CN116755135A

CN116755135A - 一种放射性测量传感器

Info

Publication number: CN116755135A
Application number: CN202310734924.3A
Authority: CN
Inventors: 丁美丁; 覃章健; 赵晨峰; 邓道学; 牟艳
Original assignee: Lingyi Core Technology Chengdu Co ltd; Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Lingyi Core Technology Chengdu Co ltd; Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2023-06-20
Filing date: 2023-06-20
Publication date: 2023-09-15

Abstract

本发明公开了一种放射性测量传感器，属于放射性定量测量技术领域，解决现有技术中放射性测量元件能量分辨率较差、占用体积较大的问题，其包括：硅衬底层；雪崩光电二极管，位于所述硅衬底层上；离子激发器，环形阵列置于所述雪崩光电二极管上；所述离子激发器包括：电荷层，嵌入所述雪崩光电二极管上；第一电极层，位于所述电荷层上；CsI晶体透镜层，位于第一电极层上；微孔，剖设在第一电极层的中央；所述CsI晶体透镜层上、且远离雪崩光电二极管的一侧设置一球形凸起；所述CsI晶体透镜层汇集射线并在所述微孔内进行气体电离；第二电极层，位于硅衬底层的底部。通过上述方案，本发明具有结构简单、测量准确可靠等优点。

Description

一种放射性测量传感器

技术领域

本发明涉及放射性定量测量技术领域，尤其是一种放射性测量传感器。

背景技术

放射性测量包括定量测量和定位测量，其中，定量测量是指测量放射性活性、能量和半衰期等等；另外，定位测量是把样品中的放射性形象地显示出来。本文的放射性测量属于定量测量。目前，现有技术中的放射性定量测量的原理主要包括电离效应、荧光效应、感光效应和契伦柯夫效应。电离效应是指射线穿过气体时，气体分子、原子在电场作用下被电离产生一对离子（电子和正离子），而这些离子聚集于二极所产生的电信号时可测量的。荧光效应是指射线投射到某些特殊物质被吸收时，其一部分能量以紫外线或者可见光再放射出来的现象。感光效应是指射线作用于乳胶感光而产生潜影的现象。契伦柯夫效应是指高速的带电粒子通过物质时，可以出现发光（可见的紫外线）现象。

目前，现有技术中的放射性测量多采用NaI探头，例如在“专利公开号为：CN218956815U、名称为：一种移动式放射性惰性气体监测装置”的中国发明，再如“专利公开号为：CN116088025A、名称为：一种海洋放射性自适应探测系统与方法”的中国发明专利。NaI(TI)光产额大，PMT（光电倍增管）放大增益高，并且价格较低；因此，NaI探头在能谱测量领域倍受青睐。但是，NaI(TI)匹配PMT（光电倍增管）作为探头，其能量分辨率较差，并且占用体积较大。

因此，急需要提出一种结构简单、测量准确可靠的放射性测量传感器。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种放射性测量传感器，本发明采用的技术方案如下：

一种放射性测量传感器，其包括：

硅衬底层；

雪崩光电二极管，位于所述硅衬底层上；

离子激发器，环形阵列置于所述雪崩光电二极管上；所述离子激发器包括：电荷层，嵌入所述雪崩光电二极管上；第一电极层，位于所述电荷层上；CsI晶体透镜层，位于第一电极层上；微孔，剖设在第一电极层的中央；所述CsI晶体透镜层上、且远离雪崩光电二极管的一侧设置一球形凸起；所述CsI晶体透镜层汇集射线并在所述微孔内进行气体电离；

