一种高度集成的γ辐照探测器

技术领域

本发明属于微电子领域，具体为一种高度集成的γ辐照探测器，可用于核能中γ辐射探测领域。

背景技术

随着核技术的广泛应用，核辐射探测技术所面临的应用环境也变得越来越苛刻。传统半导体材料制成的半导体核辐射探测器，已经难以满足核裂变、核聚变、加速器、外太空环境等高温、强辐射、高灵敏度的要求，必须寻找新的半导体材料来制作新一代核辐射探测器。金刚石具有优异的光、电、热、机械及抗辐照性能，己成为制作新一代辐射探测器的首选材料。

随着人造CVD金刚石技术的不断发展，使得使用金刚石材料来取代许多常规硅材料器件在国内外研究领域掀起浪潮。金刚石与常规普通硅材料相比，具有更高的载流子迁移率，其中对电子而言约为2倍左右，而对于空穴来说达到了惊人的5倍左右，这一优点使得基于金刚石材料的探测器更适用于需要快速响应和良好时间分辨率的测试系统。由于其具有很高的禁带宽度（5.5eV），大的击穿电压（

即使在高剂量率下，例如，当设置在核反应堆发生附近时，也希望辐照探测器能够正常工作。于此同时探测器还需要能够精确测量低剂量率下的辐射。因此应该设计一款合适的γ辐照探测器，能够满足在足够宽的剂量率范围内具有良好的性能。

发明内容

本发明的目的是主要解决现有γ探测器不耐辐照以及无法在范围很广的γ剂量率下实时监测的问题，提供一种高度集成的γ辐照探测器。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种高度集成的γ辐照探测器，包括金刚石探头、放大模块、A/D转化模块、数据存储模块、FPGA和上位机。放大模块对金刚石探头感应到的信号进行放大之后模数转化，将信号存储在数据存储模块中，利用FPGA调用数据并进行一些运算（比如高斯拟合，光谱解算），在上位机上进行显示或者选择想要查看的数据。

上述的一种高度集成的γ辐照探测器，金刚石探头包括金刚石探头1和金刚石探头2；其中金刚石探头1最底部为掺硼硅片，掺硼硅片上生长了多晶金刚石，多晶金刚石上表面利用磁控溅射法溅射了电极，金刚石探头2选用单晶金刚石，上下表面分别利用磁控溅射法溅射了电极；金刚石探头1和金刚石探头2都配有放大模块、A/D转化模块、数据存储模块，FPGA和上位机为金刚石探头1和金刚石探头2共用。金刚石探头1用于精确测量低剂量率下的辐射，金刚石探头2用于精确测量高剂量率下的辐射。目前，半导体辐射探测器主要由硅制成。硅的晶体质量优异且足够稳定，因此硅被公认为是久经考验的辐射探测器材料。然而，硅辐射探测器不能长时间精确测量高剂量率辐射。相比之下，从辐射硬度的观点来看，足够高质量的金刚石预期优于其他材料，因此选择在硅片表面生长了金刚石薄膜用于低剂量率环境下的检测，利用单晶金刚石来用于高剂量率环境下的检测，以提高检测精度并扩大检测范围。

上述的一种高度集成的γ辐照探测器，金刚石探头1中掺硼硅片的厚度为250um，多晶金刚石的厚度为30um，电极为两层，下层为20nm的Cr，上层为100nm的Au；金刚石探头2中电子级单晶金刚石的厚度为300um，电极为三层，下层为20nm的Pd，中层为10nm的Ti，上层为150nm的Au。

上述的一种高度集成的γ辐照探测器，承载整个系统的电路板采用Rogers4350B，其体积电阻高达1.2×

上述的一种高度集成的γ辐照探测器，其制备方法包括如下步骤：

（1）、用掺硼硅片作为衬底，在其上用MPCVD法生长30um的多晶金刚石，生长完毕后，切成小方块，并打磨；

（2）、在已生长和切割后的多晶金刚石上利用磁控溅射机溅射电极，溅射顺序为先溅射20nm的Cr作为黏附层，再溅射100nm的Au，在真空中400℃下退火，以便形成良好的欧姆接触，至此，金刚石探头1制作完毕；

（3）、选取厚度为300um的电子级单晶金刚石，利用磁控溅射机在上下表面溅射电极，溅射顺序为20nm的Pd、10nm的Ti和150nm的Au，在真空中400℃下退火，金刚石探头2制作完毕；

（4）、金刚石探头制作完毕后，绘制承载模块的电路板，电路板板材选用Rogers4350B，电路板中与金刚石探头相连的部分为圆形金焊盘，与键合金线相连的部分为方形金焊盘，将金刚石探头的下表面用导电银胶和电路板上的圆形金焊盘粘起来；

（5）、待导电银胶固定之后，分别对金刚石探头1和金刚石探头2采用金线键合工艺，金线键合是为了将金刚石探头中的上电极引出，进而与放大模块的输入相连，金线其中一端接金刚石探头的上表面电极，另一端接电路板中方形金焊盘；

（6）、放大模块设计为低输入噪声的宽带放大器,具体参数为2G、40dB；

（7）、A/D转化模块选用12位的数模转化，确保数据的精度；

（8）、数据存储模块：电路中安置两块DDR，分别用来存储金刚石探头1和金刚石探头2的采集到的数据；

（9）、FPGA：FPGA选用xilinx kintex7，对DDR中的数据进行调用和处理；

（10）、上位机：在PC端设计上位机，内含光谱解算，脉冲幅度分析，粒子计数算法，对采集到的数据进行实时显示以及处理。

本发明探测器基于金刚石的优越性能具有良好的抗辐照性，且在剂量率为1mGy/h～1MGy/h下能够正常工作。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明中金刚石探头1（30um）的结构示意图；

图3是本发明中金刚石探头2（300um）的结构示意图；

图4是本发明中金刚石探头金线键合示意图；

图中：1-金刚石探头、2-放大模块、3-A/D转化模块、4-数据存储模块、5-FPGA、6-上位机。

具体实施方式

参照图1，本发明的γ辐照探测器包括：金刚石探头1、放大模块2、A/D转化模块3、数据存储模块4、FPGA5、上位机6。

本发明的制作方法通过下面实施例说明。

实施例

第一步.制作金刚石探头1（30um）。用电阻率为0.01～0.05Ωcm

第二步.制作金刚石探头2（300um）。选取规格为3mm×3mm×300um的电子级单晶金刚石，利用磁控溅射机在上下表面溅射半径为1mm的圆形电极，溅射顺序为20nm的Pd、10nm的Ti和150nm的Au，在真空中400℃下退火，如图3。

第三步. 制作承载模块的电路板，电路板规格为6cm×6cm×1.524mm，板材选用Rogers4350B。电路板中与金刚石探头相连的部分为半径是1mm的圆形金焊盘，与键合金线相连的部分为1.5mm×1mm的方形金焊盘。

第四步. 将金刚石探头的下表面用导电银胶和电路板上的圆形金焊盘（接地）粘起来。

第五步.分别对金刚石探头1和金刚石探头2采用金线键合工艺。金线键合是为了将金刚石探头中的上电极引出，进而与放大模块2输入相连。金线一端接金刚石探头的上表面电极，另一端接电路板中方形金焊盘（接放大模块输入），如图4。

第六步.安置2G、40dB的宽带放大模块2。

第七步.安置12位的A/D转化模块3。

第八步.安置数据存储模块4，数据存储模块4为存储器DDR。

第九步.安置FPGA5，FPGA为Xilinx Kintex7。

第十步.在PC端设计上位机6。