一种可控间距间隙的等间隙螺旋环大面积硅漂移探测器

本发明涉及探测器，尤其涉及一种可控间距间隙的等间隙螺旋环大面积硅漂移探测器。

背景技术：

1、硅漂移探测器(silicon drift detector，简称sdd)是半导体探测器的一种，用来探测x射线，sdd探测器与其他探测器相比具有高计数率、高能量分辨率、可在常温下工作等突出优势，广泛应用于航空航天、民用、医疗等领域。国际上对于sdd的研究，是朝着低噪声、低功耗、高能量分辨率、大面积方向发展。大面积sdd具有更高的计数率，能在短的采集时间具有更准确的探测数据。特别是航空航天领域，大面积sdd作为脉冲星导航仪的核心部件，是一个颠覆性的概念，是国家重大战略需求。x射线探测器是脉冲星导航系统的“眼睛”，负责采集脉冲星辐射出的x射线光子、记录光子到达时间和还原脉冲轮廓。由于脉冲星x射线辐射流量非常低，能量集中于1～10kev，且随着能量增加强度迅速衰减，探测难度大。

2、但是要在深空探测脉冲星x射线粒子来实现航天器的自主导航，需要研制大面积、高能量分辨率的x射线探测器，以满足x射线脉冲星自主导航授时系统高性能、大区域覆盖、高可用性的重大技术需求。

技术实现思路

1、1.要解决的技术问题

2、本发明的目的是为了解决现有技术中由于探测器面积尺寸变大其间距和间隙越来越宽，会形成较大探测器无效区域，此外间隙存在固定电荷，间隙的增大会增加探测器漏电流，降低探测器分辨率的问题，而提出的一种可控间距间隙的等间隙螺旋环大面积硅漂移探测器。

3、2.技术方案

4、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

5、一种可控间距间隙的等间隙螺旋环大面积硅漂移探测器，包括正面阳极电极、正面螺旋环电极、背面螺旋环电极和硅基体，所述正面螺旋环电极环绕设置于正面阳极电极的外部，所述背面螺旋环电极设置于正面螺旋环电极的背面，所述硅基体环绕设置于正面螺旋环电极的外部。

6、优选地，所述正面阳极电极为掺杂浓度为1×1019/cm3的n型重掺杂。

7、优选地，所述正面螺旋环电极为掺杂浓度为1×1019/cm3的p型重掺杂，其形状为正六边形的螺旋环。

8、优选地，所述背面螺旋环电极为掺杂浓度为1×1019/cm3的p型重掺杂，其形状为正六边形的螺旋环。

9、优选地，所述硅基体为掺杂浓度为4×1011/cm3的n型轻掺杂，其形状为正六边形。

10、本发明中还提出了一种可控间距间隙的等间隙螺旋环大面积硅漂移探测器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

11、步骤1：计算硅漂移探测器表面电场分布；

12、步骤2：计算硅漂移探测器螺旋形状的阴极的宽度分布；

13、步骤3：计算螺旋环旋转角度与半径的关系；

14、步骤4：确定硅漂移探测器正面和背面的电势分布；

15、步骤5：确定硅漂移探测器后表面的螺旋环设计。

16、优选地，所述步骤1中电压分布是由经过螺旋形状的重掺杂p型阴极提供的，p型重掺杂阴极是通过离子注入而形成的，在径向r点，1为相邻阴极螺旋环的间距p(r)，2为离子注入区域在径向r点的宽度是w(r)，它定义螺旋阴极在径向r的宽度，3为相邻注入区域的间隙g(r)，其螺旋环间距为:

17、p(r)＝w(r)+g(r)                   (1)

18、ρs为螺旋环阴极离子注入区域的方块电阻，离子注入深度是t，t是一个常数，不随r的变化而变化，ρ是p型重掺杂阴极的电阻率；

19、ρ/t＝ρs                         (2)

20、螺旋阴极每一圈的电阻(r(r))也随r变化而变化：

21、r(r)＝ρsαr/w(r)                     (3)

22、ρs是螺旋环阴极离子注入层的方块电阻，α是由圆柱形螺旋阴极的几何形状决定的，一圈的周长等于若螺旋形状是真正的圆形，则α＝2π；为了形成更加紧凑的sdd阵列，螺旋形状可以选成近圆形，如正六边形(α＝6)，或正方形

