CN116859440A - 一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能量‑空间耦合测量的核辐射探测器及其探测方法；解决传统半导体探测器获取高能粒子位置信息困难的问题以及闪烁体探测器成像精度与探测效率的矛盾；探测器包括供电单元、半导体辐射探测单元以及设置在半导体辐射探测单元上表面的有机发光成像单元；半导体辐射探测单元的一端与供电单元的负极连接，另一端与有机发光成像单元的输入端连接，有机发光成像单元的输出端与供电单元的正极连接；半导体辐射探测单元用于沉积辐射能量，将其转换为带电的载流子，产生电信号，并测量辐射射线的能量信息，有机发光成像单元用于收集半导体辐射探测单元产生的载流子并进行复合发光，记录辐射射线的空间信息；本发明还提出探测器的探测方法。
Description
技术领域
本发明属于辐射探测领域，具体涉及一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器及其探测方法。
背景技术
对高能射线粒子的探测是拓展人类认识世界方式的重要手段，同时也是现代工业和科技发展的重要工具。随着核科学与技术的发展，对于高能射线的多维度测量需求越来越多，精度要求也越来越严苛。辐射场中高能射线粒子的能量信息和空间信息是两大重要特征之一，对于这两种信息的联合测量可以提供更加丰富的辐射场诊断结果，在核安全、核检测、核科学等领域有着重要的应用场景。
目前，半导体探测器由于其高的探测效率和能量分辨能力，在核辐射探测各个领域中均得到了广泛应用。经过长期发展，碲锌镉作为一种三元化合物半导体材料，在核辐射探测领域表现出了卓越的性能，其平均原子序数高，密度大，载流子的迁移率达到约1000cm2/(Vs)，表现出优异的探测效率以及时间响应特性。目前基于碲锌镉等半导体材料的探测器，可以实现非常高的能量分辨率，但是在进行粒子的空间位置探测时，需要制备多像素的电极，并配合复杂的后端读出系统，且空间分辨率严重受像素尺寸和读出系统限制。
另一方面，闪烁体作为传统的核辐射探测器也具有诸多的优势。尤其在成像方面，可以通过后端的相机直接拍照的方式采集图像，简化了数据读出的复杂度。然而闪烁体的发光与载流子定向输运不同，属于各向同性的发散过程。在较厚的闪烁体中无法准确的体现原始的位置信息，存在探测效率与位置精度的矛盾。再者，闪烁体的平均电离能较大，相较于半导体，整体的探测效率和能量分辨能力存在先天劣势。与此同时，闪烁体进行能量分辨测量时，严重依赖后端光电倍增管系统的增益稳定性，不利于复杂环境下的高能射线探测。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统半导体探测器获取高能粒子位置信息困难的问题，以及闪烁体探测器成像精度与探测效率的矛盾，设计了基于半导体探测器和有机发光二极管级串联结构的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器及其探测方法，可以同时进行辐射能量测量与空间位置分辨。
本发明的设计思路为：
随着电致发光二极管技术的发展，尤其是近些年来有机发光二极管的大规模应用，使得辐射探测电信号输出与光信号输出的接连耦合成为可能。有机发光二极管的发光机理与闪烁体类似，电子-空穴对在发光材料中复合，并将多余能量以光子的形式释放出来。相对于传统的无机发光二极管，有机发光二极管的制备流程更加简单，且器件厚度很小，一般在150nm左右。同时，有机材料与无机材料的结合更加容易，减少了异质结中表面态对整体器件性能的干扰。而有机发光二极管的电子-空穴来源于电路中提供的电流，这正是半导体探测器信号的输出方式。于是，将二者进行级联结合，就可以合理利用双方的优势，进行能量与空间的耦合测量。
采用半导体材料进行高能射线的能量沉积，并形成载流子，在电场作用下定向漂移形成电流信号，输运到有机发光二极管结构中进行发光成像，就可以同时得到高能带电粒子的能量信息和在空间中的位置信息。
为了完成上述构思，本发明的技术方案为：
一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特殊之处在于：
包括供电单元、半导体辐射探测单元以及设置在半导体辐射探测单元上表面的有机发光成像单元；
所述半导体辐射探测单元的一端与供电单元的负极连接，另一端与有机发光成像单元的输入端连接，有机发光成像单元的输出端与供电单元的正极连接；
所述半导体辐射探测单元用于沉积辐射能量，将其转换为带电的载流子，产生电信号，并测量辐射射线的能量信息，有机发光成像单元用于收集半导体辐射探测单元产生的载流子并进行复合发光，记录辐射射线的空间信息。
进一步地，所述有机发光成像单元包括从下至上依次设置的电子注入层、电子传输层、有源发光层、空穴传输层、空穴注入层和顶电极；
所述电子注入层设置在半导体辐射探测单元的上表面，且两者电连接；
所述顶电极与供电单元的正极连接。
进一步地，所述电子注入层采用Ag/LiF制备；所述电子传输层采用Liq制备；所述发光层采用Alq3制备；所述空穴传输层采用NBP制备；所述空穴注入层采用Cupc制备；所述顶电极为可透光的ITO导电层。
进一步地，所述有机发光成像单元的总厚度为100-180nm。
进一步地，所述半导体辐射探测单元为无机半导体辐射探测单元。
