基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法以及探测方法技术

本发明专利技术公开了基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法以及探测方法，具体涉及能量为100Mev的质子探测，属于空间粒子测量技术领域。所述方法步骤如下：(1)叠层碲锌镉探头的静电屏蔽材料的筛选；(2)通过蒙特卡洛算法的SRIM软件包中的TRIM模块进行叠层碲锌镉半导体的层数以及尺寸计算；(3)通过有限元软件ComsolMultiphysics中的AC/DC静电模块进行叠层碲锌镉探测器的电极结构与尺寸的模拟计算；(4)通过每一层碲锌镉探测器与一个前置放大器连接，再将信号输入到相加电路中进行信号的叠加，再通过主放大器、多道、计算机进行能谱的采集。所述方法可实现对高能质子进行探测，且能量分辨率高，测量结果准确，方法切实可行，可为空间探测活动服务。空间探测活动服务。空间探测活动服务。

【技术实现步骤摘要】
基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法以及探测方法


[0001]本专利技术属于空间粒子测量
，特别涉及基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法及探测方法。

技术介绍

[0002]空间粒子探测是人类开展航天活动的保障，也是人类认识和研究太空，向宇宙空间进军的首要条件。在辐射带中，高能质子的寿命长达8000年，目前，对辐射带是定性统计分析工作，而内辐射带高能粒子的损失机制和过程，特别是地磁暴期间内辐射带高能粒子通量的变化仍需进一步的研究，通过对辐射带内粒子的通量、能量及分布的监测，可以更清楚地了解辐射带高能粒子的产生和损失过程，为定量计算各种状态下辐射带高能粒子通量的变化奠定基础。
[0003]碲锌镉探测探头具有体积小、室温可应用、不易损坏的优点，但目前的碲锌镉探测探头主要用于X射线、γ射线的探测，在带电粒子的测量中应用较少。带电粒子的探测要求碲锌镉探测探头具有高的能量分辨率，工作可靠性高，适用性强等要求。

