核与粒子物理实验方法52scd

MRPC举例(DesignedbyUSTCRHIC-STARTOFgroup)Read-outpad：3.0cm×3.1cmgap：6×0.25mm获得：t<85ps>95%计数率<3kHz/cm2是一个工作稳定的，非常适合MIP测量的定时探测器！5.2.7PSC(PestovSparkCounter)RPC为工作在雪崩区的“火花放电”室，是一种微气隙气体探测器，主要用于最小电离粒子的时间和位置测量。可获得的时间分辨在100ps左右，定位精度在1mm左右。火花室通常由几块平行金属板构成，平行板之间有良好的绝缘。在板极之间充特定的气体。板极间加高压，火花放电的场强要求在600kV/cm量级。当带电粒子穿过火花室时，在粒子经过的地方形成离子对。电子雪崩倍增形成由正离子组成的导电通道，在高压的作用下，产生火花放电。目前技术还不是很成熟。主要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是连续工作一段时间后极板上有有机物的沉积，从而造成探测器无法正常工作。5.3.1半导体的一般知识半导体探测器是传统的能量测量固体探测器，在过压状态下工作也可以取出较快的定时信号。在粒子物理中还大量用于径迹(位置)测量。常用的半导体材料有Si和Ge，Si半导体探测器常用于带电粒子及离子的探测，Ge半导体探测器常用于测量X射线和射线的测量。其工作原理类似于气体电离室，不同的是探测介质是半导体材料。半导体：物质的导电能力一般用电阻率 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，单位是·cm。根据导电能力，物质分为导体、绝缘体和半导体。良导体的电阻率在10–6·cm以下，绝缘体的电阻率一般在1014－1022·cm之间，半导体指的是电阻率介于它们之间，一般在10–2～109·cm。半导体材料一般均以晶体的形式存在。能带理论：固体的导电性可用能带理论解释。根据量子力学求解孤立原子中电子的能量状态时我们知道，电子不能处于任意的状态，而只能存在于一系列分立的能级上。在晶体中，原子紧密排列形成晶格，相互间有电磁相互作用。因此晶体中电子的能量状态与孤立原子有所不同。由于晶体中原子数目非常多，电子能够存在的各能级因Pauli不相容原理发生劈裂，且彼此非常接近，以至于可以看成是连续的，即形成所谓的“能带”。基态劈裂形成的能带称为“满带”，激发态分裂形成的能带称为“导带”。5.3半导体探测器满带和导带之间的禁区称为“禁带”，禁带宽度Eg也称为“能隙”。下图分别给出了，在能带理论图像下，绝缘体、半导体和导体的能带分布。Eg>2eV导带禁带满带绝缘体Eg~1eV导带禁带满带半导体空穴电子导带满带导体物质能够导电，指的是在导带上出现了电子。处于导带上的电子是被多个原子共有，可以被看成是自由的；而处于满带上的电子，是被单个原子束缚的，是不自由的。常温下，半导体的满带完全被电子占据，导带中无电子。因半导体的禁带较窄，在0.1－2.2eV，若有外界作用，如热、光、入射粒子等，满带中电子会获得能量被激发到导带而在满带中留下“空穴”。进入导带的电子就如同自由电子，参与导电。同时在满带中留下的空穴较容易被临近原子的电子重新占据，从而在临近原子的满带上又形成空穴，从效果上看如同空穴发生移动，也参与导电。当然，空穴的移动要比电子慢（原因是填充空穴的电子来自于其它原子的满带，是受束缚的）。绝缘体由于禁带宽，一般在2－10eV，满带中的电子很难被激发到导带上，因此导电性差。而导体，满带和导带相互重叠，没有禁带，因此有良好的导电性。