GB T 23729-2009 闪烁探测器用光电二极管.试验方法.pdf

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1、ICS 27.120.01 F 88 道B中华人民:f:I工、不日国国家标准G/T 23729-2009/IEC 62088 :2001 闪烁探测器用光电二极管试验方法Photodiodes for scintillation detectors-Test procedures (lEC 62088: 2001 Nuclear instrumentation一Photodiodes for scintillation detectors-Test procedures , IDT) 2009-05-06发布2009-12-01实施、敛码防伪J / 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家

2、标准化管理委员会发布G/T 23729-2009/IEC 62088:2001 剧吕本标准等同采用IEC62088: 2001(核仪器一一闪烁探测器用光电二极管一试验方法)(Nuclearinstrumen ta tion-Photodiodes for scintilla tion detectors-Test proced ures ，英文第1版)。为便于使用，本标准做了下列编辑性修改:-一-删去IEC62088 :2001的前言和目次;一-调整了少数参量符号的上、下标，并用小数点符号代替作为小数点的逗号，;-一在计算公式的参量说明中，用长破折号一一代替是;一一一第8章标题一般要求-一数据

3、表改为供应商应提供的数据，并在工作温度范围TmaxTmin和贮存温度范围一项后增加工作湿度范围HmaxHmin和贮存湿度范围以及工作气压范围PmaxPmin和贮存气压范围(在4.2中增加相应符号)。本标准由中国核工业集团公司提出。本标准由全国核仪器仪表标准化技术委员会归口。本标准起草单位:核工业标准化研究所、中国原子能科学研究院、北京核仪器厂。本标准主要起草人:熊正隆、何高魁、肖晨、姚秋果、严陈昌。I GB/T 23729-2009/IEC 62088: 200 1 sl 光电二极管闪烁探测器是采用半导体光电二极管(通常是硅PD)的闪烁探测器，当人射辐射(带电粒子、Y射线、X射线)在闪烁体中放

4、出能量时，用于探测在闪烁体(通常是晶体)中产生的闪烁光(见图1)。光电倍增管(PMT)通常已经用于这个目的(对十进制计数)，但随着低噪声和相对大面积光电二极管的最新出现，后者在增加应用数量、取得某些固有性能的优点等方面正在与光电倍增管激烈竞争z一一小体积;E 一一对磁场不敏感;一一低工作电压和很低的功率消耗一一稍高的抗震能力。GB/T 23729-2009/IEC 62088:2001 闪烁探测器用光电二极管试验方法1 范围本标准适用于在闪烁探测器或切伦科夫探测器中使用的固态光电二极管(PD)或光电二极管阵列(PDA)。本标准推荐的试验方法也适用于雪崩二极管(APD)，但需要附加本标准描述的特

5、殊试验方法。本标准中描述的试验不是强制性的，但宜按这里描述的程序进行规定性能的试验。本标准的目的是为闪烁探测器中使用的光电二极管建立标准试验方法，同时规定了供应商应提供的每种型号光电二极管的数据。2 一般原则硅光电二极管容易得到并广泛用于闪烁探测器。然而，它们围绕900nm的峰响应与常用闪烁体Nal(Tl)、CsI(TI)、BGO、CdW04, ZnSe(Te) 在较短波长的最大发射不相匹配。正在进行的研究是开发具有较长波长光发射的闪烁体和较宽带隙的半导体。光电二极管闪烁探测器没有内部放大器(APD的情况除外)，因而需要鹊合到类似用于半导体探测器的低噪声前置放大器。光电二极管/前置放大器组合的

6、噪声限制它在低能射线和X射线能谱测定中的使用。这个噪声由随其面积而增加的PD电容的串联噪声以及前置放大器的漏电流和输入阻抗的并联噪声来确定。为优选光电二极管/前置放大器的组合，有时将前置放大器与PD集成在一起。在这种情况下，这里描述的某些试验可能难于执行。固态光电二极管也能用作直接电离的半导体探测器，但本标准不适用于已由IEC60333包括的这种应用。本标准不适用于混合光电探测器，即带有常规光阴极、加速电场和固态器件的真空管。间烁体偏压电源3 规范性引用文件/ 放大器光电二极管圄1光电二极管闲烁探测器系统方框圄脉冲高度分析器下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文

