化学气相沉积金刚石X射线探测器

　  目前,辐射探测大都依赖于硅光二极管或PIN二极管。远紫外硅光二极管对软X射线的响应灵敏度很高,但是对可见光有响应,且易于受到中子辐射的损伤。另一种普遍应用的软X射线探测器是真空X射线二极管,但是其灵敏度很低,且随光子能量的变化而变化[1-2]。因此需要寻求一种对可见光不响应,在测谱范围内平响应的X射线探测器。随着化学气相沉积(CVD)技术的发展,金刚石受到越来越多的关注。天然单晶或多晶的金刚石都可以用于各种辐射探测,包括X射线、γ射线、高能带电粒子及中子探测。用金刚石制备的探测器能够在高注量率、高辐照强度及高温等苛刻环境下工作[1-2],满足ICF研究实验对探测器响应快、灵敏度高、有一定抗辐射损伤能力的要求。与硅光二极管相比,CVD金刚石光电导探测器(PCD)具有独特的优势[1-3],可作为硅与X射线二极管探测技术的较好补充。在Sandia国家实验室Saturn装置上,金刚石PCD已经广泛引用于Z-pich实验中软X射线的诊断[2]。Los Alamos国家实验室研制了一套基于多晶CVD金刚石的透射光栅软X射线谱仪,在NIF装置上测量软X射线谱以测量辐射温度,测谱范围上限达到3 keV[1]。国内CVD金刚石探测器的研究在原来天然金刚石探测器研究的基础上也已逐渐展开,但是距实用还有一定距离[3-5]。本工作利用1 mm×1 mm×2 mm(A型),1 mm×1 mm×3 mm(B型)两种规格的CVD金刚石,采用金属-半导体-金属(MSM)结构,分别制作出A型、B型X射线探测器,在8 ps激光器上,重点对探测器的时间特性进行了分析。

    1　探测器测量原理

　  将光激发的载流子、电子与空穴都统一处理为载流子[6-7],定义n为单位体积内载流子数目,即载流子数密度,则载流子产生率

式中:P为吸收功率(单位时间内吸收的能量);τ为载流子寿命;V为有效体积;γ为产生一对电子-空穴对所需的平均电离能。

　  图1为CVD金刚石测量原理示意图,其中V0为偏压,ε为电场强度,L为极间距离。对于高斯分布的脉冲信号激发源,半高全宽为σ,辐射在金刚石探测器灵敏区沉积的总能量为E0,则探测器的电流[8-9]

式中:e为电子电荷;μ为载流子迁移率。令C=eμE0V0/2γL2,则有

　  假设激发脉冲时间远大于载流子寿命,则灵敏度

　  如果输出电压远小于偏压,则测得的信号即是输出信号;反之,则需要对测得的信号进行修正,才能得到真实的输出信号

式中:Vpc为修正后的输出电压信号;Vout为实际测量的输出电压信号。则修正后的输出电流

式中:Iout为实际测量的输出电流信号;R0为记录系统的电阻。