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。
CVD金刚石的许多物理特性及光学特性与单晶金刚石的特性类似,但其电荷转移特性却有很大不同,这主要受晶体结构缺陷或者杂质等瑕疵的影响。定义电荷收集距离为d,电荷转移特性方程为
d值可以作为衡量CVD金刚石片中缺陷数量的指标。
2 探测器制作
在制作探测器之前,应先对CVD金刚石的品质进行形貌和拉曼谱检测,以判断金刚石样品是否适合用来制作探测器。形貌检测结果显示,金刚石晶粒约为1μm,表面比较平整,如图2所示。拉曼谱结果显示,样品在1 332 cm-1附近,出现一非常尖锐的金刚石特征峰,半高全宽为2.7 cm-1,如图3所示。在1 580 cm-1处没有观测到墨特征峰,且1 400~1 600 cm-1之间也无非金刚石碳相对应的较弱宽带峰。
金刚石探测器采用MSM结构。在A,B两种规格的CVD金刚石的1 mm×2 mm或1 mm×3 mm的两个相对侧面上镀Ti/Pt/Au(厚度分别为60,120,1 000 nm)作为电极,采用环氧银导电胶将其与阻抗为50Ω的微带联结,再通过SMA电缆头即可施加偏压并输出信号。在电场强度2 kV/cm的条件下,CVD金刚石探测器的暗电流低于0.1 nA。
3 CVD金刚石探测器性能实验
3.1 实验布局
将CVD金刚石探测器在8 ps短脉冲激光装置上进行研究,实验布局如图4所示。脉冲为8 ps,波长约263 nm的激光经过0.8 mm光阑1限束,再通过分光镜,反射光完全被PE10-SH-V2能量卡计1接收,透射光被PE10-SH-V2能量卡计2接收。通过2个能量卡计测量激光能量,即可确定分光镜的分光比,从而保证仅使用能量卡计1即可监测CVD金刚石探测器接收到的激光能量。然后将能量卡计2移出光路,在其位置上安装CVD金刚石探测器,并保证0.8 mm的光斑完全落在金刚石灵敏面上。施加偏压的探测器即可将光转化为电信号,并通过1 m SUJ-50电缆输出至示波器。
在实验中,经过分光镜反射与透射之后的激光出现多个光斑,而能量卡计灵敏面直径达80 mm,但金刚石灵敏面只有1 mm×2 mm或1 mm×3 mm,因此为了保证能量卡计1与CVD金刚石探测器接收到的激光能量相同,在分光镜与能量卡计2和CVD金刚石探测器之间的光路上设置光阑2来遮挡其它光斑。
3.2 实验结果与分析
在8 ps激光器上DS081204B示波器测量的信号如图5所示。图中点线是探测器的电流信号,是根据式(6)修正之后的Ipc;实线是拟合曲线,与式(2)符合得很好。
03A金刚石探测器-电缆(1 m)-DS081204B探测系统前沿响应时间为60 ps,半高全宽为120 ps;04B金刚石探测器-电缆(1 m)-DS081204B探测系统前沿响应时间为65 ps,半高全宽为170 ps。同样在8 ps激光装置上,测得的X射线二极管-电缆(1 m)-DS081204B探测系统前沿响应时间为90 ps,半宽度响应时间为130 ps。两相比较,可以看出金刚石探测器与软X射线能谱仪(SXS)用X射线二极管探测器的时间特性指标基本相当,其前沿响应时间优于X射线二极管探测器。
探测系统包括激光器、探测器与示波器,系统上升沿响应时间τs满足
图6式中:τL为激光脉冲上升时间;τD为探测器上升沿响应时间;τosc为示波器上升沿响应时间。12 GHz带宽的DS081204B示波器上升时间τosc≈3ns/120=25 ps,8 ps激光脉冲上升时间τL=4 ps,则03A与04B金刚石探测器响应上升时间分别为54 ps与60 ps。
另外,根据激光能量监测得到01B与02A探测器接收到的有效输入激光与输出信号之间的关系,两者之间满足线性关系,如图6所示。据此估算出两探测器的灵敏度分别为7.3×10-6,4.4×10-6C/J。
4 结 论
在8 ps激光器实验中得到的CVD金刚石探测系统前沿响应时间可达60 ps,半高全宽可达120 ps,其时间特性与已经成熟应用于ICF实验的软X射线二极管探测器的相关特性一致,能满足ICF实验对X射线辐射测量的要求。本研究展示了CVD金刚石X射线探测器的时间特性,可实现初步应用。
致 谢 在此对8 ps激光装置运行人员的大力配合,以及制靶车间王红莲与黄丽珍的技术支持表示诚挚感谢。
参考文献:
[1] Han S. New developments in photoconductive detectors[J].Rev Sci Instrum, 1997,68(1):647-652.
[2] Spielman R B, Ruggles L E, Pepping R E, et al. Fielding and calibration issues for diamond photoconducting detectors[J].RevSci Instrum,
1997,68(1):782-785.
[3] 黄天暄,王红斌,孙可煦,等.利用金刚石探测器测量软X射线辐射功率[J].原子与分子物理学报, 1998,15(1):73-76.(Huang Tianxuan,
Wang Hongbin, Sun Kexu, et al. Measurement of soft X-ray power with a diamond detector.Chinese Journal of Atomic and Molecular
Physics, 1998,15(1):73-76)
[4] 马红良,刘忠礼,郑志坚,等.金刚石(Ⅱa)光导X射线探测器[J].强激光与粒子束, 1994,6(3):407-410.(Ma Hongliang, Liu Zhongli,Zheng Zhijian, et al. Natural diamond photoconductive X-ray detectors.High Power Laser and Particle Beams, 1994,6(3):407-410)
[5] 刘健敏,夏义本,王林军,等.CVD金刚石膜X射线探测器的研制及性能研究[J].核电子学与探测技术, 2006,26(5):669-672.(Liu Jian-min, Xia Yiben , Wang Linjun, et al. Study on preparation and properties of X-ray detector based on CVD diamond film.Nuclear Electron-ics and Detection Technology, 2006,26(5):669-672)
[6] Turner R E, Landen O L, Bell P, et al. Achromatically filtered diamond photoconductive detectors for high power soft X-ray flux measure-ments[J].Rev Sci Instrum, 1999,70(1):656-658.
[7] Kania D R, Pan L S, Bell P, et al. Absolute X-ray power measurements with subnanosecond time resolution using typeⅡa diamond photo-conductors[J].J Appl Phys, 1990,68(1):124-130.
[8] Kania D R, Pan L, Kornblum H. Soft X-ray detection with diamond photoconductive detectors[J].Rev Sci Instrum, 1990,61(10):2765-2767.
[9] Han S, Wagner R S, Joseph J. Chemical vapor deposited diamond radiation detectors for ultrahigh radiation dose-rate measurements: Re-sponse to subnanosecond, 16-MeV electron pulses[J].Rev Sci Instrum, 1995,66(12):5516-5521.
本文作者：侯立飞, 李 芳, 刘慎业, 杨国洪