几种常用半导体材料及其基本性质材料原子序数介电常数密度(g/cm3)禁带宽度(eV)平均电离功(eV)Ge3215.75.330.665(300K)0.74(77K)2.80(300K)2.96(77K)Si1411.72.331.12(300K)1.16(77K)3.62(300K)3.76(77K)GaAs31,3312.55.301.454.35HgI280,538.83.22.134.3N型半导体在本征半导体中掺入“施主杂质”“施主能级”与本征半导体（理想的，不含杂质的半导体）的导带很接近“施主杂质”引入的电子是主要载流子本征半导体的空穴对为少数载流子如：以Si半导体为例，在四价元素硅中掺入五价杂质元素磷，这时磷原子占据硅原子的一个晶格位置，它和相邻的四个硅原子形成共价键，剩余的第五个价电子与磷原子的结合不紧密，只需要很小的能量(0.05eV)就可以激发电离，在常温下几乎所有的磷原子的第五个价电子都激发到导带中而成为自由电子，参与导电。而磷原子成为带正电的离子，但这种杂质离子不同于空穴，满带中电子不能随便进入这一能级，它并不参与导电。施主能级导带禁带满带由于这种半导体的导电主要是由电子贡献的，所以叫电子型或N型半导体。这种能把电子贡献给导带的杂质称为“施主杂质”，能级叫“施主能级”。常用的施主杂质是磷、砷、锑、锂等。对于硅半导体，磷和砷的施主能级距导带的底部为0.05eV，锑为0.04eV，锂为0.03eV；对于锗半导体，这些杂质的施主能级距导带的底部仅为0.01eV。P型半导体在本征半导体中掺入“受主杂质”“受主能级”与本征半导体（理想的，不含杂质的半导体）的满带很接近“受主杂质”引入的空穴是主要载流子本征半导体的电子为少数载流子如：以Si半导体为例，在硅中掺入少量三价元素硼，则硼原子会占据一个晶格位置，由于它只有三个价电子，与临近四个硅原子只能形成三个共价键，这就有从附近硅原子吸收一个电子的趋势，即在满带上面形成一个新的局部能级。满带中的电子很容易跳入该能级而在满带中留下一个空穴，这个电子要激发到导带中依然需要较高的能量，故不参与导电。在室温下，硼原子几乎都形成负离子，产生空穴。由于这种半导体的导电主要是由空穴贡献的，所以叫空穴型或P型半导体。这种接受满带中电子而产生导电空穴的杂质称为“受主杂质”，杂质能级叫“受主能级”。常用的施主杂质是硼、铝、镓、铟。对于硅半导体，硼的受主能级距满带的顶部为0.05eV，铝为0.06eV，镓为0.07eV，铟为0.16eV；对锗半导体，这些杂质的受主能级距满带的顶部仅为0.01eV。受主能级导带禁带满带PN结通过适当的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 将P型半导体和N型半导体结合在一起，在交界处就形成PN结。PNPNPN结E电荷和空穴的扩散在连接处形成PN结，扩散使结区出现由N指向P的电场。形成PN结后：主要载流子的进一步扩散被限制；少数载流子的反向漂移；最终达到动态平衡，PN结中电子和空穴的浓度保持不变。且导电的电子和空穴数目均很少，因此PN结也称为“耗尽层”，高阻。在结区加上反向电压，耗尽层增厚（即结区加宽）结区的电荷密度、电场分布、电压分布和结区宽度电荷密度电场分布电压分布PNPN结00xxx-d2d1-d2d1E(x)V(x)V0NdNa结区宽度通常在半导体探测器的结区中，一种杂质的掺杂比另一种大得多，或Na>>Nd,或Nd>>Na。因此，结区的宽度主要由掺杂少的那种杂质（浓度为N）的区所决定。如果再加上反向偏压VB，有结区的总压差为V=V0+VBVB，则结区的宽度为：半导体材料用于粒子探测的基本考虑半导体进行粒子探测的原理类似于气体电离室。因此要求：1）带电粒子在其中损失的能量正比于所产生的载流子的数目；2）载流子在漂移过程中被复合的几率低；3）低噪声，即漏电流小（因而高电阻率）。入射粒子在进入半导体后，将一部分能量传递给满带中的电子，使电子跃迁到导带中。在10－12秒后，处于高激发态的电子会退激到导带的底部，而处于满带深处的空穴会上升到满带的顶部。在这种跃迁过程中，多余的能量还可以产生更多的电子－空穴对。类似地，可以引入平均电离功，即平均产生一对电子－空穴所消耗的载流子的产生导带底满带顶开始10－12秒后能量。