CN105700003B - 一种半导体制冷的X射线硅pin探测器 - Google Patents

一种半导体制冷的X射线硅pin探测器 Download PDF

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Abstract

一种半导体制冷的X射线硅pin探测器，包括：陶瓷管座，其边缘均匀设有若干引脚；设于陶瓷管座上的制冷器，其上封装有分别与引脚连接的Si‑Pin探测器、JFET场效应管、反馈电容、测试电容、热敏电阻，所述Si‑Pin探测器的探头内部充装有氦气，所述JFET场效应管具有源极、漏极、栅极，其中源极与漏极分别连接于引脚，栅极连接于Si‑Pin探测器，所述反馈电容、测试电容分别连接于Si‑Pin探测器；罩设于陶瓷管座上方的屏蔽罩；正向偏置电荷灵敏前置放大器，其正极连接于Si‑Pin探测器，负极接地，输出端与反馈电容连接后与电源输出端连接。该硅pin探测器具有结构简单、探测精准、工作效率高的优点。

Description

一种半导体制冷的X射线硅pin探测器
【技术领域】
本发明涉及一种硅pin探测器，具体涉及一种半导体制冷的X射线硅pin探测器。
【背景技术】
X射线由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，现已广泛应用于医疗、地质、采矿、选冶、石化、建材、环保、商检、考古等多个领域。目前如何测量得到高分辨率的X射线能谱是大家共同关注的问题。
Si-PIN探测器是一种高性能的PIN结构的以半导体材料Si为探测基体的X射线探测器，它采用注植工艺在探测器基体内部形成高阻(大于10GΩ)的I层。PIN(Positive-intrinsic-Negative)是一种结构，包括一层P型半导体(多数载流子是空穴，受主杂质为主导)、一层N型半导体(多数载流子为电子，施主杂质为主导，)以及二者中间的本征半导体I层。Si-PIN探测器具有结电容小、响应时间快(约为几十ns)、漏电流小、能量分辨率高、增益受磁场影响较小等特点，常用于测量高分辨率的X射线能谱。
Si-PIN探测器的灵敏面积决定了其电容大小，面积越大导致漏电流和噪声越大，使得能量分辨率变差。为了获得较好的能量分辨，Si-PIN的有效面积不能太大。较大面积的Si-PIN探测器要求工作在低温和较长的成形时间条件下。在温差制冷-40℃条件下，250mm2Si-PIN测得55Fe能谱在5.9keV的能量分辨率好于200eV。
然而Si-PIN探测器需要避光测量，同时还需考虑到X射线源发出的X射线穿过一定的距离后到达探测器的衰减情况，另外Si-PIN探测器的输出电荷量十分微弱，为了提高信号的信噪比，获得较为理想的输出脉冲信号，就需要采用制冷器给Si-PIN探测器制冷，然而现有技术中并没有关于解决上述问题的相关探测器。
【发明内容】
针对上述问题，本发明提供一种采用半导体制冷，从而提高信号信噪比，获得理想输出脉冲信号的X射线硅pin探测器。
本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种半导体制冷的X射线硅pin探测器，包括：
陶瓷管座，其边缘部位均匀设有若干引脚；
设于陶瓷管座上的制冷器，其上封装有分别与引脚连接的Si-Pin探测器、JFET场效应管、反馈电容、测试电容、热敏电阻，所述Si-Pin探测器的探头内部充装有氦气，所述JFET场效应管具有源极、漏极、栅极，其中源极与漏极分别连接于引脚，栅极连接于Si-Pin探测器，所述反馈电容、测试电容分别连接于Si-Pin探测器；
罩设于陶瓷管座上方、用于对Si-Pin探测器进行避光的屏蔽罩；
正向偏置电荷灵敏前置放大器，其正极连接于Si-Pin探测器，负极接地，输出端与反馈电容连接后与电源输出端连接。
特别的，所述屏蔽罩为三层复合材料制作而成，由内至外分别为内镀铝层、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,以下简称PET)层、外镀铝层，所述内镀铝层与外镀铝层的厚度均为0.15um。
特别的，所述JFET场效应管、反馈电容应设于靠近Si-Pin探测器的位置。
特别的，所述JFET场效应管为裸晶圆。
特别的，所述制冷器为两级TEC制冷器。
特别的，所述反馈电容、测试电容均采用铜片制作而成。
特别的，所述反馈电容的电容值为0.045pF
相较于现有技术，本发明提供的半导体制冷的X射线硅pin探测器，具有以下有益效果：
1、屏蔽罩采用内镀铝层、PET层、外镀铝层三层复合而成，采用镀铝层膜进行避光，解决了现有技术中采用铍窗避光价格昂贵、窗体易碎等缺点；
2、Si-Pin探测器探头内部充装氦气，解决了传统抽真空系统漏气、窗体易碎、焊接复杂等问题，降低了生产成本；