第二电极层，位于硅衬底层的底部。

进一步地，所述硅衬底层上设置一绝缘材质的埋氧化层；所述埋氧化层包裹离子激发器的下部和雪崩光电二极管。

进一步地，所述埋氧化层内嵌设一电容器；所述电容器与第一电极层和第二电极层连接。

进一步地，所述雪崩光电二极管包括：

N型硅层，设置在硅衬底层上；

P型硅层，集成在N型硅层上；

锗吸收层，集成在P型硅层上；

硅倍增层，集成在锗吸收层与电荷层之间。

进一步地，所述微孔内设置有一电子吸收层；所述电子吸收层的外侧集成在第一电极层上。

进一步地，所述CsI晶体透镜层的侧边下部集成有一放射性屏蔽层。

进一步地，所述放射性屏蔽层延伸至电荷层的下部。

进一步地，所述电容器包括：

一对极板层，一一对应与第一电极层和第二电极层连接；

电介质层，置于一对所述极板层之间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用CsI晶体透镜层获取最大的光采集效率，由于CsI的平均原子序数和密度均高于NaI，其对伽玛射线的吸收更大，其获得电离的能量更多，电离激发的离子也就更多。本发明采用CsI晶体和雪崩光电二极管的匹配组合，其探测效率更高，能量分辨率更好。

（2）本发明采用CsI晶体和雪崩光电二极管的组合匹配，相对于NaI(TI)匹配PMT（光电倍增管）的探头的体积更小。

（3）本发明设置球形凸起，并将射线汇集在微孔内，以实现气体电离，其能量聚集，进一步提高了能量分辨率。

（4）本发明通过设置雪崩光电二极管，与光电倍增管相比，其量子效率在五倍以上，并且能耗低，体积小，内置增益通常在100左右；雪崩光电二极管的信噪比高，能谱分辨率高，输出信号较大，便于精准测量。

（5）本发明通过环形阵列设置离子激发器，其覆盖面积大；在电离离子时，其优于等外形尺寸的单个整体离子激发器，即数个离子激发器的有效电离面积大于单个整体离子激发器的电离有效面积。本发明通过设置分布式的数个微孔，增加有效的电离接触面积，在CsI晶体透镜层的汇集作用下，使得微孔内更容易产生电离，便于产生雪崩增益，以提高灵敏度。

综上所述，本发明具有结构简单、测量准确可靠等优点，在放射性定量测量技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的内部结构示意图。

图2为本发明的剖面示意图。

图3为图2中A的放大示意图。

图4为本发明的射线传输路线示意图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

100、硅衬底层；200、埋氧化层；300、电容器；400、离子激发器；110、N型硅层；120、P型硅层；130、锗吸收层；140、硅倍增层；150、电荷层；160、第一电极层；170、CsI晶体透镜层；180、电子吸收层；190、放射性屏蔽层；310、极板层；320、电介质层；A、离子激发器所在区域。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

本实施例中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

本实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一目标对象和第二目标对象等是用于区别不同的目标对象，而不是用于描述目标对象的特定顺序。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个处理单元是指两个或两个以上的处理单元；多个系统是指两个或两个以上的系统。

如图1至图4所示，本实施例提供了一种放射性测量传感器，其采用CsI晶体和雪崩光电二极管的组合匹配，在缩小体积的同时，也能提高灵敏度。在本实施例的雪崩光电二极管采用拉通型。具体来说，本实施例的放射性测量传感器主要包括：第二电极层、硅衬底层100、雪崩光电二极管、离子激发器400、埋氧化层200和电容器300。埋氧化层200包裹离子激发器400的下部和雪崩光电二极管。雪崩光电二极管与第二电极层电气连接。其中，离子激发器400在获取射线后，在微孔进行电子和正离子电离，正离子被雪崩光电二极管吸收，并产生雪崩增益，并最终传递给电容器300。本实施例中，该电容器300作为正负电子存储设备，并外接引脚，以获得测量的数据。

在本实施例中，该雪崩光电二极管设置在硅衬底层100上。并且其从下至上依次为N型硅层110、P型硅层120、锗吸收层130和硅倍增层140。电荷层150接收被电离的正离子，再利用硅倍增层140进行倍增放大，在利用锗吸收层130进行吸收。其中，雪崩光电二极管的雪崩增益属于该类二极管的公知原理，在此就不再赘述。

