GBT 5201-2012 帶電粒子半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量方法

代替GB/T5201--1994帶電粒子半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量方法detectors—Testprocedures,NEQ)中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局GB/T5201—2012本標(biāo)準(zhǔn)代替GB/T5201—1994《帶電粒子半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)試方法》,本標(biāo)準(zhǔn)與GB/T5201—1994——將原標(biāo)準(zhǔn)3.3和3.4合并為4.3;刪除了原標(biāo)準(zhǔn)3.7; 本標(biāo)準(zhǔn)使用重新起草法參考IEC60333:1993《核儀器半導(dǎo)體帶電粒子探測(cè)器試驗(yàn)程序》編制，I帶電粒子半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量方法本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了帶電粒子半導(dǎo)體探測(cè)器的電特性和核輻射性能的測(cè)量方法以及某些特殊環(huán)境的試驗(yàn)本標(biāo)準(zhǔn)適用于帶電粒子部分耗盡層的半導(dǎo)體探測(cè)器。全耗盡型半導(dǎo)體探測(cè)器的測(cè)量可參照本標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文GB/T4960.6—2008核科學(xué)技術(shù)術(shù)語第6部分：核儀器儀表GB/T10263—2006核輻射探測(cè)器環(huán)境條件與試驗(yàn)方法GB/T13178—2008金硅面壘型探測(cè)器3術(shù)語和定義GB/T4960.6—2008界定的術(shù)語和定義適用于本文件。4一般要求4.1測(cè)量應(yīng)在參考條件或標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件(見表1)下進(jìn)行。參考條件標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件環(huán)境溫度18℃~22℃相對(duì)濕度50%～75%大氣壓強(qiáng)86kPa～106kPa交流供電電壓Un*交流供電頻率交流供電波形正弦波波形總畸變<5%直流供電電壓額定值環(huán)境γ輻射(空氣吸收劑量率)外磁場干擾可忽略小于引起干擾的最低值外界磁感應(yīng)可忽略小于地磁場引起干擾的2倍放射性污染可忽略可忽略·單相電源220V或三相電源380V。當(dāng)用電池供電時(shí)，其電壓的變化為額定值的士1%,不考慮紋波。交流供電頻率，特殊情況按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定處理。1GB/T5201—20124.2探測(cè)器的各種性能測(cè)量均應(yīng)處于完全黑暗的條件下進(jìn)行。對(duì)探測(cè)器參數(shù)的測(cè)量結(jié)果有明顯的影響。4.4測(cè)得的性能參數(shù)的復(fù)現(xiàn)性應(yīng)在測(cè)量的不確定度范圍內(nèi)。4.5探測(cè)器漏電流在偏置電阻上引起的電壓降應(yīng)小于所加探測(cè)器偏壓的15%。4.6對(duì)在低真空下工作的探測(cè)器可在0.1Pa～5Pa下測(cè)量有關(guān)性能。對(duì)在高真空下工作的探測(cè)器應(yīng)在低于0.0001Pa壓強(qiáng)下測(cè)量有關(guān)性能。5.1電壓-電流特性(V-I特性)R十測(cè)量正向V-I特性時(shí)，應(yīng)按圖2連接好線路。用固定某一正向電流(如5mA)時(shí)的正向電壓降表示。RR十電容-電壓特性測(cè)量框圖見圖3。電橋工作頻率應(yīng)在103Hz～10?Hz之間。電橋加到探測(cè)器上的交流信號(hào)的峰-峰值應(yīng)小于探測(cè)器偏壓的1/10。