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硅漂移探测器数字脉冲处理技术

物理学报 2022年第1期71卷 74-82页

作者：宋文刚张立军张晶王冠鹰中国科学院微电子研究所北京100029 中国科学院大学北京100049

硅漂移探测器(silicon drift detector, SDD)是一种高性能X射线探测器,具有极其广泛的应用. SDD射线探测系统由SDD器件、前置放大器和脉冲处理系统组成,现有的SDD脉冲处理系统存在脉冲堆积抑制性能差以及易受前级系统参数波动影响的问题... 详细信息

硅漂移探测器(silicon drift detector, SDD)是一种高性能X射线探测器,具有极其广泛的应用. SDD射线探测系统由SDD器件、前置放大器和脉冲处理系统组成,现有的SDD脉冲处理系统存在脉冲堆积抑制性能差以及易受前级系统参数波动影响的问题,导致探测系统性能变差.本文提出一种SDD数字脉冲处理系统,在该系统中,模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)直接采样前置放大器的输出,并将数据传输到数字脉冲处理平台进行处理.结合SDD器件与前置放大器的信号特性,分析ADC采样位数与采样频率对系统性能的影响;提出两种优化的ADC采样电路,防止因ADC采样位数不足引起能量分辨率变差.对数字脉冲处理系统中的脉冲成形算法进行研究,结果表明成形信号不会因前级系统的参数变化而畸变,证明了该数字脉冲处理系统的鲁棒性.建立完成SDD数字脉冲处理系统,并对系统进行测试,验证了系统的正确性.

关键词：硅漂移探测器数字脉冲处理前置放大器模数转换器脉冲成形

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硅漂移探测器探测效率标定研究

电子测量与仪器学报 2022年第10期36卷 49-54页

作者：郄晓雨郭思明郭锴悦蒋政余涛吴金杰任世伟河北科技大学理学院石家庄050018 中国计量科学研究院北京102200 中国计量大学光学与电子科技学院杭州310018 成都理工大学核技术与自动化工程学院成都610059

单能X射线标定装置是基于布拉格衍射原理产生单能X射线的装置,能量连续可调的单能X射线可以为探测器提供能量可选的详细标定实验。使用蒙特卡洛计算软件对两个不同型号的硅漂移探测器的探测效率进行模拟计算,得到3~50 keV能量段的探测效... 详细信息

单能X射线标定装置是基于布拉格衍射原理产生单能X射线的装置,能量连续可调的单能X射线可以为探测器提供能量可选的详细标定实验。使用蒙特卡洛计算软件对两个不同型号的硅漂移探测器的探测效率进行模拟计算,得到3~50 keV能量段的探测效率,在单能X射线标定装置上完成了硅漂移探测器探测效率的标定实验,得到实验测量的探测效率曲线,并与模拟效率曲线对比。其中,PNDetector公司的MLC型硅漂移探测器的实验结果与理论计算结果的误差最大值为4.23%@15 keV,KETEX公司的BEV 133型硅漂移探测器的实验结果与理论计算结果的最大误差为-6.88%@12 keV。结果表明,在7~16 keV能量段,两个探测器的实验标定结果与理论计算结果相符,在8 keV左右,实际探测效率大于90%。研究成果验证了使用基于布拉格晶体衍射原理的单能X射线用于探测器标定的优越性,为国产化X射线探测器提供可靠的性能研究与测试平台。

关键词：单能硬X射线硅漂移探测器探测效率探测器效率标定

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硅漂移探测器的制作工艺及特性研究

核电子学与探测技术 2009年第2期29卷 436-441页

作者：吴广国黄勇贾彬曹学蕾孟祥承王焕玉李秀芝梁琨杨茹韩德俊北京师范大学低能核物理研究所北京100875 中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心北京100049

采用双面并行的平面工艺研制出了有源区面积5mm2的硅漂移探测器(SDD)。这种双面并行的平面工艺使得SDD绝大部分正面和背面的pn结结构能够并行完成,极大地减少了工艺步骤,降低了器件制作的难度。对研制的SDD的漏电流、电势分布、光电子... 详细信息

采用双面并行的平面工艺研制出了有源区面积5mm2的硅漂移探测器(SDD)。这种双面并行的平面工艺使得SDD绝大部分正面和背面的pn结结构能够并行完成,极大地减少了工艺步骤,降低了器件制作的难度。对研制的SDD的漏电流、电势分布、光电子的漂移特性等进行了测量和分析,对238Puα射线源的能谱进行了测量,对正常工作状态下出现的悬空阳极电位进行了分析和讨论。报道了利用阳极漏电流、光电子漂移特性、悬空阳极电位对SDD芯片进行中测和封装前快速筛选的方法。