进一步地，所述无机半导体辐射探测单元包括金属底电极和设置在金属底电极上表面的碲锌镉单晶体，金属底电极与碲锌镉单晶体为欧姆接触；
所述金属底电极与供电单元的负极连接，碲锌镉单晶体与电子注入层电连接。
进一步地，所述碲锌镉单晶体的厚度为1-2mm。
进一步地，所述金属底电极为Au电极。
本发明还提出一种上述一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器的探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：打开能量-空间耦合测量的核辐射探测器的供电单元；
步骤2：高能射线进入半导体辐射探测单元，半导体辐射探测单元吸收辐射能量，将辐射射线转换为数量与射线能量相对应的载流子，并在电场作用下进行定向漂移，并形成包含能量信息的电信号；
步骤3：步骤2中产生的载流子定向漂移至有机发光成像单元后，进行复合并发光，形成包含射线位置轨迹信息的光信号出射；
步骤4：收集并记录步骤2中输出的电信号，同时收集并记录步骤3中的光信号，并基于记录的电信号与光信号，获得高能射线的能量信息与空间位置信息。
本发明的有益效果：
1、本发明中，使用半导体辐射探测单元作为探测器的能量沉积与载流子输运部分，使用有机发光成像单元作为载流子复合发光部分，通过两个单元的相互配合，形成了独特的辐射信号-电信号-光信号的转化探测过程，可以实现同时测量外电路中的电流信号和经过探测器后出射的发光信号，实现在同一个探测器中，同时对射线能量强度以及空间位置进行探测的需求。
2、本发明中提出的有机发光成像单元，具有高的内量子效率，有机发光成像单元整体厚度在150nm左右，在保证使半导体辐射探测单元输运的载流子在对应位置充分复合发光外，相对于传统较厚的闪烁体，可以有效减少由于光在半导体辐射探测单元中发散而引起的空间分辨率降低。
3、本发明中，采用碲锌镉单晶体对高能射线的能量进行沉积，其平均电离能约5eV，远小于绝大多数闪烁体，可以高效地将辐射信号转化为电流信号，并且其载流子的迁移率可以达到1000cm2/(Vs)，载流子收集效率高，能量分辨率好。
4、本发明中使用的碲锌镉单晶体中由于射线注入的载流子的扩散程度较小，且在电场下输运具有高度的定向性，所以可以有效地保留其作用的位置信息并输出到有机发光成像单元。
5、本发明中，电子注入层采用具有较高LUMO(最低未占有分子轨道)的Ag/LiF材料制备，可以提高电子的注入效率，电子传输层采用的Liq制备，具有高电子迁移率，发光层采用荧光材料Alq3制备，可以提高探测器整体的时间响应特性，空穴传输层使用有机材料NBP制备，空穴迁移率高，空穴注入层采用具有较低HOMO(最高占据分子轨道)的Cupc以提高空穴的注入效率。
6、本发明中，采用无机半导体辐射探测单元的优点在于：其相对于有机材料具有更高的载流子输运性能；空穴和电子在无机材料中的迁移率都远大于有机材料中；并且无机材料在辐照下的稳定性更高，具有更高的辐照损伤阈值，有利于在大剂量或者长时间的辐射场中使用。
附图说明
图1为本发明一种能量-空间耦合测量核辐射探测器实施例的原理示意图；
图2为本发明一种能量-空间耦合测量核辐射探测器的结构简图；
图中，1、底电极；2、碲锌镉单晶体；3、电子注入层；4、电子传输层；5、有源发光层；6、空穴传输层；7、空穴注入层；8、顶电极。
具体实施方式
本文中提到的“上、下”以图2的视角进行描述。
本发明提出一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，如图2所示，包括供电单元、由半导体材料组成的用于能量沉积与载流子输运的半导体辐射探测单元，由有机发光二极管器件组成的用于发光成像的有机发光成像单元。
在本实施例中，半导体辐射探测单元为无机半导体辐射探测单元。
如图1所示，无机半导体辐射探测单元用于沉积辐射能量，将其转换为带电的载流子，产生电信号，测量辐射的能量信息；有机发光成像单元用于收集无机半导体辐射探测单元产生的载流子并进行复合发光，记录射线的空间信息。
本发明提出的探测器可以将核辐射能量在半导体中转换为电信号，并进一步在有机发光成像单元中转换为光信号，对探测器的电信号和光信号进行采集，可以实现在一个器件中对核辐射能量与空间信息的同时测量。
在本实施例中，无机半导体辐射探测单元采用碲锌镉探测器件，碲锌镉探测器件结构包括在其一侧的厚度为80nm的金属底电极1以及厚度为1mm的碲锌镉单晶体2，在本实施例中，金属底电极1为Au(金)电极，碲锌镉单晶体2面积为10×10mm2，Au(金)电极1面积为9×9mm2。
有机发光成像单元包括电子注入层3、电子传输层4、有源发光层5、空穴传输层6、空穴注入层7和顶电极8。
在本实施中，电子注入层3采用具有较高LUMO的Ag/LiF材料制备，用来提高电子的注入效率，厚度为2nm，电子传输层4采用高电子迁移率的Liq制备，厚度为60nm，发光层5采用荧光材料Alq3制备，厚度为25nm，可以提高探测器整体的时间响应特性，空穴传输层6使用空穴迁移率高的有机材料NBP制备，厚度为15nm，空穴注入层7采用具有较低HOMO的Cupc制备，以提高空穴的注入效率，厚度为10nm，顶电极8使用可透光的ITO导电层，厚度为30nm，综上，有机发光成像单元总厚度为142nm，面积为9×9mm2。