3、采用两级TEC制冷器对Si-Pin探测器进行制冷，并将Si-Pin探测器、JFET场效应管、反馈电容、测试电容、热敏电阻一同封装在TEC制冷器上，以减小分布电容，提高了信号的信噪比；
4、正向偏置电荷灵敏前置放大器具有低噪声、低功耗、高分辨率的优点，可以将Si-PIN探测器输出的电荷信号转换为理想的电压信号，解决了Si-PIN探测器输出电荷信号微弱的问题。
【附图说明】
图1为本发明一种半导体制冷的X射线硅pin探测器的结构示意图；
图2为本发明一种半导体制冷的X射线硅pin探测器中屏蔽罩的结构示意图；
图3为本发明一种半导体制冷的X射线硅pin探测器的框图；
图4为本发明一种半导体制冷的X射线硅pin探测器的电路图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1-图2，本发明提供一种半导体制冷的X射线硅pin探测器，包括：
陶瓷管座1，其边缘部位均匀设有若干引脚2；
设于陶瓷管座1上的制冷器3，其上封装有分别与引脚2连接的Si-Pin探测器4、JFET场效应管5、反馈电容6、测试电容7、热敏电阻8，所述Si-Pin探测器4的探头内部充装有氦气，所述JFET场效应管5具有源极9、漏极10、栅极11，其中源极9与漏极10分别连接于引脚2，栅极11连接于Si-Pin探测器4，所述反馈电容6、测试电容7分别连接于Si-Pin探测器4；
罩设于陶瓷管座1上方、用于对Si-Pin探测器4进行避光的屏蔽罩12；
正向偏置电荷灵敏前置放大器13，其正极连接于Si-Pin探测器4的正极连接，负极接地，输出端与反馈电容6连接后与电源输出端连接。
特别的，所述屏蔽罩12为三层复合材料制作而成，由内至外分别为内镀铝层、PET层、外镀铝层，所述内镀铝层与外镀铝层的厚度均为0.15um；采用双面镀铝膜进行避光处理，表层与底层分别镀铝层，厚度均为0.15um；中间层采用PET衬底，屏蔽罩罩在陶瓷管座上以后，内部充一个大气压的氦气，达到气压平衡的效果。
特别的，为了提高本发明探测器的效果，所述JFET场效应管5、反馈电容6应设于靠近Si-Pin探测器4的位置，并同时制冷，以减小分布电容，获得较高的性噪比。
特别的，所述JFET场效应管5为裸晶圆，使JFET场效应管的栅极等效电容更低，而栅极等效电容越低，探测器输出信号的信噪比越高。
特别的，所述制冷器3为两级TEC制冷器，TEC制冷器具有体积小，制冷效果好等特点，故本发明选用TEC制冷器对Si-PIN进行制冷，使Si-PIN探测工作在低温条件下，降低噪声，提高Si-PIN探测器的能量分辨率。
特别的，所述反馈电容6、测试电容7均采用铜片制作而成，所述反馈电容6的电容值为0.045pF；在封装反馈电容6、测试电容7前，通过调节两者之间的具体，获得符合要求的电容值，调节好后，将其封装于陶瓷底座上，常规电容无法做到0.045pF的大小，而且温度系数大，稳定性较差，在Si-PIN探测器中，反馈电容越小，噪声越低，本发明采用铜片制作的电容稳定性优异，且容值可调节到很小。
工作过程：
探测器工作时，开启制冷器3(该制冷器内的制冷片为半导体制冷片，以下以半导体制冷片代替制冷器3进行解释说明)的驱动电源，从而使制冷器3的内的半导体制冷片的冷端温度降低并保持到恒定的设定低温。由于Si-Pin探测器4内的晶元、电荷灵敏前置放大器13的第一级JFET场效应管5、反馈电容6、测试电容7都贴装在半导体制冷片的冷端，因此上述器件都工作在低温状态，故自身的电子学噪声极低，且整体密封在金属接地的屏蔽罩12内，又能保证外界的电磁干扰不会进入到对噪声极其敏感的电荷灵敏放大器的第一级JFET场效应管5，也就保证了整个探测器不仅自身噪声低，还不被外界噪声干扰，获得了优异的系统低噪声性能。当需要探测的对象---X射线，穿透屏蔽罩12进入到探测器内部，其能量将沉积在Si-Pin探测器的晶元内部，产生与该X射线能量成比例的电子空穴对，X射线能量越高，产生的电子空穴对数目越多；由于偏置电压通过电阻Rb施加在Si-Pin探测器的晶元的阴极，故在Si-Pin探测器的晶元的阴极与阳极之间形成了内部电场，上述X射线在Si-Pin探测器的晶元内部形成的电子空穴对将在内部电场作用下漂移形成探测器的信号电流；该信号电流全部流经反馈电容6，从而形成了信号电压，并由电荷灵敏前置放大器13的输出端输出给后级电路使用。显然X射线能量越高，电离产生的电子空穴对越多，形成的信号电流越大，电荷灵敏前置放大器13的输出电压幅值越大，因此只要连接上后级的多道脉冲幅度分析器就可以准确测量得到X射线的能量值。
为了准确测定电荷灵敏前置放大器13的噪声，因此将测试信号施加在测试电容7的一端通过测试电荷灵敏前置放大器13对测试信号的放大情况可分析电荷灵敏放大器的噪声。
