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10.2.3 PN结半导体探测器的主要性能

下一节:10.3.1 锂漂移半导体探测器

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10.2.3 PN结半导体探测器的主要性能课程教案、知识点、字幕

下面我们来介绍一下

PN结半导体探测器的主要性能

PN结半导体探测器

我们前面说了

半导体探测器

它的一个突出的优点

是能力分辨率好

PN结半导体探测器

当然也是用来测能谱的

它的能量分辨率

是它最重要的指标之一

通常说的PN结半导体探测器

就是比较薄的那种PN结探测器

主要用于测量

重带电粒子的能谱

因为它很薄

测γ射线效率太低

测β射线也不合适

所以它主要测量

重带电粒子的能谱

通常测α能谱

或者质子能谱等等

这种情况下

我们要求你的耗尽层厚度

要大于入射粒子

在你这种材料里面的射程

这样的话

入射粒子才能把所有的能量

存积在灵敏体积里面

信号和能量之间

才能有一个正比的关系

影响能量分辨率的因素

主要有哪些呢

第一个因素

当然还是统计涨落的影响

统计涨落

我们直接给它表示出来

其实就是那个法诺分布

所造成的影响

这个时候对于能量分辨率的影响

我们用△E表示涨落

用E是它的入射带电粒子数

损耗在灵敏体积里面的能量

它应该等于2.36×νn

2.36其实就是相对标准偏差

和我们讲的能量分辨率

之间的一个系数

得到的关系就是2.36×sqrt(FW/E)

F就是法诺因子

这个地方要注意F是法诺因子

W是平均电离能

所以E除以W其实是N

也是说它应该是F除以N

开方然后乘以2.36

这个是统计涨落所造成的影响

能量分辨率我们前面讲的

都是用百分数去表示

它是一个相对的

能量分辨率的概念

我们半导体探测器很多时候

是直接用它的半宽度去表示

用△E去表示的

△E等于什么

△E等于我们前面说的

百分数的能量分辨率乘上E

所以我们把刚才那个式子

稍微做一下转化可以得到

它是2.36×sqrt(FWE)

