高性能金刚石辐照探测器的研究与应用

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磁约束核聚变研究技术的快速发展,对核辐射探测学方面有了更高的要求,特别是通过对高能粒子的损失诊断,可以很好的评估聚变反应中等离子体的相关参数。而由于金刚石材料自身独特的物理性质,使得基于其制成的辐照探测器与其它半导体探测器相比具有有耐高温、抗辐照、响应快等特点。本文正是从这一点展开研究,利用IIa型电子级CVD金刚石样品设计研制了高性能均匀型金刚石辐照探测器,并对其在脉冲辐照下的响应情况进行了深入的研究。首先,从金刚石的生长开始,对MPCVD生长单晶金刚石细节方面做了有效的改善,设计了一种新型凹槽基片台,并优化了使用这种凹槽基片台生长单晶金刚石的方法,有效的改善了使用传统基片台在生长单晶金刚石时出现的平整度低,四周生长速度高于中间的缺点。另外,归纳总结了金刚石的常用表征方法,并与国内外其他单位生长的金刚石样品的表征结果进行了对比。从电子级样品的选取、电路板的选材及电路的设计、电极的制作、各部件的连接及探测器的封装四个方面详细的介绍了CVD金刚石探测器的制作细节。对研制的探测进行了暗电流和X射线下的光电流测试,其中单晶探测器单位电场强度下的暗电流密度大小为9.2[pA/mm2]/[V/um],多晶为20.5[pA/mm2]/[V/um]。在10keV和40keV X射线管电压下,单晶探测器的信噪比(SNR)分别可以达到2000和7000左右,多晶探测器的信噪比可以达到550和2000左右,说明研制的探测器具备良好的基本电学特性。研究了金刚石探测器在Alpha粒子源辐照下的脉冲信号响应情况,并且在相同的测试环境下对比了国外商用单晶金刚石探测器测试的结果,对单个Alpha脉冲信号响应时间的量级大小为ns级。能量分辨率方面:研制的单晶金刚石探测器大小为3.7%,而商用单晶金刚石探测器大小为3.9%。采用Hecht模型,通过对脉冲信号高度分布谱的积分,拟合出了探测器的电荷收集效率。对于研制的单晶探测器来说,外加偏压达到200V以上时,该值大于97%,比同等电压下的商用探测器的结果高1-2%左右。对于多晶探测器而言,虽然同样可以很好的探测到单个Alpha脉冲信号,但在脉冲高度分布方面却呈现出了一个连续递减的能谱,分析这是由于多晶内部陷阱引起的极化效应导致的结果。另外通过对单晶和多晶探测器对单脉冲信号的响应区别,验证了外来入射粒子产生的自由电子空穴对如何漂移到探测器两端电极上将最终决定脉冲信号的形状。通过蒸镀6LiF转化层的方法,研制了CVD金刚石中子探测器,测试了其在241Am-Be及252Cf中子源下的脉冲响应,两种中子源辐照下都采集到了相应的中子信号,并发现在低能段处都出现了伽马信号,最后单独的利用152Eu及137Cs伽马源证实了金刚石探测器对伽马脉冲信号是有响应的。
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