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 of detectors 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