技术实现思路

[0004]为了解决传统的碲锌镉探测探头仅可对X射线、γ射线的探测，实现了对高能质子进行探测，且能量分辨率高，测量结果准确，方法切实可行，可为空间探测活动服务，本专利技术提出基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法及探测方法，具体涉及的能量为100Mev的质子的探测方法。
[0005]本专利技术的技术方案为：基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法，所述高能质子探测探头包括若干探测单元、静电屏蔽层1、金属外壳16、底座9、若干前置放大电路和相加电路；金属外壳16两端开口，上方连接静电屏蔽层1，下方内部设有底座9；金属外壳16内部平行放置若干探测单元,竖直放置若干前置放大电路；若干探测单元之间、若干前置放大电路单元之间均不接触；相加电路位于金属外壳16内部且置于底座9上，底座9下方设有雷默接口，且雷默接口通过线缆与相加电路连接；前置放大电路与相加电路连接；
[0006]所述设计方法包括以下步骤：
[0007]步骤1：静电屏蔽层的材料选择：选择材料表面电阻率小于1
×
104Ω/m2或体积电阻率不超过1
×
103Ω
·
cm的材料；
[0008]步骤2：探测单元的设计：所述探测单元为若干碲锌镉探测器，基体为碲锌镉半导体，外部设有电极，对碲锌镉半导体和电极分别进行设计；其中碲锌镉探测器数量需保证入射质子在结束时能够刚好落于最后一层碲锌镉探测器中。
[0009]本专利技术进一步的技术方案为：所述步骤2中，对碲锌镉半导体的设计为：半导体的密度为5.8g/cm3，且Cd：Zn：Te为0.9：0.1：1；厚度为1
‑
5mm。
[0010]本专利技术进一步的技术方案为：步骤2中，碲锌镉探测器的半导体电极结构设计包括
以下步骤：
[0011]步骤2.1：在碲锌镉的电极处添加工作面，将工作面视为电极，对阳极和阴极分别施加电压,网格划分方式采用自动划分为特别细化；提取中截面的电场分布和电势分布的数据进行输出；
[0012]步骤2.2：根据步骤2.1得到的中截面的电场分布和电势分布的数据，判断合适的电极结构。
[0013]本专利技术进一步的技术方案为：所述步骤2.1中，阴极面接0V，阳极面加高压。
[0014]本专利技术进一步的技术方案为：所述步骤2.2中，从电势分布来看，由于电势的变化对应于权重势场的变化，阳极附近的权重势变化越迅速，该电极的结构与尺寸更符合要求；从电场分布来看，阳极附近的电场越强，越有利于使漂移到阳极附近的电子迅速被收集，同时使阳极附近产生的空穴漂移到阴极权重势缓慢的区域，则该电极的结构与尺寸越满足要求。
[0015]本专利技术进一步的技术方案为：判断整体碲锌镉探测器是否满足要求的方法为：通过电离能量损失形成的布拉格曲线；随着剩余射程减小，比电离逐渐增加，在剩余射程末端达到最大值
‑
布拉格峰；如果在前端位置中比电离增加并在末层碲锌镉半导体中形成了明显的布拉格峰，则说明该叠层探测器结构满足要求。
[0016]本专利技术进一步的技术方案为：叠层碲锌镉的高能质子探测探头的探测方法，包括以下步骤：
[0017]步骤1：入射质子进入到第i层碲锌镉探测器内部，在其中沉积的能量为ΔEi，在探测器Di上产生脉冲电荷信号；
[0018]步骤2：探测器Di产生的脉冲电荷信号通过信号线缆送入前置处理电路板Si输入端，并进入第i前置放大器；
[0019]步骤3：第i前置放大器将来自探测器Di的脉冲电荷信号进行初次放大，并输出给相加电路；
[0020]步骤4：相加电路将来自第i前置放大器的脉冲电荷信号叠加后输出给主放大器；
[0021]步骤5：主放大器将来自相加电路的脉冲电荷信号进行成形与二次放大，并输出给多道，最后输送入计算机得到全能谱图。
[0022]专利技术效果
[0023]本专利技术的技术效果在于：
[0024]1.100Mev质子入射进入到碲锌镉灵敏探测器中，高能质子促使碲锌镉基体粒子 (原子或分子)电离，形成空穴
‑
电子对，此时阳极加正电压，在内建电场的作用下，电子向阳极运动，空穴向阴极运动，产生输出信号，但是需碲锌镉半导体的厚度很厚，提高载流子被缺陷俘获的概率。因此本专利技术采用叠层的碲锌镉探测探头，缩短载流子的漂移过程，提高探测器的电荷收集效率，提高能量分辨率。
[0025]2.本专利技术提出了一种基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计以及探测方法，利用叠层的碲锌镉探测器组成的探头可对空间91
‑
100Mev质子进行探测；
[0026]3.利用该方法研制的叠层碲锌镉的高能质子探测探头，不仅可实现对X射线、γ射线的探测，还可以对高能质子、电子进行探测，且可获得较高的计数率和能量分辨率。
附图说明
[0027]图1(a)是100Mev质子入射到叠层结构中水平方向的径迹分布图
[0028]图1(b)是100Mev质子入射到叠层结构中垂直方向的径迹分布图
[0029]图1(c)是100Mev质子入射到叠层结构中的射程分布图
[0030]图1(d)是100Mev质子入射到叠层结构中的能量沉积分布图
[0031]图2(a)是平面形碲锌镉探测器内部的电势分布图
[0032]图2(b)是平面形碲锌镉探测器内部的电场分布图
[0033]图2(c)是准半球形碲锌镉探测器内部的电势分布图
[0034]图2(d)是准半球形碲锌镉探测器内部的电场分布图
[0035]图3是100Mev质子探测示意图
[0036]图4是基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的二维示意图
[0037]图5是碲锌镉探测器的电极结构示意图
[0038]图6是叠层碲锌镉探测器的三维示意图
[0039]附图标记说明：1
‑
静电屏蔽层；2
‑
D1探测单元；3
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法，所述高能质子探测探头包括若干探测单元、静电屏蔽层1、金属外壳16、底座9、若干前置放大电路和相加电路；金属外壳16两端开口，上方连接静电屏蔽层1，下方内部设有底座9；金属外壳16内部平行放置若干探测单元,竖直放置若干前置放大电路；若干探测单元之间、若干前置放大电路单元之间均不接触；相加电路位于金属外壳16内部且置于底座9上，底座9下方设有雷默接口，且雷默接口通过线缆与相加电路连接；前置放大电路与相加电路连接；其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：步骤1：静电屏蔽层的材料选择：选择材料表面电阻率小于1
×
104Ω/m2或体积电阻率不超过1
×
103Ω
·
cm的材料；步骤2：探测单元的设计：所述探测单元为若干碲锌镉探测器，基体为碲锌镉半导体，外部设有电极，对碲锌镉半导体和电极分别进行设计；其中碲锌镉探测器数量需保证入射质子在结束时能够刚好落于最后一层碲锌镉探测器中。2.如权利要求1所述的基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，对碲锌镉半导体的设计为：半导体的密度为5.8g/cm3，且Cd：Zn：Te为0.9：0.1：1；厚度为1
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5mm。3.如权利要求1所述的基于叠层碲锌镉的高能质子探测探头的设计方法，其特征在于，所述步骤2中，碲锌镉探测器的半导体电极结构设计包括以下步骤：步骤2.1：在碲锌镉的电极处添加工作面，将工作面视为电极，对阳极和阴极分别施加电压,网格划分方式采用自动划分为特别细化；提取中截面的电场分布和电势分布的数据进行输出；步骤2.2：根据步骤2.1得到的中截面的电场...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，邢雨晗，殷子昂，赵清华，查刚强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：