GB T 5201-1994 带电粒子半导体探测器测试方法.pdf

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1、7飞11: ./、UDC 539. ,. 074 001.4 F 80 华G/T 5201 94 1995-10-01实施发布.一-. -测器测试方:Test procedures for semiconductor charged particle detectors 局督监自主委毛主支才注一一一十一一1994-12-22发布嗣帘P 中华人民共和国国家标准带电粒子半导体探测试方法Test procedures for semiconduc!or charged particle detec!ors 主题内容与适用范围G/T 5201-94 代替GB5201-85 本标准规定了带电粒子半导体探

2、测器电特性和核辐射性能的测试方法以及某些特殊环境的试验方法.本标准适用于探测带电粒子的部分耗尽金硅面垒型、铿漂移金硅面垒型和表面钝化离子注入平面硅型等半导体探测器.全耗尽金硅面垒型探测器的某些性能测试也应参照本标准进行.2 术语、符号2. 1 术语2. 1. 1 灵敏层sensitive layer 半导体探测器中对辐射灵敏的那一层物质.粒子在其中损失的能量可转换成电信号.2. 1. 2灵敏面前nSltlvearea 探测器中辐射最易进入灵敏层的那部分表面。2.1.3 死层dead layer 从探测器灵敏层入射的带电粒子在进入灵敏层前必须经过的一层物质。在这层物质中，粒子损失的能量不转换成电

3、信号。2. 1.4 偏压bias voltage 探测器工作时所加电压。它在灵敏层中产生一个使信号电荷迅速向电极移动的强电场。2. 1. 5 探测器电容capacitance of detector 在给定偏压下，探测器两极间的总电容。 2.1.6 能量分辨率energy resolution 探测器分辨入射粒子能量的能力。通常以规定能量射线谱线的半高宽表示。2.1.7 半高宽(FWHM)full width at half maximum 在谱线中仅由单峰构成的分布曲线上，峰值一半处两点问横坐标之差，2. 1. 8 电上升时间electrical rise time 探测器电参数引起的输出信

4、号从终值的10%到90%所需的时间.2. 1. 9 电荷收集时间charge collection time 电离粒子穿过半导体探测器时，由收集电荷形成的积分电流从最终值的10%到90%所需要的时问.2.1.10 十分之一高宽(FWTM)full width at tenth maximum 谱线中，在单峰分布曲线上，峰值十分之一处两点问横坐标之差。国家技术监督局1994-12-22批准1995-10-01实施l 二 GBjT 5201-94 2. 1. 11 脉冲顶中心线top center !ine(of a pu!se) 在一个有尖顶的脉冲中通过峰顶点并与基线垂直的直线.2. 1. 12

5、脉冲达峰时间peaking time(of a pu!se) 单极脉冲前沿上幅度为峰值1%点至脉冲顶中心线的时间间隔.2. 1. 13脉冲尾时间归ilingtime(of a pu!se) 单极脉冲顶中心线至后沿幅度降至峰值1%处的时间间隔。2.2 符号2.2. 1 Cc检验电容，pF. 2. 2. 2 CD探测器电容，pF. 2.2.3 C隔直流电容，pF. 2.2.4 D.灵敏层厚度，m。2.2.5 lE.以半高宽表示的放大器噪声.keV.2.2.6 lED以半高宽表示的探测器噪声.keV.2.2. 7 lEEO以半高宽表示的除探测器噪声以外的电噪声.keV.2.2. 8 lE以半高宽表示

6、的除电噪声以外，其它因素引起的谱线展宽.keV.2.2. 9 lE在谱的能量分辨率测量中得到的总半高宽，keVo2. 2. 10 .E. I以半高宽表示的探测器能量分辨率，keV. 2. 2. 11 .ET以半高宽表示的探测器和放大器的总睐声.keV.2.2.12 .N.以半高宽表示的放大器噪声，道。2.2.13 .ND以半高宽表示的探测器噪声，道.2.2.14 .N.以半高宽表示的除探测器噪声以外的电噪声，道。2.2.15 .N以半离宽表示的除电噪声以外，其它因素引起的谱线展宽，道.2.2.16 .N在谱的能量分辨率测量中得到的总半高宽，道.22.2.17 .NT以半高宽表示的探测器和放大器