7、件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究1 G/T 23729-2009/IEC 62088 :2001 是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注目期的引用文件，其最新版本适用于本标准。IEC 60050 (731) : 1991 国际电工词汇731章z光缆通信(InternationalElectrotechnical Vocabu lary一Chalter731: Optical firbe communication) IEC 60050 (845): 1987 国际电工词汇845章:照明(InternationalElec

8、trotechnical Vocabula ry-Chalter 845: Lighting) IEC 60333: 1993核仪器半导体带电粒子探测器试验方法(Nuclearinstrumentation-Semi conductor charged -particle detector-Test procedures) IEC 61151: 1992 核仪器用于电离辐射探测器的放大器和前置放大器试验方法(Nuclearin-strumentation-Amplifies and preamplifies used with detector of ionization radiation-

9、Test proce dures) 4 定义、符号和缩暗语4. 1 定义下列定义适用于本标准。4. 1. 1 雪崩光电二摄管(APD)avalanche photodiode (APD) 带偏压工作，初始光电流通过在半导体结的雪崩击穿而放大的光电二极管。IEV 845-05-40J 4. 1. 2 噪声等效功率(光电二极管的)noise equivalent power (of photodiode) 在其输出端对给定的波长、调制频率和等效噪声带宽产生等于1的信号噪声比时光探测器输入端的光辐射功率值。IEV 731-06-40J 4. 1.3 光电器(1，川photocurren1 () 由人

10、射辐射引起的、光电探剖器输出的那部分电流。IEV 845-05-52J 4. 1. 4 光电二摄管photodiode 由吸收两个半导体之间P-N结或半导体与金属之间结内附近的光辐射而产生光电流的光电探测器。IEV 845-05-39J 4. 1. 5 响应探副器的)(s) r臼ponsivity(s) 灵敏庭/敏感度(探到嚣的)(s) sensitivity (of 2 det配阳r)(s) 探测器的输出Y除以探测器的输入X之商(s=Y/X)。IEV 845-05-54J 4. 1.6 光谱响应sp四tralr臼ponse作为波长函数的响应。注z响应通常以A/W为单位，波长以m为单位.4.2

11、 符号A 有效面fR2 GB/T 23729-2009/IEC 62088:2001 APD 雪崩光电二极管C 电容G APD的增益hv 光子能量Iph 光电流I. 漏电流Im皿最大允许光电流I(U) 电流-电压特性 波长p 峰值响应波长 量子效率NEP 噪声等效功率P op, 光功率PD 光电二极管PDA 光电二极管阵列s 响应/灵敏度T 温度T mu/Tmin 光电二极管工作的最高/最低温度Hmax/Hann 光电二极管工作的最高/最低湿度Pmnx/Pmin 光电二极管工作的最高/最低气压Ub 工作偏压Ubn 正常偏压Ubmax 最大允许工作偏压Xu (有效面积测量用)扫描路径的有用长度或

12、直径5 物理特性5. 1 有效面积，A光电二极管的有效面积，即有用面积，通常稍小于半导体晶片的总面积。这是由于结边沿的封装材料、电极和保护层的缘故，为最大限度减少漏电流(以及必然的噪声)，它们可能是需要的。应测量有效面积，其方法如图2所示，即采用来自高稳定参考光源的准直人射光束，对放置在全黑暗环境的光电二极管的总面积进行扫描。光电二极管应采用如同半导体探测器漏电流测量或绘制电流-电压特性一样的常规装置来配置偏压并与皮安表连接(见IEC60333)。在光电二极管表面的点尺寸和任何方向的扫描间隔均应小于半导体晶片最大尺寸的1/20，同时，在任何情况下，应小于0.5mm(见图2右边的例子)。对每个描