从而有，入射粒子在介质中损失的能量E0与产生的电荷数N0之间有，N0=E0/实验研究表明，与入射粒子的能量和种类无关，且对同一种探测器材料为常数。这就有输出脉冲高度与能量呈线性关系，保证了半导体探测器可以测量粒子的能量。电子和空穴的复合和俘获过程很复杂，大致可分为两种情况：1）导带中电子直接被满带中空穴俘获，电子－空穴对消失，多余能量以光子形式释放出来，或者将能量转给晶格而成为晶格的热运动能。——复合2）通过因晶格缺陷和错位造成的处于禁带内的中间能级来进行。这些中间能级或者从导带（满带）俘获电子（空穴），然后再与满带（导带）中空穴（电子）复合。——俘获由于复合和俘获效应的存在，入射粒子所产生的载流子（非平衡载流子）的数目N0随时间t将按指数规律减少：N=N0·exp(-t/)载流子的复合和俘获就称为载流子的寿命，表示非平衡载流子从产生到复合或俘获之前的平均存活时间。显然与半导体材料的种类、纯度和工艺相关。通常在s到ms量级。要半导体探测器的能量测量精度高，即要求尽可能地将非平衡载流子全部收集。因此，在选择半导体材料时显然要求载流子在其中的寿命远大于载流子的收集时间。假定：粒子在穿过探测器介质时产生的电荷数为N0，电荷的收集时间为T，那么由此形成的电离电流为，材料的漏电流为，式中V为两极间电压，R为两极间电阻，为半导体材料的电阻率，S为灵敏面积，d为极间距。要获得好的能量分辨，必须有，p为空穴的漂移率，亦即单位场强下空穴的漂移速度。设p=500cm2/V·s，S=1cm2，d=1mm，N0=1.4×106（对应5MeV粒子阻止在Si中产生的电子－空穴对数目）。要求材料电阻率的要求在室温下，Si半导体的极限电阻率约为2.3×105·cm，锗的电阻率为47·cm，远小于用于粒子探测所要求的电阻率。因此，本征的硅和锗在室温下是不能作为探测器的。PN结区可以达到所要求的电阻率。作为粒子探测器的半导体材料的基本要求材料要求电子和空穴的俘获长度或寿命大禁带宽度大杂质浓度低原子序数大材料和器件工艺合适物理要求电荷收集效率高，能量分辨好使用温度高耗尽层宽（可 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 高能和低电离粒子）探测效率高可以生产有用的探测器因而，在半导体探测器的制造中，最广泛使用的是工作在反向偏压下的具有高电阻率的PN结器件。探测器的灵敏区是加反向偏压的PN结。当射线进入PN结后，在灵敏区内产生电子－空穴对，它们在电场作用下向两极漂移，从而在负载电阻上形成脉冲，脉冲的大小正比于产生的电子－空穴对的数目，也就是正比于入射粒子的能量。5.3.2PN结型探测器PN结型探测器的灵敏区为加反向偏压的PN结。在室温下PN结内载流子浓度很低，电阻率极大（加105V/cm电压时仍可保证不被击穿）。因而载流子的俘获长度较大，漏电流小，适于作为半导体探测器的灵敏区。但，要将PN结制作到1～2mm厚是非常困难的，因此，PN结探测器主要用于测量带电的介子和核子以及重离子，低能电子和X射线。PN结一般都是用半导体硅材料做的，因硅的禁带宽度(1.12eV)比锗大得多，室温下漏电流较小，使用时不用冷却。根据PN结的制造 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的不同，可分为扩散型、面垒型和离子注入型。扩散型扩散型：是把一种类型的杂质扩散到含另一种类型杂质的半导体内形成的。如，最初是将五价磷扩散到P型硅中（如含杂质硼原子），扩散深度通过调节扩散过程的温度来控制。通常为1~2m深。现工艺有了新的发展。缺点：死层较厚，能量分辨率较差，且不易制成较大面积。优点：灵敏区较厚(但很难超过2mm)。常用于低能电子和X射线的探测。面垒型面垒型：先将半导体材料表面氧化，然后或在N型半导体表面蒸金，或在P型半导体表面镀铝，在半导体、氧化层与金属的接触面形成PN结（机制还不完全清楚）。缺点：灵敏区无法做得很厚，一般在1mm以下。由于表面金属层很薄，因而是光敏的。在使用中要注意避光。