23、在径向r点相邻螺旋阴极圈的电压差δv(r)是：

24、δv(r)＝ir(r)＝e(r)p(r)                   (4)

25、ir(r)由欧姆定律得出，e(r)p(r)由电场积分得出；其中i是螺旋环阴极的电流，e(r)是在半径r点的表面电场。

26、方程(3)和方程(4)把阴极环的几何形状及电流与sdd表面电场联系起来：

27、

28、优选地，所述步骤2中对于一个阴极环的特例，即保持每环阴极间隙不变，g为常数，方程(1)变为：

29、p(r)＝w(r)+g                         (6)

30、在设计中螺旋间距p(r)与r的关系为：

31、

32、其中p1是第一个螺旋环间距，r1是其第一圈的半径；

33、在设计中螺旋间距g与p1的关系为：

34、g＝kp1(0＜k＜1)                 (8)

35、在实际应用中，k可以选为0.3<k<0.7；

36、硅漂移探测器螺旋形状的阴极的宽度分布

37、w(r)＝p(r)-g                    (9)

38、优选地，所述步骤3中螺旋环每旋转一圈半径从rn-1增加至rn，得θ为螺旋环旋转角度公式：

39、

40、θ为每次旋转的角度，如为方形时θ每旋转一个点增加为六边形时θ每旋转一个点增加

41、把方程(7)代入方程(10)中可以算出螺旋环旋转角度θ(r)与半径的关系，与之相应的螺旋环旋转角度为

42、

43、化简得到螺旋环旋转角度与螺旋环相邻点的关系

44、

45、优选地，所述步骤4中根据方程(5)得到对应的表面电场分布为：

46、

47、表面电势分布由如下方程确定：

48、

49、将(13)式代入(14)式中得：

50、

51、方程(7)代入方程(15)，令得p(r)＝p1x，dr＝mr1xm-1dx，代入方程(15)得

52、

53、探测器对应的背面电压的分布是由正面电压的分布来决定的，设背面电势分布为：

54、ψ(r)＝vb+γφ(r)(0＜γ＜1)                   (17)

55、其中vb是背面螺旋环的第一圈电压vb＝vfd+ve1，γ是一个常数；

56、vb＝vfd+ve1                  (18)

57、ve1是正面螺旋环的第一圈电压，vfd为全耗尽电压，vfd＝qndd2/2ε0ε，nd为硅基体的掺杂浓度，εsi为硅介电常数，ε0为真空介电常数，d是探测器基体的厚度；

58、根据公式(17)背面表面电势分布：

59、

60、后表面第一圈半径选为与前表面相同，都为r1，

61、背面螺旋间距p1b与p1的关系为：

62、

63、背面螺旋环间距为：

64、

65、后表面螺旋间隙选为与前表面相同，都为g；

66、后表面的螺旋环宽度为：

67、wb(r)＝pb(r)-g                (22)

68、与之相应的后表面螺旋环旋转角度为

69、

70、由方程(23)可以得出半径与角度的关系式为：

71、

72、由公式(7)根据螺旋环旋转角度公式(12)得到正六边形螺旋环前一点rn-1与后一点rn关系为：

73、

74、根据公式(21)与之相应的背面螺旋环旋转角度公式(24)得到正六边形螺旋环前一环与后一环关系为：

75、

76、根据公式(25)得到正面螺旋环正六边形的数据，根据公式(26)得到背面螺旋环正六边形数据。

77、3.有益效果

78、相比于现有技术，本发明的优点在于：

79、(1)本发明中，在设计中螺旋环第一环间距p1由设计公式参数m和k控制，间距p(r)和间隙g(r)都通过第一环间距p1计算得到，螺旋间距g(r)与p1的关系为：g(r)＝kp1(0＜k＜1)，螺旋环间距p(r)与r的关系为：(m为一个实数)，间隙g(r)为固定值，从而得到一种可控间距间隙的等间隙螺旋环大面积硅漂移探测器的正反面螺旋环设计。

80、(2)本发明中，可以控制探测器的间隙宽度减小表面漏电流，提高探测器分辨率，另外可控间距间隙的设计也解决了过去的阴极环设计中探测器尺寸变大其间距和间隙距离越来越宽，形成较大无效区域的问题。