核探测器的分类

核探测器按照材料来分主要分为以下三类：气体核探测器、闪烁晶体核探测器、半导体核探测器。 气体核探测器是以气体作为带电粒子电离或激发的介质，常见的有CH4CO2、氮气、氩气等，气压在10Pa~10KPa左右。它具有灵敏体的体积大小和形状不受限制，易恢复，使用方便，无辐射损伤等优点，但由于气体探测器为气态介质，因此电离室较大，仪器相对笨重不利于便携。 闪烁晶体核探测器是以闪烁体分子或原子为介质材料，但不同闪烁体所测得的核辐射的能谱范围不同。如碘化钠和碘化铯对电子、伽马辐射灵敏度高，发光率高；硫化锌对伽马射线不灵敏，主要用来探测阿尔法粒子；锗酸铋晶体对密度大，发光效率高，对高能电子和伽马辐射探测十分有效。此外，闪烁晶体探测器由于里面涉及了光子激发、光耦合、光导系统等光电器件，因而仪器制作更加复杂。 半导体探测器是一种迅速发展的新型核辐射探测元件，其探测介质多以单晶材料制造。半导体探测器具有灵敏度高、噪声低、响应光谱宽、脉冲时间短、探测效率高、抗辐照损伤能力强、可便携、稳定性高、可批量生产、 *** 作方便等优点，因此近些年来得到了国际研究的极大重视。

化合物半导体探测器是六十年代快速发展的新型核辐射探测器件之一。室温化合物半导体探测器是区别于P-N结型探测器、锂漂移型探测器、高纯锗核探测器等的一种特殊类型半导体核探测器。

室温核辐射探测的化合物半导体材料应当具备以下的特征：

(1)组成材料的元素应具有较高的原子序数，以此确保该材料对γ射线较高的阻止本领，以保证其具有较高的探测效率；

(2)材料应具有较大的禁带宽度，一般大于1.5eV，以保证探测器工作在室温时有较低的漏电流和较高的电阻率；

(3)材料应具有良好的工艺性能，较容易制得高纯度、低晶格缺陷的单晶体。此外材料应具有优良的机械性能和化学稳定性，以便于进行机械加工，容易制成欧姆接触或势垒接触；

(4)材料应具有优异的物理性能，可以耐较高的反向偏压(反向偏压能达到几百伏)，反向漏电流尽可能小，载流子的迁移率-寿命积要大，以确保探测器具有较小的热噪声和良好的能量分辨率。

室温核辐射半导体探测器是以大尺寸的高质量的化合物半导体晶体材料(碘化汞、锑化铝、碲化镉、碲锌镉、碘化铅、砷化镓、硒化镉等)的研制为主体，涉及到材料制备、器件设计和器件制备等关键技术。1967年，Prince和Polishuk第一次列出了碲化镉、磷化镓和硒化镉三种可以制作室温核探测材料的材料。20世纪70年代初美国开始对碘化汞展开了研究，碘化汞晶体具有较高的禁带宽度和电阻率，但是其化学稳定性较差，且常温下容易挥发潮解，制成的探测器必须进行严格的密封处理。与此同时，1977年，Armantrout等人通过对比几种最有前途的室温半导体核探测材料，最有希望的是锑化铝材料，但是该材料的单晶极难生长且极易潮解。Eberhardt等人利用液相外延生长技术得到了高完整性能砷化镓单晶，最先成功制造出有较好能量分辨率的伽马射线探测器，但是由于其原子序数较低，对于高能射线的阻止本领和探测效率都较低，发展受到了限制。但是碲化镉探测器的优点在于有较大的原子序数，对伽马射线有较高的阻止本领，探测效率较高，但有较大的热激发产生的漏电流，能量分辨率

低且有极化效应。由于碲化镉晶体的上述缺点，人们在碲化镉晶体中掺入锌，使其带宽增加，而发展成了一种新的材料。碲锌镉材料用于常温半导体探测器最早可追溯到1967年，但直到20世纪90年代初，生产工艺的提高才得以大大改善了碲锌镉晶体的特性，研究得到了实质性进展。随着锌含量的不同，禁带宽度由近红外至绿光波段连续变化，且无极化现象。但是碲锌镉存在两个主要缺点：能量分辨率不高；由于生长工艺的复杂性，高质量大尺寸的碲锌镉很难获得。

用于制作核辐射探测器的材料还有碲化锌、硫化铯、碘化铟、硒化稼等化合物半导体材料，人们对这些材料及其探测器还没有进行深入的研究。

现今，国内四川大学、清华大学、上海大学、兰州大学、重庆大学、西北工业大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国原子能科学研究院核技术应用研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所以及燕山大学(与美国伊利诺伊大学合作)等单位开始在国家自然科学基金或其他课题资助下进行了一系列化合物半导体单晶(如碘化铅、碘化汞、碲锌镉、氮化镓、碘化铟等)的生长、性能和核探测器应用的研究工作。

导读

参考资料

【1】Paul Johns and Juan Nino. Room temperature semiconductor detectors for nuclear security . Journal of Applied Physics, 2019 DOI: 10.1063/1.5091805

【2】https://publishing.aip.org/publications/latest-content/technological-developments-in-radiation-detectors-enhance-global-nuclear-security/

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