隔直流電容C。(單位為pF)的數(shù)值至少應(yīng)比被測(cè)探測(cè)器的最大結(jié)電容大10倍，耐壓應(yīng)比被測(cè)探測(cè)器所加最大偏壓高1倍。電感L也可用一高阻R代替，選2GB/T5201—2012圖3電容-電壓測(cè)量圖1)測(cè)量某一偏壓下未接探測(cè)器時(shí)系統(tǒng)的電容C?;Cp=C?—C?…………(1)5.3.1測(cè)量方法和測(cè)量系統(tǒng)RZ圖4噪聲測(cè)量框圖35.3.2.1放大器應(yīng)具有準(zhǔn)高斯成形功能，成形時(shí)間可調(diào)。成形后的脈沖形狀如圖5所示。它由成形器的性能和時(shí)間常數(shù)r確定。圖5中給出了確定形狀的參數(shù)t?/2、tp和t,,應(yīng)在t?/?為1μs的條件下測(cè)量噪聲。p1時(shí)間t?/z——脈沖波形中幅度為峰值幅度一半處兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，單位為微秒(μs)。5.3.2.2精密脈沖幅度產(chǎn)生器輸出的脈沖信號(hào)應(yīng)是上升時(shí)間不大于放大器成形時(shí)間常數(shù)5%的指數(shù)衰減信號(hào)。脈沖信號(hào)的衰減時(shí)間應(yīng)保證在等于放大器成形時(shí)間常數(shù)的時(shí)間間隔內(nèi)，脈沖幅度下降小于2%。產(chǎn)生器的積分非線性應(yīng)小于0.1%。5.3.2.3檢驗(yàn)耦合電容C.一般小于10pF。半高寬大于12道。5.3.3輸入信號(hào)校準(zhǔn)4錄對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生器信號(hào)為E?和E?的譜線。將產(chǎn)生器信號(hào)調(diào)為E?,當(dāng)譜的峰位道計(jì)數(shù)大于4000時(shí)，取譜線上計(jì)數(shù)大于峰值計(jì)數(shù)一半的各點(diǎn)，譜線峰位道m(xù)?用加權(quán)平均法由式(2)計(jì)算：m?——能量E?所對(duì)應(yīng)的峰位道數(shù)，單位為道(channel);m;-——第i道的峰位道數(shù)，單位為道(channel);用內(nèi)插法確定以半高寬表示的放大器噪聲△mA。如果應(yīng)用計(jì)算機(jī)曲線擬合法，只要保證半高寬(FWHM)偏差在±5%以內(nèi)(90%置信度),可使用較低的計(jì)數(shù)。將產(chǎn)生器信號(hào)改為E?,用上述方法確定譜線峰位m?。外接電容為零時(shí)放大器噪聲△EA由式(3)計(jì)算：m?能量E?所對(duì)應(yīng)的峰位道數(shù)，單位為道(channel);m?——能量E?所對(duì)應(yīng)的峰位道數(shù)，單位為道(channel);上述測(cè)量中所選E?與E?之差應(yīng)大于譜線FWHM值的3倍。在前置放大器的輸入端接不同容量的電容，重復(fù)上述測(cè)量，獲取放大器噪聲隨外接電容的變化曲線，從而可得到前置放大器噪聲隨電容變化的斜率。5.3.5探測(cè)器噪聲測(cè)量時(shí)，探測(cè)器加預(yù)定偏壓，測(cè)得能量為E?和E?的產(chǎn)生器信號(hào)所對(duì)應(yīng)的譜線，如圖6所示。同樣，在峰位道計(jì)數(shù)大于4000時(shí)記錄峰位m?、m?和半高寬△mT,則探測(cè)器與放大器系統(tǒng)總噪聲△Er由式(4)計(jì)算：△E-以半高寬表示的探測(cè)器和放大器的總噪聲，單位為千電子伏(keV);m1能量E?所對(duì)應(yīng)的峰位道數(shù)，單位為道(channel);m?能量E?所對(duì)應(yīng)的峰位道數(shù)，單位為道(channel);△mr以半高寬表示的探測(cè)器和放大器的總噪聲，單位為道(channel)。若脈沖譜線呈高斯或準(zhǔn)高斯形狀，可用下述方法求得探測(cè)器噪聲。首先從5.2中測(cè)得的電容-電壓曲線查得在預(yù)定偏壓下探測(cè)器的電容，再由5.3.4中測(cè)得的放大器噪聲隨外接電容變化曲線，查出對(duì)應(yīng)此電容時(shí)放大器的噪聲。