所以可以看出来

统计涨落造成的

能量分辨率的宽度

其实和你测量的粒子能量

之间是有关系的

你粒子能量越大

它造成的涨落也就越大

这个里面△E

我们称它为半高宽

或者叫线宽

一般用的单位都是keV为单位

这个地方我们举个例子

以Po210的能量

为5.305MeV的α粒子为例

我们用某一个硅的

PN结探测器去测量它

由于输出脉冲幅度的

统计涨落引起的线宽

我们就可以直接表示出来

这个里面

我们取法诺因子是0.15

W我们取3.62

然后把α离子的能量5.305

放进去

注意一下单位

最后我们可以得到

统计涨落造成的线宽是多少呢

是4.01个keV

是统计涨落所造成的影响

当然统计涨落不是唯一

对能量分辨率有影响的因素

我们还要考虑探测器和电子学

需要本身的噪声

探测器的噪声

主要是由PN结反向电流

和表面漏电流的涨落所造成的

电子学的噪声

主要是我们放大器第一级的

就是超限应用管噪声构成的

通常情况下我们用

零电容噪声和噪声斜率

去表征这部分噪声

所以这部分噪声

我们可以用△E2来表示它

它等于什么呢

等于零电容噪声加上噪声斜率

乘上结电容

结电容就是我们刚才说的

PN结的电容

下面我们还是看一个例子

如果某个PN结探测器

和电子学系统

零电容噪声是0.5的keV

噪声斜率是0.114keV/pf

PN结的结电容是10pf

我们就可以用这样的数据

去算一下△E2等于什么

把数据带进去

可以算出来△E2等于1.64keV

这个是由噪声所形成的线宽

当然这个噪声

包括探测器和电子学的噪声

我们说噪声

其实也可以用另外一个参数

去表示它

我们叫等效噪声电荷

也就是ENC去表示

这个描述的是什么

就是放大器输出噪声

电压的均方根值等效到

放大器输入端的噪声电荷

它的单位是电子电荷为单位的

我们说由于噪声

叠加在射线产生的信号上

使谱线进一步加宽

我们参照产生信号射线的能量

用线宽去表示它就可以了

它的单位也是keV

例如我们说ENC等于200

就是200电子空穴对

由于噪声引起的线宽

我们就用200乘以W

再乘以2.36就可以得到

由于噪声所引起的线宽

这种表示方式

和我们前面说的零电容

噪声造成斜率表达的方式

取一个就可以了

第三个我们也可以

找到其它的影响因素

例如我们探测器本身有窗

在窗里面损耗的能量

没有消耗在探测器的体积里面

而且在窗里面损耗的能量

往往有多有少

所以一定会对能量测量

造成一定的影响

所以这个里面

我们用△E3去表示它

这个里面我们描述的是

不同角度入射的情况下

虽然窗的厚度是一致的

但是你不同角度

所经过的厚度

就是进去的长度不一样

损耗的能量也就不一样

所造成的一个展宽

我们叫它△E3

但你也可以找到

其它的一些影响因素

这个里面我们会得到

△E1 △E2 △E3

几种不同的线宽

这几种线宽

最后怎么去组合出

PN结半导体探测器

它本身能量分辨率的线宽呢

我们要注意

它是一个平方和相加

再开方的一个结果

因为每一个线宽

其实都是一个涨落的概念

涨落的概念

我们其实可以把它理解成

像方差的概念一样

所以这个不能直接去

给这个标准偏差求和去

但是方差可以求和

所以我们是平方了之后求和

再开方得到的一个结果

所以我们刚才得到了

3个△E1 △E2 △E3

分别是4.01keV 1.64keV

和1.0keV

那么总的线宽是多少呢

是4.01平方加上1.64平方

再加上1.0平方

然后再开方

得到的结果是4.45keV

所以这个要注意

它一定不是三个线宽直接相加

三个线宽直接相加

是下面这个6.65keV

这是错误的结果

正确的结果是平方之后相加

再开方才能得到正确的结果

这个是能量分辨率

我们看一下它的时间特性

时间特性我们先来看分辨时间

PN结半导体探测器的分辨时间

我们说主要由主放大器的

成形参数来决定

主放大器的成形参数

你可以选择不同的成形参数

可以选择几个微秒

4个微秒 6个微秒等等

所以通常情况下

我们说分辨时间

对于后面的这个多道测量来说

差不多是在微秒或者10微秒

这样量级

第二个时间我们来看一下

它的时间分辨本领

所谓时间分辨本领的话

指的是对时间测量的精度

我们说PN结半导体探测器

时间分辨本领主要取决于

电压脉冲信号的上升时间

电压脉冲信号的上升时间

我们知道

它是电流信号的持续时间

或者就是载流子的收集时间

通常这个时间是在纳秒量级

所以PN结半导体探测器

它的时间分辨本领差不多

都是在纳秒量级

再来看一下PN结半导体探测器

它的能量线性

一开始我们就说过

半导体探测器

它是能量线性是很好的

所以通常情况下

可以认为PN结半导体探测器

平均电离能W值

和入射粒子的类型

能量基本是没有关系的

也就是说

它的能量线性很好

这个给我们一个很大的方便

例如我们有了α源

我们用α源做的能量刻度

也是可以用来测质子的

当然中间会有一个误差

最好还是用同类的粒子

去做能量刻度

我们再来看它的辐照寿命

这个我们说是它的一个弱点

就是说辐照寿命短

是半导体探测器的

一个致命的缺点

随着使用时间的增加

会造成载流子寿命的变短

也就是半导体材料的缺陷会增加

这个会影响到载流子的收集

我们说例如

对于5.5MeV的α粒子

当α粒子的流强

达到10^9/cm2的时候

探测器就会变坏

如果你测量达到了

10^11/cm2的话

探测器基本上就不能再用了