碲锌镉单晶体2设置在金属底电极1的上表面，且两者欧姆连接，电子注入层3、电子传输层4、有源发光层5、空穴传输层6、空穴注入层7和顶电极8从下往上通过蒸镀的方式，依次将上述各层制备在碲锌镉单晶体2上表面，形成叠层结构，即本发明中，无机半导体辐射探测单元与有机发光成像单元结合组成叠层结构，无机半导体辐射探测单元的阳极与有机发光成像单元的电子注入层接触。
基于上述结构，本发明还提出一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器的探测方法，包括以下步骤：
步骤1：启动一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器的供电单元，向无机半导体辐射探测单元和有机发光成像单元供电，在底电极1和顶电极8之间形成电场；
步骤2：高核能射线入射到半导体辐射探测单元的碲锌镉单晶体2，碲锌镉单晶体2吸收辐射能量，将辐射射线转换为数量与射线能量相对应的载流子，并在电场作用下进行从碲锌镉单晶体2向电子注入层3的定向漂移，并形成包含能量信息的电信号；
步骤3：步骤2中产生的载流子定向漂移至电子注入层3后，在有机发光成像单元内复合并发光，形成包含射线位置轨迹信息的光信号出射；
步骤4：收集并记录步骤2中输出的电信号，同时使用相机收集并记录步骤3中的光信号，并基于记录的电信号与光信号，获得高能射线的能量信息与空间位置信息。
Claims (9)
1.一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特征在于：
包括供电单元、半导体辐射探测单元以及设置在半导体辐射探测单元上表面的有机发光成像单元；
所述半导体辐射探测单元的一端与供电单元的负极连接，另一端与有机发光成像单元的输入端连接，有机发光成像单元的输出端与供电单元的正极连接；
所述半导体辐射探测单元用于沉积辐射能量，将其转换为带电的载流子，产生电信号，并测量辐射射线的能量信息，有机发光成像单元用于收集半导体辐射探测单元产生的载流子并进行复合发光，记录辐射射线的空间信息。
2.根据权利要求1所述的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特征在于：
所述有机发光成像单元包括从下至上依次设置的电子注入层(3)、电子传输层(4)、有源发光层(5)、空穴传输层(6)、空穴注入层(7)和顶电极(8)；
所述电子注入层(3)设置在半导体辐射探测单元的上表面，且两者电连接；
所述顶电极(8)与供电单元的正极连接。
3.根据权利要求2所述的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特征在于：
所述电子注入层(3)采用Ag/LiF制备；所述电子传输层(4)采用Liq制备；所述发光层采用Alq3制备；所述空穴传输层(6)采用NBP制备；所述空穴注入层(7)采用Cupc制备；所述顶电极(8)为可透光的ITO导电层。
4.根据权利要求3所述的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特征在于：
所述有机发光成像单元的总厚度为100-180nm。
5.根据权利要求2-4任一所述的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特征在于：
所述半导体辐射探测单元为无机半导体辐射探测单元。
6.根据权利要求5所述的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特征在于：
所述无机半导体辐射探测单元包括金属底电极(1)和设置在金属底电极(1)上表面的碲锌镉单晶体(2)，金属底电极(1)与碲锌镉单晶体(2)为欧姆接触；
所述金属底电极(1)与供电单元的负极连接，碲锌镉单晶体(2)与电子注入层(3)电连接。
7.根据权利要求6所述的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特征在于：所述碲锌镉单晶体(2)的厚度为1-2mm。
8.根据权利要求7所述的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器，其特征在于：
所述金属底电极(1)为Au电极。
9.一种权利要求1-8任一所述的一种能量-空间耦合测量的核辐射探测器的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：打开能量-空间耦合测量的核辐射探测器的供电单元；
步骤2：高能射线进入半导体辐射探测单元，半导体辐射探测单元吸收辐射能量，将辐射射线转换为数量与射线能量相对应的载流子，并在电场作用下进行定向漂移，并形成包含能量信息的电信号；
步骤3：步骤2中产生的载流子定向漂移至有机发光成像单元后，进行复合并发光，形成包含射线位置轨迹信息的光信号出射；
步骤4：收集并记录步骤2中输出的电信号，同时收集并记录步骤3中的光信号，并基于记录的电信号与光信号，获得高能射线的能量信息与空间位置信息。
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