在本实施例中，该离子激发器400环形阵列置于雪崩光电二极管上。本实施例若单独设置一个等外形大小的整体式的离子激发器，其汇聚射线的等效面积较小；那么，采用数个离子激发器400，并对应设置多个微孔，再利用电荷层150进行汇聚，其等效面积大于整体式的离子激发器，即整体式的离子激发器汇聚射线在其中央，并且微孔过大时，电离能量较为分散，灵敏性较低。

在本实施例中，该离子激发器400包括嵌入硅倍增层140上的电荷层150，位于所述电荷层150上的第一电极层160，位于第一电极层160上的CsI晶体透镜层170，剖设在第一电极层160的中央的微孔，设置在微孔内、并集成在第一电极层160上的电子吸收层180，以及集成在CsI晶体透镜层170的侧边下部的放射性屏蔽层190。该放射性屏蔽层190可以延伸至电荷层150的下部，对第一电极层160、电荷层150、CsI晶体透镜层170的侧壁入射的射线进行屏蔽，该方向入射的射线不会被汇聚在微孔内，其无法产生电离。在本实施例中，在第一电极层160、电子吸收层180的底部与电荷层150之间采用绝缘隔离，其可以采用绝缘材料的埋氧化层200填充。

在本实施例中，为了实现射线汇聚，并传递至微孔内，在CsI晶体透镜层170上、且远离雪崩光电二极管的一侧设置一球形凸起。本实施例利用CsI晶体透镜层170汇集射线并在微孔内进行气体电离。

在本实施例中，为了实现正负电子存储，该电容器300嵌设在埋氧化层200，并且该埋氧化层200采用绝缘材料。该电容器300包括一对极板层310和一层电介质层320，极板层310分别与第一电极层160和第二电极层连接，并且电介质层320置于极板层310之间。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种放射性测量传感器，其特征在于，包括：

硅衬底层（100）；

雪崩光电二极管，位于所述硅衬底层（100）上；

离子激发器（400），环形阵列置于所述雪崩光电二极管上；所述离子激发器（400）包括：电荷层（150），嵌入所述雪崩光电二极管上；第一电极层（160），位于所述电荷层（150）上；CsI晶体透镜层（170），位于第一电极层上；微孔，剖设在第一电极层（160）的中央；所述CsI晶体透镜层（170）上、且远离雪崩光电二极管的一侧设置一球形凸起；所述CsI晶体透镜层（170）汇集射线并在所述微孔内进行气体电离；

第二电极层，位于硅衬底层（100）的底部。

2.根据权利要求1所述的一种放射性测量传感器，其特征在于，所述硅衬底层（100）上设置一绝缘材质的埋氧化层（200）；所述埋氧化层（200）包裹离子激发器（400）的下部和雪崩光电二极管。

3.根据权利要求2所述的一种放射性测量传感器，其特征在于，所述埋氧化层（200）内嵌设一电容器（300）；所述电容器（300）与第一电极层（160）和第二电极层连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种放射性测量传感器，其特征在于，所述雪崩光电二极管包括：

N型硅层（110），设置在硅衬底层（100）上；

P型硅层（120），集成在N型硅层（110）上；

锗吸收层（130），集成在P型硅层（120）上；

硅倍增层（140），集成在锗吸收层（130）与电荷层（150）之间。

5.根据权利要求1所述的一种放射性测量传感器，其特征在于，所述微孔内设置有一电子吸收层（180）；所述电子吸收层（180）的外侧集成在第一电极层（160）上。

6.根据权利要求1所述的一种放射性测量传感器，其特征在于，所述CsI晶体透镜层（170）的侧边下部集成有一放射性屏蔽层（190）。

7.根据权利要求1所述的一种放射性测量传感器，其特征在于，所述放射性屏蔽层（190）延伸至电荷层（150）的下部。

8.根据权利要求3所述的一种放射性测量传感器，其特征在于，所述电容器（300）包括：

一对极板层（310），一一对应与第一电极层（160）和第二电极层连接；

电介质层（320），置于一对所述极板层（310）之间。