这个给我们一个提示

也就是说半导体探测器

如果你不用的时候

你最好不要

把它和放射源放在一个地方

就要给它分开放

因为我们半导体探测器

想测量重带电粒子的时候

通常我们需要一个真空的环境

所以有一个真空腔

源和探测器都放在这个腔里

有的时候

可能大家觉得为了方便

可能源和探测器就都不拿出来

这个不太好

即使你不拿出来

在源和探测器之间

也最好给它挡一点东西

一般情况下我们挡个铝片

挡个纸片

也就能把α粒子挡住

增加你的探测器

整个使用寿命

这个就是关于

PN结半导体探测器

主要性能的一个描述

核辐射物理及探测学课程列表：

第一章原子核的基本性质

-1.1 基础知识、常量与单位

--1.1.1 基础知识、常量与单位

-1.2 原子核的构成、表示方法与相关术语

--1.2.1 原子核的构成

--1.2.2 原子核的表示方法

--1.2.3 一些原子核相关的术语

-1.3 原子核的大小与稳定性规律

--1.3.1 原子核的大小

--1.3.2 核力的基本特性

--1.3.3 β稳定曲线及原子核的稳定性规律

--1.3.4 核势垒

-1.4 原子核的结合能

--1.4.1 质量亏损与质量过剩

--1.4.2 原子核的结合能与比结合能

--1.4.3 液滴模型

-1.5 原子核的自旋

--1.5.1 原子核的自旋

-1.6 原子核的磁矩与电矩

--1.6.1 原子核的磁矩

--1.6.2 原子核的电矩

-1.7 原子核的统计性质、宇称与能态

--1.7.1 原子核的统计性质

--1.7.2 原子核的宇称

--1.7.3 原子核的能态

-课后作业--作业

第二章原子核的放射性

-2.1 放射性衰变的基本规律

--2.1.1放射性的发现

--2.1.2原子核的放射性

--2.1.3衰变纲图

--2.1.4放射性衰变的基本规律

--2.1.5描述放射性的特征量

--2.1.6 放射性活度、比活度、射线强度

-2.2 递次衰变规律

--2.2.1 递次衰变规律

--2.2.2 放射性平衡与逐代衰变

-2.3 放射系

--2.3.1 放射系

-2.4 放射规律的一些应用

--2.4.1 放射源活度修正和源性质分析

--2.4.2 放射源制备时间与放射源活度确定

--2.4.3 碳-14断代年代法

--2.4.4 地质放射性鉴年法

--2.4.5 短寿命核素发生器

-课后作业--作业

第三章原子核的衰变

-3.1 原子核的衰变方式

--3.1.1 原子核的衰变方式

-3.2 α衰变

--3.2.1 α衰变的形式

--3.2.2 α衰变的特点

--3.2.3 α衰变的衰变能

--3.2.4 α衰变与核能级图

--3.2.5 α衰变的衰变常数

-3.3 β衰变

--3.3.1 什么是β衰变？

--3.3.2 中微子假说

--3.3.3 中微子的性质

--3.3.4 β-衰变

--3.3.5 β+衰变

--3.3.6 轨道电子俘获

--3.3.7 β衰变三种类型小结

--3.3.8 β衰变的费米理论与选择定则

--3.3.9 β能谱形状与库里厄图

--3.3.10 衰变常数与比较半衰期

-3.4 γ跃迁

--3.4.1 什么是γ跃迁？

--3.4.2 γ跃迁的多极性与主要特点

--3.4.3 γ跃迁几率与选择定则

--3.4.4 同质异能跃迁

--3.4.5 内转换

-课后作业--作业

第四章原子核反应

-4.1 核反应的概况

--4.1.1 原子核反应相关概念

--4.1.2 核反应中的第一

--4.1.3 核反应的分类

--4.1.4 核反应中的守恒定律

-4.2 核反应能和Q方程

--4.2.1 核反应能

--4.2.2 Q方程

--4.2.3 Q方程的应用

--4.2.4 实验室坐标系和质心坐标系

--4.2.5 核反应阈能

--4.2.6 L系和C系中出射角的关系

-4.3 核反应截面和产额

--4.3.1 核反应截面

--4.3.2 微分截面和角分布

--4.3.3 L系和C系中反应截面的关系

--4.3.4 反应产额

-4.4 反应机制及核反应模型

--4.4.1 核反应的三阶段描述和各截面的关系

--4.4.2 核反应的光学模型

--4.4.3 复合核模型

--4.4.4 共振和共振公式

--4.4.5 (n,γ)反应的1/v规律

-课后作业--作业

第六章射线与物质相互作用

-6.1 辐射与物质相互作用概述

--6.1.1 射线(辐射)及射线的分类

--6.1.2 带电粒子与物质原子的碰撞过程

--6.1.3 能量损失率、比能损失或阻止本领

-6.2 重带电粒子与物质的相互作用

--6.2.1 重带电粒子与物质相互作用的特点

--6.2.2 电离能量损失规律：Bethe公式

--6.2.3 对Bethe公式的讨论

--6.2.4 Bragg曲线与能量歧离

--6.2.5 能量损失的Bragg加法法则

--6.2.6 重带电粒子的射程及射程歧离

--6.2.7 阻止时间

-6.3 快电子与物质的相互作用

--6.3.1 快电子与物质相互作用的特点

--6.3.2 辐射能量损失规律

--6.3.3 快电子的能量损失率

--6.3.4 快电子的吸收与射程

--6.3.5 快电子的散射与反散射

--6.3.6 正电子湮没

--6.3.7 带电粒子与物质相互作用小结

-6.4 γ射线与物质的相互作用

--6.4.1 能谱的概念

--6.4.2 γ射线与物质相互作用的特点

--6.4.3 光电效应(物理、能量、截面)