13、述路径，所测量光电二极管的光电流如图2所示绘图，而当光电流至少等于其最大值的90%时，有用长度Xu按路径长度确定。有效面积，即按光电流至少等于其最大值的90%时所规定的面积，由为每个扫描路径确定的所有单个Xu进行计算。应指明计算的细节。有效面积可能取决于扫描光的波长。因此，应对光电二极管有用光谱范围中的几个波长测定有效面积。至少应对峰值响应波长p、使用在p士50nm发射的单色光源和过滤光源完成测量。有效面积可能随偏压而稍微变化。至少应在正常偏压Ubn下完成一次测量。所有测量均应指明偏压。对雪崩光电二极管，有效面积可能随采用电压而显著变化，正如增益(放大系数)在器件不同工作点3 GB/T 237

14、29-2009/IEC 62088:2001 可能稍微变化一样。因此，也应测定和说明G等于1的有效面积。这个测量通过扫描光电二极管的基本有效面积也能适用于光电二极管阵列。一个替代的方法是使用脉冲光和光电二极管闪烁探测器的常规放大系统以测量脉冲光电流(见6.7.2.1)。对集成设备，包括在同一封装中的光电二极管和前置放大器或甚至计算放大系统，应使用这个方法。正比于光电流脉冲的、放大脉冲的幅度对每个像素(图元)绘图，然后以上面描述的相同方法获取Xu和有效面积。准直光源h1升叫J-lIllu-Ulu-uu-.1ji-ji-. LLt x;二1p也%100 90 有效面积副量的装置(上左)和扫描倒子5

15、.2窗尽管元窗光电二极管也是有用的，但光电二极管通常由保护层(窗)雹盖以防止闪烁体的机械应力、操作期间擦伤表面或光藕合剂污染表面。制造商应指明(见第8章，数据表)窗的材料和折射率以及清洁光电二极管表面的可能性。如果允许清洁，则应指明能够擦去任何污染的严格条件以及填料和溶剂的类型。图2电特性6. 1 概述光电二极管电特性的测量在大多数情况下与IEC60333中描述的直接电离半导体探测器的测量相同。这也是如同探测IEC60333中描述的能量分辨率或噪声以及光电二极管/闪烁体/放大器系统的分辨力等参数一样的情况。6 GB/23729-2009/IEC 62088:2001 6.2 电睿(量)IEC

16、60333中描述方法造用于电容(量的测量。由有效面积A和电容量C按式(1)计算起尽层d:式中:r一一一半导体的相对介电常数(电容率hO一一真空介电常数。r、。、A、d和C均以国际单位制表示。6.3 羁电流L和电流电压特性曲线I(U)6.3. 1 测量IEC 60333中描述的测量方法适用。C = rOA/d . ( 1 ) 注z由于光电二极管仅需要低的或中等的俯压，这个词盐能使用特定目备的示波器方便完成，以绘制二极管和晶体管的电流-电压特性曲线。该设备具有进行直流或脉冲臼21(U)的功能。当在击穿电压区域绘制1(U)特性曲线时，推荐脉冲剖2方法。对雪崩光电二极管，该方法特别可窍。6.3.2 温

17、度相关性半导体光电二极管的漏电流1，随温度呈指数增加，而光电二极管的并联噪声在最高工作温度(60 C)附近可成为光电二极管/放大器组合的总噪声的主要贡献。所以，宜在整个工作温度范围内给出语电流与温度的相关性。对正常偏压Ubn，至少应指明正常温度下的商电流1还应指明最高温度Tm皿下的黯电流1，。6.4 上升时间IEC 60333中描述的测量方法适用。注2为避免混乱，在给出上升时间时宜指明是哪个上升时间:a) 单纯光电二极管;b) 光电二极管闪烁探到器;c) 藕合到放大器的光电二极管zd) 搞合到放大器的光电二极管闪烁探凶器。6.5 光电二极管闪烁探测器使用的前置放大器和放大器为核辐射探测而与光电