此噪聲值代表除探測(cè)器以外的電噪5GB/T5201—2012 (5) (6)式中：△mp——以半高寬表示的探測(cè)器噪聲，單位為道(channel);△mr以半高寬表示的探測(cè)器和放大器的總噪聲，單位為道(channel);△mE以半高寬表示的除探測(cè)器噪聲以外的電噪聲，單位為道(channel);△Ep以半高寬表示的探測(cè)器噪聲，單位為千電子伏(keV);△EE以半高寬表示的除探測(cè)器噪聲以外的電噪聲，單位為千電子伏(keV)。至少應(yīng)相差20%。圖6噪聲測(cè)量的典型脈沖幅度譜5.3.6探測(cè)器噪聲隨偏壓的變化測(cè)量時(shí)，改變探測(cè)器的工作偏壓，重復(fù)5.3.5的測(cè)量步驟，可得到不同偏壓下探測(cè)器的噪聲。需要時(shí)可繪出△Ep隨偏壓變化的曲線。5.3.7探測(cè)器噪聲隨放大器時(shí)間常數(shù)的變化利用圖4的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量探測(cè)器噪聲隨放大器成形時(shí)間的變化。為此要求放大器的成形時(shí)間應(yīng)能在較寬范圍內(nèi)變化。由于成形時(shí)間不同，放大器噪聲也不同，并且噪聲隨外接電容變化情況也不同。因此，改變成形時(shí)間時(shí)，應(yīng)從噪聲中扣除相應(yīng)的放大器噪聲。測(cè)量時(shí)，在預(yù)定的探測(cè)器工作偏壓下，改變放大器的成形時(shí)間，重復(fù)5.3.4和5.3.5的測(cè)量步驟，可得到預(yù)定偏壓下，探測(cè)器的噪聲隨放大器成形時(shí)間的變化曲線。如需不同偏壓下探測(cè)器噪聲隨放大器成形時(shí)間的變化，只需改變探測(cè)器工作偏壓，重復(fù)上述步驟即可。6GB/T5201—20125.4時(shí)間性能5.4.1探測(cè)器電上升時(shí)間探測(cè)器的電上升時(shí)間按圖7的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量?？烨爸梅糯笃鬏斎攵私硬煌萘康碾娙荩斎肫浞刃∮谄珘?/10的階躍電壓。由示波器觀察得到快前置放大器上升時(shí)間隨外接電容的變化曲線。按圖7接好探測(cè)器并加預(yù)定偏壓，然后輸入其幅度小于偏壓1/10的階躍電壓。由示波器觀察得到輸出波形上升時(shí)間ts。從快前置放大器上升時(shí)間隨外接電容變化曲線找到對(duì)應(yīng)于探測(cè)器電容值時(shí)的快前置放大器上升時(shí)間tr。探測(cè)器電上升時(shí)間te由式(7)計(jì)算：te=√t3-t…………(7)式中：t?——系統(tǒng)總上升時(shí)間，單位為納秒(ns);為使結(jié)果有效，ts與tr應(yīng)至少相差20%。偏壓電源R探測(cè)器身快前置放大器快放大器示波器cZ階躍脈沖產(chǎn)生器圖7探測(cè)器電上升時(shí)間測(cè)量框圖5.4.2電荷收集時(shí)間對(duì)于t。與t.相差大于20%的探測(cè)器可用下面方法測(cè)量電荷收集時(shí)間。用短射程單能粒子源照射探測(cè)器，用示波器觀測(cè)到的輸出信號(hào)上升時(shí)間為t。。按5.4.1測(cè)得上升時(shí)間t,。則探測(cè)器電荷收集時(shí)間t。可由式(8)計(jì)算：te=√t。-t…te——探測(cè)器電荷收集時(shí)間，單位為納秒t?！^測(cè)到的探測(cè)器電上升時(shí)間(電荷收集時(shí)間與電子學(xué)上升時(shí)間之和),單位為納秒(ns);7GB/T5201—2012對(duì)于t。與t,相差小于20%探測(cè)器，可用快質(zhì)子脈沖加速器或脈沖光源在探測(cè)器中產(chǎn)生大量電子-探測(cè)器的時(shí)間分辨率按圖8的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。用激光二極管脈沖產(chǎn)生器(LDP)產(chǎn)生的光脈沖做為時(shí)幅變換器(TAC)的起始脈沖。被測(cè)探測(cè)器的輸出信號(hào)觸發(fā)TAC的停止信號(hào)，在多道脈沖幅度分析器上得到一個(gè)時(shí)間分布譜，恒比甄別器的恒比數(shù)調(diào)至20%,延遲置于上升時(shí)間(10%～90%)的1.1倍。