--6.4.4 康普顿效应

--6.4.5 电子对效应

--6.4.6 三种效应的比较

--6.4.7 其他作用过程

--6.4.8 γ射线的衰减规律

--6.4.9 关于中子与物质相互作用的说明

-课后作业--作业

第七章辐射测量的数理统计基础

-7.1 统计学的基础知识

--7.1.1 伯努利实验

--7.1.2 二项分布

--7.1.3 泊松分布

--7.1.4 高斯分布

--7.1.5 串级变量

-7.2 放射性测量的统计误差

--7.2.1 核衰变数的涨落

--7.2.2 放射性测量的统计误差

-7.3 电离过程的涨落与法诺分布

--7.3.1 电离过程的涨落与法诺分布

-7.4 粒子束脉冲的总电离电荷量的涨落

--7.4.1 粒子束脉冲的总电离电荷量的涨落

-7.5 时间间隔的统计分布

--7.5.1 相邻信号脉冲(或粒子)的时间间隔

--7.5.2 相邻“进位脉冲”的时间间隔

-课后作业--作业

第八章气体电离探测器

-8.1 气体中离子与电子的运动规律

--8.1.1 气体中离子与电子的运动规律

-8.2 电离室

--8.2.1 电离室的工作机制

--8.2.2 脉冲电离室及其输出信号

--8.2.3 脉冲电离室的主要性能指标第一部分：能量分辨率

--8.2.4 脉冲电离室的主要性能指标第二部分：饱和特性、坪特性等

--8.2.5 累计电离室

-8.3 正比计数器

--8.3.1 正比计数器的工作原理

--8.3.2 正比计数器的输出信号

--8.3.3 正比计数器的主要性能指标

-8.4 G-M计数管

--8.4.1 GM计数管的工作机制

--8.4.2 有机自熄GM计数管

--8.4.3 卤素自熄GM计数管

--8.4.4 自熄GM计数管的输出信号和主要性能指标

-8.5 气体探测器小结

--8.5.1 气体探测器小结

-课后作业--作业

第九章闪烁探测器

-9.1 闪烁体

--9.1.1 闪烁体及其分类

--9.1.2 闪烁体的主要物理特性

--9.1.3 闪烁光的收集

-9.2 光电倍增管

--9.2.1 光电倍增管及其主要性能

-9.3 闪烁探测器

--9.3.1 闪烁探测器输出信号的物理过程及输出回路

--9.3.2 闪烁探测器的输出信号

--9.3.3 闪烁探测器输出信号的涨落

-9.4 单晶闪烁谱仪

--9.4.1 单晶闪烁谱仪的构成和主要性能指标

-课后作业--作业

第十章半导体探测器

-10.1 半导体与半导体探测器

--10.1.1 半导体探测器及其基本特点

--10.1.2 半导体的基本性质

-10.2 PN结半导体探测器

--10.2.1 PN结半导体探测器的工作原理

--10.2.2 PN结半导体探测器的输出信号

--10.2.3 PN结半导体探测器的主要性能

-10.3 锂漂移和高纯锗半导体探测器

--10.3.1 锂漂移半导体探测器

--10.3.2 高纯锗半导体探测器

--10.3.3 锂漂移和高纯锗半导体探测器的性能与应用

-10.4 其他半导体探测器

--10.4.1 其他半导体探测器

-课后作业--作业

第十二章核辐射测量方法

-12.1 活度测量方法

--12.1.1 辐射测量关心的问题

--12.1.2 活度测量的相对法与绝对法

--12.1.3 影响活度测量的因素

--12.1.4 α放射性样品活度的测量

--12.1.5 β放射性样品活度的测量

-12.2 符合测量法

--12.2.1 什么是符合？

--12.2.2 真符合

--12.2.3 反符合

--12.2.4 延迟符合

--12.2.5 符合曲线

--12.2.6 偶然符合

--12.2.7 真偶符合比

-12.3 γ能谱解析

--12.3.1 γ能谱解析

-课后作业--作业

第十三章中子及中子探测

-13.1 中子的基本特性与分类

--13.1.1 中子的基本特性与分类

-13.2 中子源

--13.2.1 中子源

-13.3 中子与物质的相互作用

--13.3.1 中子与物质的相互作用

-13.4 中子探测的特点与探测方法分类

--13.4.1 中子探测的特点与探测方法分类

-13.5 常用的中子探测器

--13.5.1 常用的中子探测器

-课后作业--作业

10.2.3 PN结半导体探测器的主要性能笔记与讨论

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