18、二极管闪烁探副器配合使用的前置放大器和放大器，相同于与半导体探剖器配合使用的前置放大器和放大器。IEC 61151中描述的副主方法适用。6.6 噪声和分辨力测量噪声可用剖能量分辨力的方法副量，此时IEC60333和IEC61151中描述的测量方法造用。6. 7 雪崩光电二摄管的增益(G)6.7. 1 慨述雪崩光电二极管的增益，对恒定人射的光强度，是在给定电压发生倍增时到量的光电流与在低电压元倍增时测量的光电流之比值。雪崩光电二极管的增益与偏压密切相关，也与温度有关，特别是靠近击穿电压时。雪崩光电二极管的制造商应给出(见第8章数据表): a) 雪崩光电二极管能工作的最大电压Ubm皿(或最大增益)

19、; b) 增益作为偏压函数的曲线，或如果推荐正常偏压Ubn时，Ubn附近的斜率/).G/).U;c) 至少在Ubn和Ubm皿增益与温度的相关性。6.7.2 副量为测量闪烁探测器的雪崩光电二极管增益，可使用两个方法测量作为电压函数的光电流:5 GB/T 23729-2009/IEC 62088: 200 1 a) 测量恒定照度的直流光电流的一般方法;b) 使用传统的核谱测定、脉冲放大器和分析系统的脉冲光方法。6.7.2. 1 脉冲光方法雪崩光电二极管光谱测定系统(见图3)包括滤波和高稳定度的偏压电源、电荷前置放大器、线性成形放大器和模-数变换器(ADC)。前置放大器放大器ADC 门电路圄3脉冲法

20、雪崩光电二极管增益测量装置的方框圄在这个测量中推荐使用交流AC藕合到前置放大器，以避免带偏压的直流电荷。来自带启动装置的稳定光源的快光脉冲直接加到光电二极管。光斑应覆盖雪崩光电二极管的整个有效面积，以保证测量足以代表闪烁计数器中所遇到的状态。应指明光脉冲的波长，其响应并应在高于峰值响应p的50%波长范围内(见第7章)。光脉冲的上升时间应小于前置放大器上升时间的1/10。雪崩光电二极管的信号脉冲由电荷灵敏前置放大器和主线性放大器放大和成形，并给出与光电流Iph成正比的脉冲电压。成形放大器输出脉冲的高度由ADC数字化，并按半对数标尺以适宜单位(图4左边的标尺)绘制出作为偏压函数的曲线图(见图4)。

21、注:某些ADC可能需要门控(选通)(接收进入的脉冲);这能容易使用脉冲光源的触发器实现.这个曲线的低偏压部分表明一个平坦的水平部分(图4的ab段)，这是没有发生放大时的偏压范围。一个1的增益指定给那个范围，因而半对数标尺被换档(右标尺)以直接给出增益-偏压关系。人射光强度(入射光功率应位于雪崩光电二极管的线性范围，对恒定的偏压和温度，光强度降低或增高10倍，则光电流也应同样减少或增加10倍。放大系统和ADC的线性度范围应比输出脉冲的动态范围高1个数量级，也就是比被测增益的动态范围高十倍(例如对1000的增益线性范围为4个数量级。6 G/T 23729一2009/IEC62088:2001 I冉

22、(对致适宜标尺)V v / a b -/ -一-一-一-倪压(线位适宜标尺国4雪崩光电二摄管光电流和培益与偏压的关系6.7.2.2 直流(DC)鹊合方法G 103 102 10 100 测量系统包含一个高稳定的偏压电源和一个与雪崩光电二极管串联的宽动态范围的电流表(如图6所示，除光电二极管宜由雪崩光电二极管替代外)。如6.7.2.1一样测量光电流，将光电流(对恒定的人射光)作为所采用俯压值的函数绘图，并按同样的方法测定增益。6.7.2.1的大多数要求对本方法也是有效的:-一光斑应EZ盖雪崩光电二极管的整个有效面积，以保证测量代表闪烁计数中遇到的状态;一一-应指明光脉冲的波长，其响应应当在高于峰

