溴化铊探测器的制备研究和测试

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DOI：10.16660/ki.1674-098X.2016.07.061

摘 要：溴化铊（TlBr）晶体是制备室温γ射线及x射线探测器的优良材料，晶体平均原子序数高，对射线的阻止本领强；禁带宽度大，电阻率高，漏电流较小。因而，近年来倍受人们的关注，已成为目前研究的前沿热点之一。为此，该文对TlBr核辐射探测器制备和测试进行了研究。

关键词：漏电流 能量分辨率 溴化铊

中图分类号：TL816 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0061-02

TlBr探测器是一种新型的室温半导体核辐射探测器，具有阻止本领高、禁带宽、高电阻率、高密度等特点，是目前理想的中高能χ，γ射线探测器用的一种半导体材料。经过近几年的研究，得到了较高的发展，探测器的性能达到了较好的水平。TlBr室温辐射探测器被认为是下一代广泛应用于天文物理学、高能物理学、核医学、安检、环境监测等领域的理想探测器。

1 Tlbr探测器制备

（1）切割。

探测器制备工艺的第一步是将晶体切割成所需要的形状和尺寸。TlBr晶体比较软，努氏硬度约12 kg/mm2，在切割的时候会对晶体表面造成损伤，需要特别小心，切割方法金刚主要采用线切割方法。

（2）物理抛光。

物理抛光主要是要去除在切割过程中对晶体表面造成的损伤，抛光方法，用M7的刚玉研磨表面，减小表面厚度约半毫米左右。

（3）化学腐蚀抛光。

在探测器制造工艺中化学腐蚀是重要的一环，其质量的好坏影响到探测器，在工艺中所使用的工具、容器都必须十分清洁。在晶体表面上的缺陷、损伤会导致大的表面复合速率，以及探测器内部电场的不均匀，所以仅用机械抛光的样品，制备探测器后的性能一般都比经机械抛光后，再用化学腐蚀抛光做的探测器的性能要差。化学腐蚀抛光，一方面可以进一步去除经机械研磨、抛光等工序后在TlBr样品表面上留下的损伤和缺陷，另一面，采用不同试剂组合的腐蚀抛光液，化学腐蚀抛光（111）以外的晶面，在电极下面表面复合速率也不同，甚至差别很大，从而影响对电子、空穴的收集，探测器要得到好的性能，所以必须注意制备电极的面，以及核辐射的入射面。化学腐蚀，可以较好地除去表面层上的损伤层和缺陷，改善抛光表面的平整度，降低电子、空穴的表面复合速率。

（4）电极制备。

电极是影响半导体伽马射线探测器性能的一个很重要的因素。探测器一般可以制备欧姆接触或者是肖特基势垒接触。金属-半导体接触的性质取决于金属的功函数、半导体禁带宽度和主要载流子的浓度和类型。电极沉积方法主要取决于电极材料的性质。主要有化学、真空镀膜等几种方法。化学方法的有点是可以和腐蚀抛光工艺结合在一起，使探测器有干净的表面，并且电极薄、死层小，缺点是引线空难。真空镀膜是更普遍的电极制备方法，真空沉积方法的电极厚度大约在0.5 mm左右，溅射和电子束蒸发都可以在可控的方式下产生更薄的电极。经化学腐蚀抛光后的样品经过淬灭和清洗，取出样品，用N2吹干后应立即放入真空设备中进行蒸发Au电极，目的是尽可能减少样品表面的自发氧化。常用的电极制备方法有真空镀膜，真空溅射，在压力为10-3Pa下，蒸发Au，使它沉积到没有掩膜覆盖的探测器表面。由于TlBr探测器材料电阻率高，所以只需要在两面制备欧姆接触成匀质体电导型探测器。

（5）封装。

用导电胶将探测器电极引出。

2 测试

（1）电压-电流特性（伏安特性）测量。

伏安特性测量即探测器的反向电流测量，是没有射线照射时通过探测器的稳定电流，它与反向偏压有关，由扩散电流、产生复合电流和表面漏电流3部分组成。其中，前两个电流分量是在探测器体内产生的，由半导体材料参数决定，而表面漏电流是在探测器表面层产生的，与表面条件有关，可以认为漏电流对反向电流起主要贡献，是探测器噪声的主要来源，也是衡量探测器性能好坏的一个重要指标，漏电流的大小直接影响到探测器的能量分辨率的好坏和灵敏度的高低。另外，它是鉴定制备工艺，判别成品好坏的简便方法，是探测器的重要参数之一。不同工艺条件下制备出的探测器，漏电流相差很大。室温下，对5 mm3×5 mm3×2 mm3的TlBr探测器进行了漏电流测量。

探测器伏安特性测量的过程中，探测器避光，在恒定的室温条件下逐次测出不同偏压下的电流，得出以偏压Ud为函数的反向电流曲线，即U-I函数曲线。漏电流测量系统框图如图1所示。

将表1中电压-电流值绘制成伏安特性曲线如图2所示。

（2）能量分辨率测试。

探测器能量分辨率是探测器的一个重要指标，能量分辨率测试图见图3。测试使用的能谱测量实验装置，包括高压电源，电荷灵敏前置放大器（自制），ORTEC673主放大器，多道分析器（ORTEC）及计算机。

放射源：241Am。

3 结语

溴化铊探测器晶体平均原子序数高，对射线的阻止本领强：禁带宽度大，电阻率高，漏电流较小。在室温下，TlBr探测器对核辐射具有较高的探测效率和较好的能量分辨率，因此可广泛应用于天文物理学、高能物理学、核医学、安检、环境监测等领域，被认为是下一代核辐射探测器用的理想材料之一。目前国内对此的研究处于起步阶段，取得了一定的成绩，需要进一步研究提高探测器的能量分辨率。

参考文献

[1] K Hitomi，T Onodera，T Shoji，et al.Investigation of pixelated TlBr gamma-ray spectrometers with the depth-sensing technique[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2008，59（1）：276-278.

[2] 丁洪林.半导体探测器及其应用[M].北京原子能出版社，1989.