优点：薄窗（即表面死层小），噪声低，能量分辨高（可好于1％，或十几keV），线性好，工艺简单，易于制成较大面积。广泛用于低能带电粒子的探测。离子注入型离子注入型：用加速器产生具有一定能量的正离子束流，直接注入到半导体材料中形成PN结。通常用硼离子轰击N型硅，磷离子轰击P型硅，能量在5~100keV之间。缺点：入射离子会在半导体中产生辐射损伤，形成大量俘获和复合中心（采取退火技术可降低这种效应的影响），因而能量分辨比面垒型略差。注意避光。优点：薄窗，比面垒型更薄(可达到几十nm)；工艺简单且易于控制，灵敏厚度可比面垒型略厚（难以超过1.5mm）。广泛用于低能带电粒子的探测。5.3.3锂漂移型探测器前面所介绍的方法制成的半导体探测器，加上反向偏压后，灵敏区的厚度很难超过2mm。根据PN结区厚度的公式，降低杂质浓度的方法有两种：1）改进半导体材料的纯化工艺，尽量降低其中的杂质浓度；2）在半导体材料中掺入相反类型的杂质来进行“补偿”，以达到降低杂质浓度的效果。锂漂移型探测器是沿着第二个思路研发出来的。由于Li在Si和Ge材料中的电离能很低（在Si和Ge中分别为0.033eV和0.093eV），很容易电离成Li+离子。Li+离子的半径(~0.06nm)比起Si和Ge的晶格常数(分别为0.542nm和0.564nm)要小得多，因此很容易在适当的电场作用下漂移到晶格中与受主杂质形成中性的正负离子对，从而达到减少受主杂质的目的。可知，要增加灵敏厚度的一个方法是提高偏压VB。但这是有限的，随反向偏压的升高，反向电流增大，噪声变大，使得能量分辨率变差，甚至探测器被击穿。另一个方法是降低净杂质的浓度N。简单地说，锂漂移半导体探测器的制作方法为，先将Li扩散到P型半导体中（深度约0.3mm），再利用Li原子在硅和锗半导体中高的迁移率和电离能较低的特点，在半导体材料两个表面间加上电压，电离了的Li+离子，可以漂移到半导体材料较深的位置并与P型半导体中的负离子形成中性的正负离子对。实验发现，漂移Li的数量能够自动调节，刚好补偿P型材料中的受主（负离子），在一段区域内形成电阻率很高的本征层(I型)，用以作为探测器的灵敏区。P型N＋型Li浓度受主浓度晶体表面晶体表面杂质浓度深度0a扩散后漂移前I型N型Li浓度受主浓度杂质浓度深度漂移后P型所形成本征层（I型）的厚度x与漂移电压，漂移时间t以及Li离子的漂移速率有，本征层一旦形成后，x与所加反向工作电压值无关。由于该探测器存在N，I和P三个区，通常又称作NIP型探测器。用此方法制作的探测器灵敏区可达5~10mm。Si和Ge均可以用来制作锂漂移型探测器，分别称作硅锂探测器Si(Li)和锗锂探测器Ge(Li)。Si(Li)探测器可以工作在室温下，但在液氮温度下工作噪声显著减小，能量分辨率也可得到改善；Ge(Li)探测器则必须工作在液氮温度下。另外，锂漂移探测器最好是在低温下加反向偏压贮存，否则由于Li离子在室温下有相当的迁移率而使探测器性能变坏。优点：灵敏区厚缺点：能量分辨稍差；入射窗较厚；最好工作和保存在低温下。除用于探测较重的荷电粒子外，还可用于测量低能射线和电子。目前Ge(Li)型探测器已被HPGe探测器所替代，而Si(Li)型依然被广泛使用。5.3.4高纯锗探测器HPGe探测器也是类似于锂漂移型探测器通过降低半导体材料中杂质浓度来增加灵敏区厚度的思路发展起来的。不同的是HPGe探测器是通过改进半导体材料的纯化工艺，来直接降低材料中杂质浓度，而锂漂移型采用的是补偿技术。假定半导体材料中的杂质浓度能降低到~1010原子/cm3，假定所加偏压为1000V，按PN结厚度计算公式可估算出，耗尽区的厚度可达~10mm。目前，对于Ge材料，已经可以将杂质的浓度降低到这一量级，而对Si材料做不到。HPGe探测器采用P型或N型Ge材料（高纯度）都可以，多采用P型材料。其制造工艺类似于PN结型。简单地说，在材料的一个表面通过扩散、表面位垒或离子注入方法形成一个PN结。由于探测器材料的杂质浓度低，阻抗高，可以加上很高的偏压。