23、值响应50%的波长范围内;-一人射光强度(人射光功率)应位于雪崩光电二极管的线性范围内z对恒定的偏压和温度，光强度降低或增高10倍，光电流也增加或减少同样的10倍E一一电流表的线性范围至少应比被割增益高1个数量级例如，对1000的增益线性范围为4个数量级)。6.7.3 蹭益的温度相关性正如6.7中所指出，雪崩光电二极管的增益对温度很敏感，特别是当雪崩光电二极管的偏压靠近击穿电压工作时，其高增益值对温度更敏感。因为击穿电压随温度变化而改变，当温度升高时，在固定倪压工作的雪崩光电二极管可能永久损坏。因此，在进行这种测量时，宜足够小心。用于测量的装置与6.7.2相同。增添加热和制冷系统以改变整个工作

24、范围内的温度。这个系统(例如小加热炉或藕合到热电冷却器的加热设备)不是本标准的一部分。宜仔细设计，以避免附加到雪崩光电二极管和前置放大器的任何噪声分量，例如由于雪崩光电二极管与前置放大器之间的超长电缆引起的脉动和增加的串联噪声。由于新近的问题或在雪崩光电二极管和前置放大器集成在单个组件时，雪崩光电二极管和前置放大器总是不能分开测量。在这种情况下，前置放大器也将加热或冷却，这应予以说明。应按6.7.2描述的程序至少对工作温度范围的最高温度值Tmax和最低温度值T.，;n进行副量。从在Tmu和Tmm时G与偏压的关系曲线，对给定偏压值叭，测定GT回且值和GTmm值。增益在Ub下随温度变化的平均值由式

25、(2)给出z7 GB/T 23729-2009/IEC 62088: 200 1 .G GT.叩-GT.min . T Tmax-Tmin ( 2 ) .G/ .T以K-1为单位。7 光特性7. 1 概述光电二极管闪烁探测器中的重要参数是量子效率不响应s(也称为灵敏度)和噪声等效功率(NEP)。这些取决于波长的参数能从光谱响应的测量得到。7.2 量子效率()量子效率是每个入射光子产生的电子-空穴对的数量，见式(3):式中:Iph一一-光电流，单位为安培(A); e一一电子电荷数，单位为库仑(C); p咿一一人射光功率，单位为瓦(W);hv一一光子能量，单位为焦耳(J)。量子效率也可表示为式(4

26、): 式中hv的单位为电子伏特(eV)。可一Iph/e -P opt/hv I q一一.:.E_一-p咿/hv注:式(4)中Iph的实际是Ipb(A)/l(C)，单位为安培/库仑(A/C)，或认为可是无量纲的(本标准说明。. ( 3 ) . ( 4 ) 量子效率的测量相当复杂，因为它要求知道作为波长函数的反射率，也要求知道可能如光子透射率一样取决于的电荷收集效率。对闪烁应用，由于响应是包含许多因子的全局参数，所以它是较贴切的品质因数。7.3 晌应响应是光电流与人射光功率之比值，见式(5):式中zs=1应=!l旦=一业一Popt hv 1 240 s一一响应，单位为安培每瓦(A/W); 一一-波

27、长，单位为纳米(nm)。其他符号如式(4)所定义。7.4 光谱晌应.( 5 ) 光电二极管的光谱响应(4.l. 6)由测量作为波长(nm)函数的响应(A/W)来测定。典型光电二极管的光谱响应如图5所示。在响应曲线的左边部分(区域1)出现短波长(高能量)响应降低，因为短波长的光吸收系数值很大(大于或等于10cm-1)，而辐射在接近复合时间很短的表面时被吸收。于是光电荷载流子在收集到p-n或p-i-n区域前就这样复合。8 G1B/T 23729-2009/IEC 62088: 200 1 (飞F33划出国mu0.2 0.6 0.4 。400 600 800 1000 1200 波长/nm圄5光电二