7、的总噪声，道.2.2.18 N，(N，).能量为E，(E，)的信号峰值所对应的道数，道.2.2.19 R.负载电阻.0，2.2.20 to:探测器电荷收集时间，nso2. 2. 21 t, .探测器电上升时间，n5. 2.2.22 t，.前置放大器上升时间，nso2.2.23 t.系统总上升时间，ns2.2.24 t，.脉冲达峰时间，问 2.2.25 t，.脉冲尾时间，p.s. 2.2.26 t.由电荷收集时间和上升时间形成的探测器上升时间，ns2.2.27号:脉冲波形中幅度为峰值幅度一半处两点间的时间间隔，问。2.2.28 V，.阶跃脉冲信号的幅度，V.2.2.29 Z.匹配阻扰，!lc3

8、3. 1 3.2 3.3 3.4 3.5 2 一般要求除特殊要求外，探测器应在环境温度20土2.相对湿度小于65%的条件下进行测试.各种性能测试均应使探测器处于完全黑暗的条件下进行。测试时，不得超过探测器允许的工作偏压，最大粒子注量率等限定条件。测试时所用仪器的技术指标不应对探测器参数的测盐结果有明显的影响.在任何一项或全部测试完成后，测得的参数应在测量精度内能重复。GB/T 5201-94 3.6 在工作温度下，探测器漏电流在偏宣电阻上引起的电压降应小于所加探测器偏压的15%.3.7 给出测试结果时，数据的有效位数应不多于该数据测量和使用所适用的范围.一般取二至三位.当不给出公差时，意味着有

9、效数字的最后一位士0.5.如1.35表示1.35土0.005，3.8 对于低真空下使用的探测器可在0.1-5Pa下测量有关性能，对在高真空下工作的探测器须在低于0.0001 Pa压强下测量有关性能.i 4. 1 电流电压特性利用半导体探测器专用电流-电压特性测试仪或其它同类仪器。按图1测量.!:i j 主探测器v 只图1反向电流-电压测量框图当探测器加反向偏压时逐点测量反向电流。记录逐渐增加电压和逐渐降低电压相对应的点.改变偏压足够地慢l使其不至于展现任何滞后效应.对每一偏压值，要待电流指示稳定后再记录电流、电压值.同时应记录测量时的环m温度。测量正向特性时，按图2接线.用固定某一正向电流(如

10、5mA)时的正向电压降表示。, A i 吁阿虫、)图2正向电流电压测量框图4.2 电容-电压特性电容-电压特性测量框图见图3.电桥工作频率应在10-105Hz之间.电桥加到探测器上交流信号的峰-峰值应小子探测器偏压的十分之一，C，的数值至少应比被测探测器的最大电容大10倍，所耐电压至少应比探测器所加最大偏压大一倍.电感L也可用一高阻R代替，选取阻值时应保证电阻上的压降与探测器偏压相比可以忽略，并使电源的输出电容不影响测量结果。电特性4 + R 偏!长电菌 偏H电器H ili-if-二iif董忠!i!14吨USid-s亨ib:11ru一一一一巳3 GB/T 5201-94 R G 4蜘t祭测器偏

11、1巨电源主施也侨图3电容-电压测茧框图接好线后，首先测量加某一偏压而来接探测器时的系统电容CI然后接上探测器再加上该偏压测量探测器电容与系统电容之和C，.该偏压下的探测器电容由公式(1)得到IJ: Co = C, -C、改变偏压，重复上述测茧，得到探测器电容随偏压的变化特性。在全对数坐标纸上绘出电容-电压特性曲线。4.3 噪声测盈利用脉冲高度法测量探测器噪声。测量时各设备按框图4接线。挥测器 G 4.3.1 测试要求偏阻电踵精密幅度脉冲产生器z 前世放大嚣图4噪声测量框图放大胆事遭脉网制if分昕酣( 1 ) 4. 3. 1.1 所用成形放大器应具有准高斯成形器，成形时间可调。成形后脉冲形状如图

12、5所示，它自成形器的性能和时间常数确定。因5中给出确定形状的参数ttJp和t，应在23为1阳的条件下测量噪声。若用其它成形器或不同tt测量时必须注明所用成形方法及斗。4 一一-._-一一一GB/T 5201-94 相对幅度厢中心线100% 50 Y. 一一一一1% t, t, 时间图5准高斯脉冲形状4.3.1.2 精密脉冲幅度产生器输出的应是上升时间不大于主放大器微分时间常数5%的指数衰减信号.信号的衰减时间应保证在等于成形放大器微分时间常数的时间间隔内，脉冲幅度下降不大于2%.产生器的积分非线性应小子0.1%。4.3.1.3 检验电容Cc一般小于10pFo 4.3.1.4 选择系统增益及信号