耗尽层随反向偏压的增加而加厚，直至整个晶体成为耗尽区。HPGe探测器有平面型的，也有同轴型的。目前，平面型的构造与PN结型类似，厚度能达1~2cm，灵敏体积达20cm3以上。主要用于测量中能带电粒子、X射线和低能射线。这样的探测器，对于探测能量较高的射线时，灵敏厚度还显不够。由于Ge晶体在轴向可以生长得相当长，因此做成同轴型可以大大提高灵敏体积。采用这种方法可将灵敏体积作到大于400cm3。同轴型HPGe探测器有两种基本几何结构：双端同轴型和单端同轴型。从工艺上考虑，大部分探测器为单端同轴型。N层本征区P接触P接触本征区N层双端同轴型单端同轴型RR++－－P型N型N＋，>几十mP＋，<几m同轴型HPGe探测器工作示意图对于同轴HPGe探测器，要使探测器刚好达到全耗尽（即整个晶体均为耗尽区），其所要加的偏压由下式给出：通常同轴HPGe探测器是用P型Ge制成的。HPGe探测器应在液氮温度(77K)下使用，但可在室温下保存。HPGe探测器用于射线的测量具有独特的优越性（大的灵敏体积，高的能量分辨），在液氮温度下，射线能量测量的分辨很容易达到~2keV的量级（此时电子学的噪声的影响成为主要因素，因此前置电子学也同时被冷却）。式中，为材料的介电常数，e为基本电荷电量，Na为受主杂质浓度，Nd为施主杂质浓度，r1为内半径，r2为外半径。5.3.5化合物半导体探测器半导体探测器主要使用Si和Ge，但这两种材料的原子序数低，对于射线的测量效率较低，且要在低温下使用。因此人们希望能找到其它材料以克服这些缺点，基于此化合物半导体探测器得到了发展。CdTe探测器这种探测器材料原子序数Z=48和52，比锗(Z=32)大很多，Eg=1.45eV，比硅还大(1.16eVat77K)。主要用来作室温谱仪，对57Co的122keV射线测量得到的能量展宽，在室温下得到5.9keV。目前，还不能研制出灵敏体积很大的这种探测器。另外，主要载流子的寿命还不够长，造成电荷的不完全收集。GaAs探测器材料原子序数Z=31和33，与锗相近，Eg=1.45eV，与CdTe相同。对57Co的122keV射线测量得到的能量展宽，在室温下得到3.8keV。但很难制作出灵敏体积大的探测器。另外，由于缺陷多、杂质浓度大而发展缓慢。HgI2探测器材料原子序数Z=80和53，比锗大很多，Eg=2.13eV，主要用来作室温谱仪，对57Co的122keV射线测量得到的能量展宽，在室温下得到4.3keV，与GdTe和GaAs相当。它可以工作在200～400C的温度下。5.3.6半导体探测器的主要参量1）探测器窗的厚度一般来说，粒子进入探测器的灵敏区前必须经过一个非灵敏区，即探测器的入射窗。探测器的入射窗对于粒子探测来说是“死层”，粒子在其中损失能量，但给不出信号，这部分能量被丢失了。这样，相同能量的入射粒子，正入射和斜入射在死层中丢失的能量是不同的，从而造成能量测量时的能量展宽。入射窗灵敏区因此，要进行高分辨能量测量时，必须选用薄窗探测器。金硅面垒型探测器：窗为金层加上Si中的死层，一般金层在0.03m，Si的死层在加上反向偏压后可降至0.1m以下。因此Si(Au)型探测器的窗薄，在100nm的量级。扩散型：窗较厚，仅比扩散层略薄，通常在0.5~2m。离子注入型：窗可以很薄，与离子束能量有关。可以做到40nm左右。锂漂移型：从Li扩散面入射，常达0.1~0.3mm。若做成全耗尽型，从背面入射窗可薄得多，达0.1m。HPGe：可以象面垒型和离子注入型一样做得较薄。2）灵敏区厚度探测器的灵敏区就是PN结区或补偿区，其中载流子的浓度极低，电阻率很高，外加电压都集中在其上，故电场强度很大，有利于非平衡载流子的收集。前面的定性讨论中已经PN结型厚度的公式，更精确地，PN结的厚度由下式给出：这里是材料的介电常数，Ge为15.7，Si为11.7；为材料的电阻率(·cm)；V0是结区内建电位差；VB为外加偏压(V)；是载流子的迁移率(cm2/V·s)。通常V0<