28、极管的光谱晌应峰值响应波长p后的较长波长处(区域lD由半导体能带宽度确立，例如对硅为大约1100 nmo 对大于相应能带宽度波长的波长，吸收系数在理想的半导体中宜是0。但深俘获程度的出现可引起某些非固有(外来光电流，同时曲线可出现一个尾部(区域ill)。该尾部的存在与光电二极管由于俘获/反俘获过程定时特性的劣化相关联。测量装置的方框图见图6。衰减器单色光源| 功率表| 图6光电晌应副量装置来自稳定光源的单色光平行束直接对准光电二极管照射。光斑范围应全部包含在有效面积内，但至少应布满该有效面积的90%，以得到整个光电二极管的光谱响应表达式。功率表布置在光束中以测量光功率P咐，然后移去功率表并用与

29、光电二极管和偏压电源串联的皮安表或纳安表测量光电流。对光电二极管有用范围的几个波长重复使用该程序测量光功率和光电流。为确保光电二极管在线性范围内工作，带校准衰减系数的光过滤器装置应布置在光束中。光电流应接相同的系数减小。光电响应Iph/P昭作为波长的函数绘图(图日，同时测定对应峰值响应的波长p。9 GB/T 23729-2009/IEC 62088: 200 1 7.5 噪声等效功率噪声等效功率(4.1.2)由噪声电流和光电二极管在p的峰值响应采用式(6)计算:式中:lno;.o -_噪声电流，单位为A Hz-o/2) ; s(p) -在p的响应，单位为A.W-1; NEP =乌i立s(p)

30、NEP-噪声等效功率，单位为W.Hz-O/2)。8 供应商应提供的数据对每种型号的光电二极管供应商应提供的数据包括:a) 光电二极管或雪崩光电二极管的半导体材料和结构(p-n结或p-i-n); b) 器件的整体尺寸，长度和宽度或直径，厚度;c) 半导体晶片的总面积和厚度;d) 在Ubn测得的光电二极管有效面积;e) 窗材料或其他基准的无窗，以及表面清洁的可能性;f) 峰值响应波长p;g) 在p和500nm(CsI(TD发射光谱的最大值)的响应;.( 6 ) h) 工作温度范围TmaxT min和贮存温度范围，工作湿度范围HmaxHmin和贮存湿度范围，工作气10 压范围Pma.Pmin和贮存气

31、压范围;i) 正常偏压Ubn和最大允许偏压Ubm皿;j) 对正常偏压Ubn，在指明的正常工作温度以及最大工作温度Tmax下的最大漏电流Idk) 光电二极管可能损坏的最大允许光电流Im皿;D Ubn时的电容(量); m) Ubn时的上升时间;n) 在指明的正常工作温度和最高工作温度Tmax下的噪声等效功率NEP;0) 对雪崩光电二极管的特殊附加要求(见6.7): p) 雪崩光电二极管能工作的最高电压Ubmax(或最大增益); q) 增益作为偏压函数的曲线图，或如果推荐正常电压Ubn，则是围绕Ubn的斜率.G/.U; r) 增益至少在Ubn和Ubmax下与温度的相关性。除非另有规定，应在指定的温度

32、下完成所有测量。中华人民共和国国家标准闪烁探测器用光电二极管试验方法GB/T 23729-2009/IEC 62088: 2001 中国标准出版社出版发行北京复兴门外三里河北街16号邮政编码:100045网址电话:6852394668517548 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销* 开本880X 1230 1/16 印张1字数22千字2009年7月第一版2009年7月第一次印刷* 书号:155066 1-38079 定价18.00元如有印装差错由本社发行中心调换版权专有侵权必究举报电话:(010)68533533GB/T 23729-2009 打印H期:2009年8月13日FOONH ON国白CON-Nh的NH闰。