关键词：硅漂移探测器制作工艺光响应度漂移特性悬空阳极电位

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硅漂移探测器时间分辨优化仿真研究

核技术 2021年第4期44卷 63-69页

作者：虞年徐玉朋蔡严克祝宇轩赵晓帆陈灿中国科学院高能物理研究所北京100049 中国科学院大学北京100049 吉林大学物理学院长春130012

硅漂移探测器(Silicon Drift Detector,SDD)中电荷包的漂移时间(μs·cm^(−1))与粒子入射位置到读出电极距离有关,而且通常不能直接测量,其不确定性是影响探测器时间分辨的主要原因。漂移时间和电荷灵敏放大器(Charge Sensitive Amplifi... 详细信息

硅漂移探测器(Silicon Drift Detector,SDD)中电荷包的漂移时间(μs·cm^(−1))与粒子入射位置到读出电极距离有关,而且通常不能直接测量,其不确定性是影响探测器时间分辨的主要原因。漂移时间和电荷灵敏放大器(Charge Sensitive Amplifier,CSA)输出信号上升时间之间有明显的对应关系,利用三角成形和梯形成形信号的脉冲幅度比可测量上升时间,从而得到漂移时间。对脉冲幅度比测量网络进行了建模仿真,研究了脉冲幅度比与CSA输出信号间的关系,以及SDD和CSA电子学噪声对脉冲幅度比的影响。结果显示:脉冲幅度比只与上升时间有关,可通过幅度比测量漂移时间。通过优化成形网络的成形参数可以控制电子学噪声的影响,使修正后的到达时间测量精度提高一个数量级左右。

关键词：硅漂移探测器时间分辨漂移时间梯形成形三角成形脉冲幅度比

EAST全超导托卡马克上硅漂移探测器软X射线能谱诊断

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原子能科学技术 2010年第6期44卷 757-763页

作者：许平林士耀胡立群张继宗段艳敏钟国强卢洪伟陈开云无中国科学院等离子体物理研究所安徽合肥230031 EAST物理实验组

采用性能优越的15道硅漂移探测器(SDD)阵列,在EAST全超导托卡马克上建立了1套较为完善的软X射线能谱诊断系统,用以测量等离子体在软X射线辐射能段(1～20keV)的能谱。该诊断系统的观测范围基本覆盖了整个等离子体空间,因此,可满足EAST不... 详细信息

采用性能优越的15道硅漂移探测器(SDD)阵列,在EAST全超导托卡马克上建立了1套较为完善的软X射线能谱诊断系统,用以测量等离子体在软X射线辐射能段(1～20keV)的能谱。该诊断系统的观测范围基本覆盖了整个等离子体空间,因此,可满足EAST不同放电位形下电子温度测量的要求。利用该诊断系统,可获得时间分辨达50ms、空间分辨约为7cm的电子温度剖面。通过对比发现,由该诊断系统所得到的电子温度与其它电子温度诊断系统所测量的电子温度基本一致。此外,该诊断系统还可监测在软X射线能量范围内出现的一些金属杂质的特征线辐射。

关键词： EAST托卡马克电子温度软X射线能谱硅漂移探测器

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硅漂移探测器数字脉冲处理技术研究

物理学报 2021年

作者：宋文刚张立军张晶王冠鹰中国科学院微电子研究所中国科学院大学

硅漂移探测器(Silicon Drift Detector,SDD)是一种高性能X射线探测器,具有极其广泛的应用。SDD射线探测系统由SDD器件、前置放大器和脉冲处理系统组成,现有的SDD脉冲处理系统存在脉冲堆积抑制性能差以及易受前级系统参数波动影响的问题... 详细信息

硅漂移探测器(Silicon Drift Detector,SDD)是一种高性能X射线探测器,具有极其广泛的应用。SDD射线探测系统由SDD器件、前置放大器和脉冲处理系统组成,现有的SDD脉冲处理系统存在脉冲堆积抑制性能差以及易受前级系统参数波动影响的问题,导致探测系统性能变差。提出一种SDD数字脉冲处理系统,在该系统中,模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)直接采样前置放大器的输出,并将数据传输到数字脉冲处理平台进行处理。结合SDD器件与前置放大器的信号特性,分析ADC采样位数与采样频率对系统性能的影响;提出两种优化的ADC采样电路,防止因ADC采样位数不足引起能量分辨率变差。对数字脉冲处理系统中的脉冲成形算法进行研究,结果表明成形信号不会因前级系统的参数变化而畸变,证明了该数字脉冲处理系统的鲁棒性。建立完成SDD数字脉冲处理系统,并对系统进行测试,验证了系统的正确性。

关键词：硅漂移探测器数字脉冲处理前置放大器模数转换器脉冲成形

硅漂移(SDD)阵列探测器X射线能谱测量诊断

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核电子学与探测技术 2004年第4期24卷 331-334页

作者：杨进蔚张炜宋先瑛李旭核工业西南物理研究院四川成都610041

采用最新的SDD探测器阵列测量HL-2A托卡马克等离子体软X射线(1～20keV)辐射的能谱,获得电子温度、Zeff、重金属杂质含量绝对值及其时、空分布。由于SDD探测器较之传统的Si(Li)探测器有体积小、计数率高(≥106/s),能量分辨和量子效率高,... 详细信息