请参阅图3，图3为本发明的结构框图，通过外围电路给制冷器的冷片供电以获得理想的低温工作条件；Si-PIN探测器接收到X射线后输出的电荷信号通过正向偏置电荷灵敏放大器放大后获得理想的核脉冲信号。
本发明的电路图如图4，其中本发明设计的正向偏置电荷灵敏前置放大器用以配合Si-PIN探测器，图4中Detector为Si-PIN探测器，Cf为反馈电容，电容值为0.045pF，Ct为测试电容采用铜片制作而成，电容值为0.1pF。传统电荷灵敏放大器的第一级JFET场效应管都工作于反向偏置或者接近零偏置状态，故JFET的栅极与源极之间的漏电流较小无法满足提供探测器直流漏电流的泄放要求，且JFET在反向偏置与零偏置状态下，JFET的跨导并不能达到最大。本发明中的JFET场效应管5则工作在正向偏置状态，因此JFET的栅极11与源极9之间的漏电流较大且是可控的，因此能够满足对探测器直流漏电流的泄放作用，并且跨导更大，具有更好的放大能力。在静态时由于外接偏置电压通过Rb电阻施加在探测器的阴极，故探测器的阴极与阳极之间存在微弱的漏电流；为了提高信噪比，通常选择将探测器与电荷灵敏放大器直接耦合，但是直接耦合情况下，探测器的微弱漏电流将通过反馈电容产生一个固定的输出影响电荷灵敏放大器输出信号的动态范围，因此必须提供一个合适的探测器漏电流泄放通道，本发明巧妙利用JFET工作在正向偏置时栅极11与源极9之间存在的较大漏电流来达到泄放探测器漏电流的目的，当JFET的栅源漏电流与探测器漏电流相等时，刚好达到泄放的目的。本发明可通过合理的调节电荷灵敏前置放大器13的静态工作点，使得探测器的漏电流完全被补偿。当探测器接收到X射线产生信号电流时，由于信号电流属于脉冲电流其频率远高于JFET栅源漏电流的反应时间，因此此时JFET的栅源不会对信号电流有反应，从而保证信号电流全部通过反馈电容流出，从而实现了信号电流转换为信号电压，得到了正确的放大结果。图4中JFET场效应管工作在微弱正向偏置状态，即Vgs小于0.7V，此时栅极与源极之间存在有微弱的栅极导通电流Ig，Ig的大小与Vgs具有一定线性的关系，需实际测试，通常是Vgs越大，Ig越大。需根据实际探测器的漏电流大小确定Ig的大小，从而在Ig与Vgs曲线中找到Vgs的值。事先还需要测量正向Vgs下，Vds，Ids的大小，通常是设定Vds为4V，此时可测量出在设定Vgs下对应的Ids的值。那么根据探测器的漏电流就可求出Vgs，Vds，Ids。根据Vds，Ids可求出CSA的静态工作点。
正向偏置电荷灵敏前置放大器13如此设置，具有以下优点：1.省去了常规电阻连续放电型电荷灵敏放大器中的放电电阻，因此消除了放电电阻带来的电流噪声，提高了信噪比；2.栅源极正向偏压的微弱改变可带来栅极漏电流的较大变化，因此可以适应多种较大动态范围漏电流的探测器，并且栅源极的正向偏压会自动调节，从而适应不同探测器漏电流的变化。
应当理解的是，于本领域的技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种半导体制冷的X射线硅pin探测器，其特征在于，包括：
陶瓷管座(1)，其边缘部位均匀设有若干引脚(2)；
设于陶瓷管座(1)上的制冷器(3)，其上封装有分别与引脚(2)连接的Si-Pin探测器(4)、JFET场效应管(5)、反馈电容(6)、测试电容(7)、热敏电阻(8)，所述Si-Pin探测器(4)的探头内部充装有氦气，所述JFET场效应管(5)具有源极(9)、漏极(10)、栅极(11)，其中源极(9)与漏极(10)分别连接于引脚(2)，栅极(11)连接于Si-Pin探测器(4)，所述反馈电容(6)、测试电容(7)分别连接于Si-Pin探测器(4)；
罩设于陶瓷管座(1)上方、用于对Si-Pin探测器(4)进行避光的屏蔽罩(12)；所述屏蔽罩(12)为三层复合材料制作而成，由内至外分别为内镀铝层、PET层、外镀铝层，所述内镀铝层与外镀铝层的厚度均为0.15um；
正向偏置电荷灵敏前置放大器(13)，其正极连接于Si-Pin探测器(4)的正极连接，负极接地，输出端与反馈电容(6)连接后与电源输出端连接；所述JFET场效应管(5)、反馈电容(6)应设于靠近Si-Pin探测器(4)的位置；
所述制冷器(3)为两级TEC制冷器；
所述JFET场效应管(5)为裸晶圆；
所述JFET场效应管( 5) 工作在正向偏置状态。
2.根据权利要求1所述的一种半导体制冷的X射线硅pin探测器，其特征在于，所述反馈电容(6)、测试电容(7)均采用铜片制作而成。
3.根据权利要求1所述的一种半导体制冷的X射线硅pin探测器，其特征在于，所述反馈电容(6)的电容值为0.045pF。
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