宽禁带半导体核辐射探测器

本书较全面地介绍了两种典型宽禁带半导体材料在核辐射探测器中的应用，主要论述了宽禁带核辐射探测器制备及应用中的相关基础理论。本书首先介绍了近年来碳化硅、金刚石这两种颇具代表性的宽禁带半导体材料用于核辐射探测的新进展，然后介绍了辐射源、射线与探测介质相互作用的基础知识以及碳化硅、金刚石核辐射探测器的基本工作原理与结构，后着重论述金刚石、碳化硅核辐射探测器的制备过程与辐射响应。
本书可作为从事核探测方面工作的技术人员的参考书，也可作为半导体核探测相关方向的研究生的教材。

1.1核辐射探测在极端环境与强辐射场应用中的作用

核电装置、空间装备、科研与医学辐射装置是当前重点发展的关键领域，而核辐射探测则广泛应用于这些领域。太空探测需要对宇宙射线进行全天候监测和强脉冲即时预警，新型同步辐射光源等国家大科学装置需要能够长期耐受高剂量辐照和高温环境的辐射探测器，新一代核能开发以及核医学应用也对辐射探测器的电荷收集效率、抗辐照特性、能量和位置分辨率、时间响应等性能提出了新的要求。这些应用涵盖的范围包括基础科学层面的宇宙起源演化、物质基本结构、新材料等，关乎国计民生的可持续发展能源产业和核医学技术以及关乎国家安全的新型装备技术等，成为当今世界各国竞相追逐的重大战略方向。

深空探测活动已经成为彰显国家科技实力的标志。由于深空辐射环境探测周期长、辐照强度大，因而迫切需要抗辐照能力更强的核探测器。除此以外，我国的登月计划、空间站计划、各种在轨卫星以及空间高能物理探测装置也对探测器核心部件的在轨使用寿命提出了更高的要求，以便为更好地探索宇宙提供强有力的保障。

随着核科学技术的不断发展，下一代裂变、聚变反应堆，同步辐射光源，大型强子对撞机，中子散裂源以及超快脉冲场的监测都对探测器的性能提出了更高的要求。暗电流、饱和电荷收集效率、能量分辨率、脉冲响应上升时间以及抗辐照性能是未来核探测器最为重要的参数指标。欧洲核子中心（CERN)的大型强子对撞机（LHC）升级到超级大型强子对撞机（SLHC)后，粒子束流将会更强，最大能量将会达到13TeV，这对探寻宇宙起源奥秘，发展高能物理学具有重要的意义，也对核探测器的抗辐照性能以及时间响应提出了很高的要求；我国的惯性约束核聚变装置、东方超环(EAST)磁约束聚变实验装置、散列中子源等大科学装置的核辐射强度极大，在宽动态范围内进行可靠和精确的中子探测是上述应用研究的核心关键技术问题之一，这就对核探测器的强度、能量分布和时间特性提出了更高的要求，例如在等离子体聚变研究中，中子辐射率从氘氚运行时的108n/s到氘氚反应时的1020n/s,比现有的中子标定源的强度高出大约1010倍，而且中子诊断提供的测量精度应当优于10%，探测器不能出现明显的性能退化；新一代同步辐射光源已经能够将X射线聚焦到零点几微米，要求准确测量光束相对于样品的位置，实现光束线的原位测量，对X射线位置监视探测器提出新的挑战，新型同步辐射光源的光通量可高达1012光子/脉冲以上。

因此，在极端环境与强辐射场下对射线的准确探测，不仅关乎未来科学技术的发展，也关乎国家的战略发展，这就要求核探测器能够适应上述环境中的目标探测，为未来的核技术进步做好基础保障。

1.2核辐射探测器的发展简介

核探测器的发展主要经历了气体探测器、闪烁体探测器以及半导体探测器三个阶段，其中闪烁体探测器和半导体探测器都可以归为固体探测器。

在许多辐射探测应用中，使用固体探测器具有很大的优势。对于高能电子或伽马射线的测量，由于固体密度约为气体密度的数百倍，因此探测器尺寸比等效的气体探测器小得多。气体探测器的另一个缺点是电离能比半导体探测器的要大得多，空气电离室中产生一对电子空穴对的平均电离能可达到33.8eV，其他气体探测器，比如Ar、He、H2、N2、O₂等气体探测器的平均电离能也分别达到了26.4eV、41.3eV、36.5eV、34.8eV、30.8eV。这意味着同样的辐射能量，气体探测器得到的信号强度更弱。其他方面，由于气体探测器受温度、压强、器件密封特性的影响，在不同辐射环境下器件本身的变动较大，展现出了能量分辨率不高、响应速度有限等明显缺点，越发不适应核探测技术的发展。

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本书较全面地介绍了两种典型宽禁带半导体材料在核辐射探测器中的应用，主要论述了宽禁带核辐射探测器制备及应用中的相关基础理论。本书首先介绍了近年来碳化硅、金刚石这两种颇具代表性的宽禁带半导体材料用于核辐射探测的新进展。然后介绍了辐射源、射线与探测介质相互作用的基础知识以及碳化硅、金刚石核辐射探测器的基本工作原理与结构。最后本书着重论述了碳化硅、金刚石核辐射探测器的制备过程与辐射响应，内容包括：探测器材料制备与分析、器件制备工艺与表征、不同核辐射粒子的探测器能谱响应仿真与实验验证，以及缺陷影响与辐照退化等。