調(diào)節(jié)成形時(shí)間以獲得最佳時(shí)間性能。通應(yīng)在1MeV～100MeV之間選擇3個(gè)以上能量進(jìn)行時(shí)間分辨率測(cè)量，且各能量間的間隔應(yīng)近似相等。使用已校準(zhǔn)的精密脈沖產(chǎn)生器，調(diào)節(jié)LDP使其輸出信號(hào)幅度與脈沖產(chǎn)生器所選擇的脈沖幅度對(duì)采用這種方法，F(xiàn)WHM至少12道，峰位道計(jì)數(shù)至少4000時(shí)獲取時(shí)間分布峰。如采用計(jì)算機(jī)曲線擬合法，應(yīng)保證FWHM偏差在±5%以內(nèi)(90%置信度)。至少用兩個(gè)已刻度的延遲時(shí)間值來刻度時(shí)間軸后才能測(cè)量FWHM及十分之一高寬(FWTM)(其單位為ns)。(采用平方相減的方法從已測(cè)得的系統(tǒng)時(shí)間分辨率中求出探測(cè)器自身的時(shí)間分辨率)每次c)恒比甄別器的恒比數(shù)和延遲時(shí)間；d)快成形放大器的微分時(shí)間和上升時(shí)間。精密脈沖精密脈沖產(chǎn)生器高壓電源高壓電源激光二極管起始恒比甄別器多道脈沖測(cè)試輸入能量輸出時(shí)間輸出探測(cè)器延遲8GB/T5201—20126核輻射性能6.1能量分辨率探測(cè)器系統(tǒng)的能量分辨率用規(guī)定能量的帶電粒子產(chǎn)生的譜線半高寬表示。放大器應(yīng)具有準(zhǔn)高斯成形器。選取t?2為1μs時(shí)測(cè)量能量分辨率。探測(cè)器能量分辨率按圖9的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。用放射源測(cè)量能量分辨率時(shí)，應(yīng)關(guān)閉精密脈沖產(chǎn)生器。測(cè)量時(shí)應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)放射源。對(duì)面壘型、表面鈍化離子注入平面硅型和鋰漂移金硅面壘型半導(dǎo)體探測(cè)器，用241Am源5.486MeV和5.443MeV的α峰或207Bi內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的0.976MeV及0.48MeV對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。應(yīng)保證所用α源的自吸收等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。高壓電源高壓電源源關(guān)探測(cè)器計(jì)真空室精密脈沖產(chǎn)生器多道脈沖幅度分析器前置放大器放大器圖9能量分辨率測(cè)量框圖使用α源時(shí)，放射源和探測(cè)器應(yīng)置于真空室內(nèi)，源到探測(cè)器靈敏面距離應(yīng)大于被測(cè)探測(cè)器有效直徑的1.5倍。使用內(nèi)轉(zhuǎn)換電子放射源，可以在大氣中進(jìn)行測(cè)量。使用的電子學(xué)設(shè)備應(yīng)能保證所測(cè)譜線半高寬大于12道。當(dāng)譜線中能量為E?的峰位計(jì)數(shù)大于4000時(shí)，按5.3.4中內(nèi)插法和公式(2)計(jì)算得出以道數(shù)表示的半高寬△ms及峰位對(duì)應(yīng)道數(shù)m?。若另一個(gè)能量E?的峰位對(duì)應(yīng)道數(shù)為m?,則以能量表示的譜線半高寬△Es由公式(9)計(jì)算：…………式中：△Es——-在譜的能量分辨率測(cè)量中得到的總半高寬，單位為千電子伏(keV);m?、m?———分別代表能量E?、E?所對(duì)應(yīng)的峰位道數(shù)，單位為道(channel);△ms——在譜的能量分辨率測(cè)量中得到的總半高寬，單位為道(channel)。若譜線呈高斯或準(zhǔn)高斯形式時(shí)，可用下述方法扣除系統(tǒng)噪聲貢獻(xiàn)。用與探測(cè)器結(jié)電容值相等的電容代替探測(cè)器，利用5.3.4的方法測(cè)得除探測(cè)器以外的電噪聲△Ee。