电流型CVD金刚石探测器研制

论文摘要

探测技术是脉冲辐射场诊断的关键和核心技术之一,它直接决定待测对象的种类、范围及测试数据的质量。为了获得脉冲辐射性能优异,可在极端环境下使用的新型半导体探测器件,本文开展了CVD金刚石薄膜探测器作为脉冲辐射探测器件的研究与探索。首先开展了CVD金刚石薄膜探测器作为脉冲辐射探测器件的可行性研究。通过对目前国内外多批金刚石材料性能测试、器件制作及探测器性能研究,对“探测器级”金刚石薄膜材料提出结晶程度好、尤其要求杂质浓度低的选材准则,制作了欧姆接触良好,暗电流达10pA的高质量CVD金刚石薄膜探测器。研究了CVD金刚石薄膜探测器的电荷收集特性。理论计算了电荷收集效率与探测器电场强度、规格尺寸的代数关系,分析了金刚石材料质量对电荷收集效率的影响。实验研究获得了所研制探测器的电荷收集效率和载流子寿命,验证了理论计算结果。研究表明,工作电场在2V/μm以上时,探测器可获得稳定的电荷收集效率,所研制探测器的电荷收集效率达60-70%,达到国际先进水平。系统研究了CVD金刚石薄膜探测器的脉冲辐射特性。利用物理模型计算了探测器的时间响应波形,并在快脉冲紫外激光、X射线及质子束流上开展了相应的实验研究,获得了探测器时间性能指标及金刚石质量对探测器时间性能的影响。完成了探测器辐射响应（灵敏度、能量响应）、n/γ分辨能力的蒙特卡罗模拟计算,开展了探测器对脉冲γ射线、Z-pinch过程脉冲X射线、DPF装置脉冲中子/X射线混合场、BEPC II试验束装置脉冲电子束及国家串列加速器脉冲质子束的辐射响应实验研究。研究表明,所研制金刚石探测器的上升时间达440ps,其时间响应和辐射响应满足脉冲辐射场测量需求。研究了探测器的耐辐照性能。在2×13MeV国家串列加速器HI-13装置开展了探测器对直流质子束的耐辐照实验研究,结果表明所研制的金刚石探测器的抗辐照能力比硅PIN探测器高3个量级。本课题所研制的高质量CVD金刚石薄膜探测器具有暗电流小、时间响应快、抗辐照能力强等优点,为高强度脉冲辐射场的诊断提供了新的、性能更加优异的探测元件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 脉冲辐射探测的特点和要求
• 1.1.1 脉冲辐射场及电流型测量
• 1.1.2 脉冲辐射探测对探测器的要求
• 1.1.3 脉冲辐射探测所使用的常见探测器
• 1.2 CVD 金刚石探测器性能概述
• 1.3 CVD 金刚石探测器的研究历程及现状
• 1.3.1 CVD 金刚石探测器的研究发展历程及主要研究机构
• 1.3.2 CVD 金刚石探测器的研究现状
• 1.4 课题目的和研究内容
• 第2章 CVD 金刚石薄膜探测器设计制作
• 2.1 金刚石薄膜的质量和选材
• 2.1.1 金刚石的组织结构
• 2.1.2 金刚石的种类
• 2.1.3 CVD 金刚石材料杂质和缺陷
• 2.1.4 CVD 金刚石材料的性能表征
• 2.1.5 CVD 金刚石材料选材原则
• 2.2 探测器设计
• 2.2.1 探测器电极结构
• 2.2.2 CVD 金刚石薄膜的结构形态
• 2.2.3 探测器的规格尺寸
• 2.3 探测器制作
• 2.3.1 探测器的制作流程
• 2.3.2 CVD 金刚石薄膜后处理
• 2.3.3 电接触工艺
• 2.3.4 探测器封装
• 2.4 探测器暗电流测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 CVD 金刚石薄膜探测器辐射响应研究
• 3.1 CVD 金刚石探测器 X/γ射线辐射响应研究
• 3.1.1 X/γ射线与CVD 金刚石材料的相互作用机制
• 3.1.2 CVD 金刚石探测器X/γ射线辐射响应计算
• 3.1.3 CVD 金刚石薄膜探测器的X/γ射线响应实验研究
• 3.2 CVD 金刚石薄膜探测器质子辐射响应研究
• 3.2.1 反冲质子法中子探测系统
• 3.2.2 质子与CVD 金刚石材料的相互作用机制
• 3.2.3 CVD 金刚石探测器质子响应计算
• 3.2.4 CVD 金刚石薄膜探测器的质子响应实验研究
• 3.3 CVD 金刚石薄膜探测器中子响应研究
• 3.3.1 中子与CVD 金刚石材料的相互作用机制
• 3.3.2 CVD 金刚石探测器中子响应计算
• 3.3.3 CVD 金刚石薄膜探测器的n/γ比
• 3.4 本章小结
• 第4章 CVD 金刚石薄膜探测器电荷收集性能研究
• 4.1 载流子在CVD 金刚石薄膜中的迁移过程
• 4.1.1 载流子的俘获
• 4.1.2 载流子的俘获与探测器电信号
• 4.2 电荷收集效率与电场的关系
• 4.2.1 载流子在金刚石中的漂移速度与电场强度的关系
• 4.2.2 电荷收集效率与电荷收集距离的关系
• 4.2.3 电荷收集效率与电场强度的关系
• 4.3 电荷收集效率性能的实验研究
• 4.3.1 实验原理
• 4.3.2 实验结果及其分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 CVD 金刚石薄膜探测器时间性能研究
• 5.1 脉冲电信号的形成
• 5.1.1 脉冲电信号的形成过程
• 5.1.2 探测器时间响应波形的计算模型
• 5.2 CVD 金刚石探测器时间性能的影响因素计算分析
• 5.2.1 金刚石探测器与硅探测器时间性能的对比计算
• 5.2.2 金刚石探测器时间性能与薄膜尺寸的关系
• 5.2.3 金刚石探测器时间性能与电场强度的关系
• 5.2.4 时间性能与辐射类型的关系
• 5.3 CVD 金刚石薄膜探测器时间性能实验研究
• 5.3.1 实验装置
• 5.3.2 实验原理
• 5.3.3 实验结果及其分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 CVD 金刚石薄膜探测器辐照性能研究
• 6.1 金刚石探测器的质子辐照效应
• 6.2 金刚石探测器的γ辐照效应
• 6.3 CVD 金刚石探测器的辐照效应实验研究
• 6.3.1 实验装置
• 6.3.2 实验结果及其分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 CVD 金刚石薄膜探测器脉冲辐射场探测应用
• 7.1 在“强光一号”加速器上的实验
• 7.1.1 “强光一号”装置简介
• 7.1.2 实验布局
• 7.1.3 实验结果及其分析
• 7.2 在“强光一号”加速器 Z-Pinch 状态下的实验
• 7.2.1 “强光一号”Z-Pinch 状态简介
• 7.2.2 实验布局
• 7.2.3 实验结果
• 7.3 在DPF 脉冲中子发生器上的实验
• 7.3.1 ING-103 型DPF 脉冲中子发生器简介
• 7.3.2 实验装置
• 7.3.3 实验原理
• 7.3.4 实验结果及其分析
• 7.3.5 实验偏差来源
• 7.4 在北京正负电子对撞机试验束装置的实验
• 7.4.1 实验装置
• 7.4.2 实验结果及其分析
• 7.4.3 实验总结
• 7.5 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 研究总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果