，经质子或α粒子辐照后半绝缘的GaN薄膜探测器的电荷收集效率接近100%。J.Y.DUBOZ等[10]研究了GaN探测X射线的可能性，研制了MSM结构探测器，分别经6～40 keV的X射线辐照，发现同时存在光伏和光导效应，认为器件响应与

器件结构、偏压和内部动力学过程有关。J.GRANT等的研究表明，当GaN薄膜探测器在接受1014 cm- 2中子辐照后，探测α粒子的电荷收集效率明显降低，探测器厚度增加，电荷收集效率的降低幅度减少。P.J.SELLIN等运用2μm的GaN探测器作为成像单元，在2MeVα粒子辐照下首次实现成像。目前，尚未见国内有关GaN用于核探测的报道，因此，使用GaN材料研制半导体核探测器是一新兴研究领域，有重要的研究价值和丰富的研究内容，大力研发GaN新型半导体探测器，将在一些特殊场合，如空间、强辐射场等方面具有可观的发展前景和应用价值。

5.总结与展望

近年来，GaN以优异的光电子学性能已在白光照明、光学存储和太阳光盲紫外探测器方面获得了广泛应用。基于GaN材料和器件广泛的科研及工业化基础，该材料在强辐射场、安检、工业探伤、医学诊断和天体X射线望远镜等核辐射探测方面有着广泛的潜在应用。核探测对GaN材料有更高的品质要求，面对核探测器的应用需求，还需在GaN材料的生长及器件设计和制备等方面进行研究。近几年，在GaN材料的生长方面已取得了长足的进步，但器件制备研究尚处在起步阶段。当相关的一些关键技术难点得到充分解决后，在不久的将来，GaN材料在核探测领域将得到广泛应用。

参考文献：

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