采用最新的SDD探测器阵列测量HL-2A托卡马克等离子体软X射线(1～20keV)辐射的能谱,获得电子温度、Zeff、重金属杂质含量绝对值及其时、空分布。由于SDD探测器较之传统的Si(Li)探测器有体积小、计数率高(≥106/s),能量分辨和量子效率高,不需液氮冷却的特点,并采用高速ADC和海量缓存器,电子温度测量的时、空分辨能力接近汤姆逊散射和ECE等方法,而测量精确度、使用寿命、造价、抗干扰能力、适应性等方面优于后者,且信息获取量大,可获得多种等离子体参数而备受重视,是一种最先进的诊断手段。

关键词：硅漂移探测器软X射线能谱电子温度磁约束聚变装置

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电子照射对硅漂移探测器性能的影响

北京航空航天大学学报 2013年第2期39卷 235-238页

作者：张斌全韦飞冷双王世金中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190

由于高能电子辐射的长期照射,新一代太阳X射线探测器硅漂移传感器的探测性能可能发生变化.通过用电子放射源模拟空间电子对硅漂移探测器进行辐射照射试验,以测试电子照射对传感器能量分辨率、效率、信号幅度等性能的影响.试验结果表明,... 详细信息

由于高能电子辐射的长期照射,新一代太阳X射线探测器硅漂移传感器的探测性能可能发生变化.通过用电子放射源模拟空间电子对硅漂移探测器进行辐射照射试验,以测试电子照射对传感器能量分辨率、效率、信号幅度等性能的影响.试验结果表明,长期的电子照射造成硅漂移探测器面损伤和体损伤,使其漏电流增大,信号幅度减小,能量分辨率也受到照射的影响,而探测效率未发生变化.

关键词：太阳X射线硅漂移探测器电子照射

硅漂移探测器的结构优化与网型小像素探测器的性能研究

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硅漂移探测器的结构优化与网型小像素探测器的性能研究

作者：母恒恒湘潭大学

学位级别：硕士

硅半导体探测器由于其具有优良的物理性能,被广泛的应用于航天航空和医学等各个领域。本文主要研究了应用于航天航空领域的硅漂移探测器(SDD)和应用于医学领域的网型小像素硅探测器,在传统结构的基础上对其结构和性能进行优化和提升。由... 详细信息

硅半导体探测器由于其具有优良的物理性能,被广泛的应用于航天航空和医学等各个领域。本文主要研究了应用于航天航空领域的硅漂移探测器(SDD)和应用于医学领域的网型小像素硅探测器,在传统结构的基础上对其结构和性能进行优化和提升。由于SDD是侧向耗尽,所以运输电子的电场独立于耗尽电场,这种运输方式可以使收集电极的有效面积独立于SDD的单元面积,SDD的电容不受SDD单元面积的影响。SDD主要被用于航天航空领域,需要面积约为(2000-10000 cm)的阵列,如果使用小面积的SDD单元组成大的SDD阵列,会使生产成本增高、技术难度增大、同时也会减阵列中探测器的有效面积,所以大面积SDD研发则迫在眉睫。1.本文设计了带有分压电阻链和漂浮电极的SDD,本结构是在传统的同心环型SDD的结构基础上对其进行了结构优化,在同心环型SDD的阴极环之间(二氧化硅之上)利用原子层沉积技术沉积一层分压电阻链,从而解决了同心环型SDD需要外接分压器的缺点,并在阴极环之间(二氧化硅之下)注入与p型重掺杂阴极环掺杂浓度相同的漂浮电极,已达到均匀电场电势和减小漏电流的作用,提高了同心环型SDD的器件性能。2.本文采用数学变分法计算出了电子漂移到收集电极的最佳漂移轨迹。设计出了半径为1560μm的单面同心环型SDD,对其加入不同数量和尺寸漂浮电极结构的电场、电势、电子浓度和漏电流进行了模拟对比,当加入四组漂浮电极时,具有最佳的电子漂移通道,漏电流要比不加漂浮电极结构的漏电流小3个数量级。本文又设计出半径为4040μm的单面同心环型SDD,通过仿真可知,随半径的增大,漂移轨道逐渐靠近底面,若半径再随之增大,则会在底面出现击穿现象,所以单面同心环型SDD的面积不能过大。所以设计出了半径分别为10080μm和20130μm的双面同心环型SDD。3.本文还设计了一种用于医学检测方向的网型小像素探测器。通过设计收集电极的形状,从而减小收集电极的有效面积,达到减小电容提高探测器性能的目的。本文分别设计了电极形状为2×2(后文中简称n=2)和3×3(后文中简称n=3)的网型结构。本文对n=2和n=3两种结构在不同电极宽下的全耗尽电压、电势、电场、电子浓度、电容和漏电流进行模拟对比,得出当n=3时,电极宽度为5μm时的结构满足设计需求。

关键词：硅漂移探测器漂浮电极电容漏电流像素探测器