硅微条探测器孟祥承(中国科学院高能物理研究所,北京100039)摘要:硅微条探测器的位置分辨率可好于Ρ=1.4Λm,这是任何气体探测器和闪烁探测器很难作到的。主要介绍硅微条探测器的特点、结构、工作原理及其在近年来的发展和在高能物理、核医学等领域应用概况。关键词:硅微条探测器;p2n结;耗尽层;死层;像素探测器;硅片探测器;电荷耦合探测器;硅漂移室:文献标识码::025820934(2003)0120004215TL814A用它作为顶点探测器,西欧中心正研制的LHC对撞机上的ATLAS和CMS实验中将采用它作为探测粒子径迹的径迹室(tracker)。在核医学领域的CT和其它数字化图像方面的应用研究,也有了很多新的进展。这主要是因为硅微条探测器及一些相关的半导体探测器具备以下优点:1)非常好的位置分辨率这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应用的各种探测器中最高的,引言0无论是在高能物理、核物理还是在天体物理、宇宙线物理领域,物理学家们每个新的物理思想,都必须经过实验来验证其对否。一个好的实验必须有好的实验方法和好的实验(探测)技术。随着各种物理学科的发展,不断向实验(探测)技术提出高的要求。每一个实验(探测)技术的创新,也可以带动物理及相关科学领域的发展。随着高能物理事业不断的发展,各种探测器技术都在不断地发展。气体探测器从早期的多丝正比室(MWPC)、漂移室(DC),到目前研制出了新的微条气体正比室(MSGC)、微间隙气体探测器(MGC)、微网结构的气体探测器(Micromeshgaseousstructurechamber)、气体电子倍增器(GEM)等等。与此同时,半导体探测器也有很大的发展,而且已经广泛应用到高能物理天体物理、核医学等各方面。其中,硅微条探测器SMD(SiliconMicrostripDetector)的发展和应用是非常突出的一个。近十几年来,世界各大高能物理实验室几乎都采目前可做到Ρ=4Λm。主要因为固体的密度1.比气体大100倍左右,带电粒子穿过探测器,产生的电子2空穴对(e2h)的密度非常高,大约为110e2hƒΛm。另外由于现代半导体技术工艺,光刻技术及高集成度低噪声读出电子学的飞速发展,每个读出条可对应一路读出电子学,更有利于空间分辨率的提高。2)很高的能量分辨率半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级,比闪烁计数器高得更多。这是因为在硅半导体中电离产生一对电子2空穴对(e2h)只需要3eV左右的能量,而气体中产生一对离子对所需能量大约为30eV,塑料闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为300eV。带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高,在硅晶体中,能量损失大约为收稿日期:2002208225作者简介:孟祥承(19442),男,内蒙人,中国科学院高能物理研究所高级工程师,从事探测技术研究和粒子物理实验。4导体探测器的制作中,还是采用p+2n2n+形式结构比较多。其它形式也有,但不多。图2～5从不同的角度展示了硅微条探测器的结构。从这些硅微条探测器结构图中,可以进一步看到p+2n2n+的结构形式2。图2从探测器横截面上看,主要分这样几个部分:1)探测器表面:有薄铝条,SiO2隔离条,铝条下边是重掺p+条。体中产生的电子2空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上。这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多,所以它的能量分辨率很高。3)很宽的线性范围由于在一定能量范围内,半导体的平均电离能与入射粒子的基本能量无关,故半导体探测器具有很好的线性,很宽的线性范围。4)非常快的响应时间在半导体探测器中,由于半导体的密度大,电子和空穴的迁移率很高,分别为:Λe=1450cm2ƒV·s和Λh=450cm2ƒV·s。另外由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄,它的电荷在很小的区域里收集,响应时间非常快,一般可达到5ns左右。因此,可以实现高计数率,可超过108ƒcm2·s。5)体积可做得很小由于硅半导体密度大,有一定的刚度,它可2)中间部分:是厚度大约为300Λm的高阻n型硅基,作为探测器的灵敏区。3)底部:是n型硅掺入砷(As)形成重掺杂n+层和铝薄膜组成的探测器的背衬电极。左右,当带电粒子穿过时,大约可产生300Λm3.2×104电子2空穴对。有的还可做得更薄,整个探测器可以作得很小。硅微条探测器的缺点是:对辐射损伤比较灵敏,如果受到强辐射其性能将变差。但各国科学家就此问题从技术上正在进行不断地改进提高。...