則探測(cè)器能量分辨率△Er由式(10)計(jì)算：△Er=√△Es-△E2…………(10)△Er--—以半高寬表示的探測(cè)器能量分辨，單位為千電子伏(keV);9GB/T5201—2012△Es——在譜的能量分辨率測(cè)量中得到的總半高寬，單位為千電子伏(keV);△Ee以半高寬表示的除探測(cè)器噪聲以外的電噪聲，單位為千電子伏(keV)。除電噪聲以外，其他因素對(duì)譜線展寬的貢獻(xiàn)可由式(11)和(12)計(jì)算： (11) (12)△m——以半高寬表示的探測(cè)器和放大器的總噪聲，單位為道(channel);△Er——以半高寬表示的探測(cè)器和放大器的總噪聲，單位為千電子伏(keV);△Es——在譜的能量分辨率測(cè)量中得到的總半高寬，單位為千電子伏(keV)。至少應(yīng)相差20%。在給出探測(cè)器能量分辨時(shí)應(yīng)注明以下幾點(diǎn)：c)放大器的成形方法及時(shí)間t?/2;d)探測(cè)器的靈敏面積及靈敏層厚度；e)探測(cè)器偏壓電阻；f)測(cè)量系統(tǒng)的總噪聲(含探測(cè)器);g)單位時(shí)間峰面積；h)最大計(jì)數(shù)率及總計(jì)數(shù)。能量分辨率也可采用GB/T13178—2008中6.2的方法進(jìn)行測(cè)量。6.2死層能量損耗死層能量損耗用圖9所示的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。用單能重帶電粒子測(cè)量探測(cè)器的死層能量損耗。所用重帶電粒子在硅中射程應(yīng)小于探測(cè)器靈敏層厚度的80%,在死層中損失的能量不應(yīng)超過該入射粒子總能量的5%。推薦選用241Am源5.486MeV的α粒子，其他符合上述要求的粒子也可使用。粒子進(jìn)入探測(cè)器前應(yīng)經(jīng)過準(zhǔn)直，使入射角不得大于5°。多孔準(zhǔn)直器中心孔應(yīng)對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器靈敏面粒子沿探測(cè)器靈敏面法線入射，測(cè)得一個(gè)譜，譜線峰位對(duì)應(yīng)能量E?。變換探測(cè)器的位置，使粒子與探測(cè)器靈敏面法線成θ角入射，得另一譜線，譜線峰位對(duì)應(yīng)能量E?。由于粒子在死層中損失能量只占其總能量的很少一部分，故可認(rèn)為在死層內(nèi)粒子能量損失率(dE/dX)基本不變。沿探測(cè)器法線方向入射的粒子在死層中的能量損耗δE由式(13)計(jì)算：………………(13)若查出該粒子在探測(cè)器材料中的能量射程關(guān)系，則就可得到該探測(cè)器的死層厚度。測(cè)量時(shí)若取θ=60°,則沿探測(cè)器法線方向入射粒子在死層中的能量損耗等于E?-E?。在給出死層能量損耗時(shí)應(yīng)注明探測(cè)器所加的偏壓值，不同偏壓條件下的探測(cè)器死層能量損耗是有變化的。6.3靈敏層厚度靈敏層厚度用圖9所示的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)使用一組不同能量的單能重帶電粒子入射探GB/T5201—2012記錄探測(cè)器輸出信號(hào)幅度(峰位道)與粒子能量的關(guān)系，得出如圖10所示曲線。當(dāng)入射粒子在硅中敏層厚度時(shí)，輸出信號(hào)幅度將偏離線性關(guān)系，斜率下降。以斜率比φ減小10%的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射粒子在能量/keV圖10入射粒子能量與信號(hào)幅度的關(guān)系圖11為位置靈敏探測(cè)器的示意圖。RXL放大器電荷靈敏放大器EF=E(X/L)金層圖12為位置靈敏探測(cè)器的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有同時(shí)測(cè)量位置和能量的能力。測(cè)量時(shí)脈沖成形參脈沖cR放大器能量信號(hào)圖12位置靈敏探測(cè)器測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量位置分辨率和線性時(shí)，將刻有縫隙的屏蔽罩置于探測(cè)器前面垂直于測(cè)量方向。在