13、幅度，使整套系统工作在线性范围内，并使其在多道幅度分析器上测得谱峰的半高宽大于6道.4.3.2 输入信号的校准探测器加正常工作偏压，用能量已知的单能放射源照射探测器，在多道幅度分析器上得到一个对应谱线。移开放射线，将精密幅度脉冲产生器通过检验电容接入囚路。调节产生器幅度旋钮，使其刻度盘上的读数与所用放射源能量对应。细调衰减器及校准旋钮，使在多道幅度分析器上得到的产生器信号峰位与放射源峰位有E合，这时就可由产生器幅度旋钮的指示数直接读出其信号幅度对应的放射源能量.4.3.3 放大器噪声与外接电容关系的测量取下探测器，在多道幅度分析器中记录对应于产生器信号为E，和E，的谱线。当i苦的峰值计数大于4

14、000时，以谱线上计数大于峰值tf数一半的各点，用加权平均法按公式(2)确定谱线峰位N式中2N，第i道的道址;n，一知道的计数。用内插法确定!.NA. N、=Ni .叫ni . ( 2 ) 如果应用计算机由线拟合法，只要保证FWHM偏差在士5%以内(90%置信度)，可用较低的计数.将产生器信号改为E用上述方法确定谱线峰位N，.由公式(3)计算出外接电容为零时放大器噪声.EAoAEJEI-E21 A万=万，I ( 3 ) 5 活GB/T 5201-94 上述测量中所选E，与E，之差应至少为谱线FWTM值的三倍.在前置放大器输入瑞接不同容量的电容，重复上述测量，得出放大器喋声随外接电容的变化曲线.

15、4.3.4 探测器噪声拆下与前置放大器相连的外接电容，接上探测器并加预定偏压.测得能量为E，和E，的产生器信号所对应的谱线，如图6所示.同样，在峰值计数大于4000时记录峰位矶、N，和半高宽AN则探测器与放大器系统总噪声AET由公式(4)得出:计生/;)1N, I E工-E, AET = I :一一-Ll ANT , - N , N , _. , A只1，图6噪声测量的典型脉冲幅度谱若脉冲谱线呈高斯或准高斯形状，可用下述方法求得探测器噪声。.,. .,. ( 4 ) FWHM N, 诅数首先从4.2条测得的电容-电压曲线查得在预定偏压下探测器的电容，再由4.3.3中测到的放大器噪声随外接电容变

16、化曲线，查出对应此电容时的系统噪声。这噪声值代表除探测器以外的电噪声6.NEo探测器噪声可用公式(5)、(6)求出s6.N D = J 6.N1, - 6.NI: 6.E D = J Er - 6.EI: 为使结果有效，ET与6.EE(ANT与6.NE)至少应相差20%04.3.5探测器噪声随偏压的变化, ,( 5 ) ( 6 ) 改变工作偏压，重复4.3.4条的测量步骤，可得到不同偏压下的探测器噪声.需要时可绘出6.ED隧偏压的变化曲线。4.3.6探测器噪声随放大器时间常数的变化利用图4的测量系统，测量探测器噪声随时间常数的变化情况。为了能进行这种测量，要求放大器6 一一-一吁-一l- GB

17、/T 5201-94 的时间常数应能在较宽范围内变化，每次改变后仍应保持微分时间常数与积分时间常数相等.用tt表示相对应的时间常数。由于时间常数不同，放大器噪声也不同，并且噪声随外接电容变化情况也不同.因此，改变时间常数测噪声时，必须从噪声中扣除相应的放大器系统噪声。改变探测器偏压，重复上述测量，得到不同偏压侄时探测器噪声随时间常数的变化曲线。用以上测量结果绘出不同偏压下探测器噪声随呐变化曲线.4.4 时间性能4.4. 1 电上升时间按图7接线测量探测器的电上升时间.宽帘示酣睡、幌快舷大器探测器耐跃悻冲产生器图7电上升时间测量框图首先，在前置放大器输入端接不同容量的电容，测得前置放大器上升时间

18、随外接电容的变化曲线.拆下电容，按图7接好探测器，并加预定偏压。串联输入的阶跃电压幅度不得大于俯压的十分之一。由示波器得到输出波形上升时间t. 从前置放大器上升时间随外接电容变化曲线找到对应于探测器电容值时的前置放大器上升时间t, 则探测器电上升时间t，由公式(7)求出zt, = .ft二EHH-HH-HM-. .叫7) 为使结果有效，与应至少相差20%.改变偏压，重复上述步骤，得到不同偏压下的探测器屯上升时间。i4.4.2 电荷收集时间对相对慢的探测器可用下法测量电荷收集时间.用短射程单能粒子源照射探测器，用示波器观测到的输出信号上升时间为t.按4.4. 1测得上升时间.则探测器电荷收集时间

19、t，可由公式(8)得出gt, = .ft亡三. ( 8 ) 一一一 t.和t.应至少相差20%。对快探测器，可用快脉冲加速器或脉冲光源在探测器中产生大量电子-空穴对。使用取样示波器直 由压电晦甲寸7 :12配1#L品:铲叩?ji-ui!1Il-iJSZLf GB/T 5201-94 接测量这些电子-空穴对形成的电流脉冲。由其宽度度量电荷收集时间。在给出电荷收集时间时，应注明所周放射源的类型及名称。放大器的上升时间。4.4.3 时间分辨率按图8所示的符合测量系统测定探测器的时间分辨率。精密脉冲圃试输入能量输出成形醒大器产生器高压电踵定时输出t克成J!j!，1如R vvv tU!分析器偏直线性放大

20、悟二:挺大器能量的号 位置灵敏探测器测量系统C 踉C 12 t累酣睡位置测量装置因13环境试验6 6.1 辐射损伤6. 1- 1 探测器辐射损伤的测量步骤辐照前对探测器的主要性能进行全面测试，并详细记录;将探测器置于辐射源周围适当位置，并保证探测器灵敏丽与辐射入射方向垂直gC. 探测器加正常工作偏压，d. 当探测器承受的照射量达到预定值后停J.辆照取出探测器，:在复辐照前进行的各项测量并记录性能变化情况.6. 1. 2 试验时应注意的事项详细记录放射源情况(放射源种类、能量、注址、注量率等); 辐照时应保持探测器处于基准条件下，并记录探测器偏压、温度等条件$C. 辐照前后性能测试条件必须相同，

21、d. 记录辐照终止到测量开始的时间间隔及探测器所处环琉条件。6.2 温度6.2. 1 测试要求当探测器置于低于室温的温度下测垃肘，必须保持在真空或干燥氮气的怀践中;. b. 13 a. b. a. 一一一一一二GB/T 5201-94 b. 整个试验过程中，测量仪器应始终处于基准条件下，基准条件见表1，在试验不产生疑义时，可在室温条件下进行。/.6.2.2 测量步骤/.JLL一一、且, a. b. 在环境也度为室温时测量探测器性能，C. 升高恒温箱的温度，达到预定的最高温度后保持温度1h以上，待探测器温度平衡后测量性能，然后降至扭，保持卡定时间$d. 降低恒温箱的现度，达到预定的最低温度后恒温

22、1h以上，待探测器温度平衡后测量性能， 将恒温箱沮度调回室温保持1h以上，测量探测器性能，r. 比较探测器在桥同混度时性能变化情况。 6.3 湿度i i e! 在基准条件下，测试所求的探测器性能，然后将探测器置于预先选定的温度、湿度的气氛中，达到规定时间后取出。在基准条件下，放置一段时间，使探测器与周围环境达到平衡，测量探测器性能并与实验前性能比较L 1 1 : 耐4表1基准条件影!响量! 某准数值偏差(范围i L _ r 环境白皮，吃/20 士2也且，吁.母相对战;%65 55-75 .一一-_-一一-一庐一_. F 大气年强，kPa._ 101. 3 88-106 , 交流供电电压UN 士

23、1.0%交流供电频率I : .50 Hz 士1%交流合危波形: | 正弦波晶4 波形总畸变5%直流供电电压l 额定值士1% 环的辐射! 空气吸收剂量。2Gy/h(20I,d/hl 空气吸收剂量0.25Gy/h(25rad/hl外均于扰 可忽略小于引起干扰的最低值外界磁感应自飞可忽略小于地磁场引起干扰的2倍. , / 、放射性沾蜒可忽略可忽略6.4机械环境飞、飞在基准条件下，测试所要求的探测器性能，然后将探测器置于预先选定的机械环境中(如振动、冲击等进行试验。试验后取出探测器，在墓准条件下重复测试探测器性能并与实验前佳能比较。/ -.-: . ，、14 94 5201 GB/T 附加说明g本标准

24、由中国核工业总公司提出 本标准由北京核仪器厂负责起草。本标准主要起草人黄酒章、李献云、罗凤群.、/ 6 / d/y一/一0守|!i!(i)i1|l( 4 -民-喃hur-&tg rzesrsPF 毒飞t、 飞 ;21$1号一- / ;irE (京)新登字023、中华人民共和国家标准国带电粒子半导体探测器测试方法GB/T 5201-94 * 中国标准出版社出版北京复兴门外三里河北街16号邮政编码，100045 电话，8522112 中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷新华书店北京发行所发行各地新华书店经售版权专有不得翻印* 开本880X1230 1/16 印张lY，字数29干字1995年8月第一版1995年8月第一次印刷印数1-2000 * 标日269-24