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1、硅探测器中的电容效应戴兴北京市育才学校指导教师：乔锐1 胡东升21北京大学核物理与核技术国家重点实验室2北京市育才学校摘要： 在半导体探测器中，大面积硅探测器、阻性硅探测器占有重要的地位，但由于其探测器本身与后续电路中电容效应，其输出信号的准确性受到影响。本课题主要通过对硅探测器电容效应及其后续电路中电容效应的探究来阐述电容效应对信号精度的影响。经研究发现，在硅探测器的实际应用中，应设定一个最低能量截取值，一方面减少噪声的影响，另一方面减少本身电容效应的干扰。而在阻性硅实验中的RC效应探究中，我们发现，RC效应中的平均效应会使主放输出的信号畸变，使较低能量段的信号偏大，并给位置信息的判断带去误
2、差。同时，在对串扰到其他条信号的探究中，我们还发现这种效应依然存在。但对整个阻性硅来说，所加的前放越多，其条间串扰的信号就越小，甚至小到足以忽略。针对不同电容效应的特点，我们应采用一定措施以提高信号分辨率。关键词：电容效应 大面积硅探测器 阻性硅探测器引言从古至今，纵观人类科学的发展史，所发现的客观真理由浅入深，由远及近，由宏观到微观。当今的人类文明发展着，随着计算机技术的普及，我们跨入了信息时代，而细想这一切成果的来由，我们不可否认其绝大部分都来自于人类对物质的认识，自20世纪以来，人类在对物质的认识方面有了巨大的飞跃，从原子深入到原子核、质子、中子，再进一步到夸克与轻子现在的我们知道，已知
3、的物质是由12种基本粒子及其反粒子组成的，而这些跨越式的发现，无疑要归功于粒子物理实验上的飞速发展1，而若论及其中最为重要的部分，我想粒子探测技术当数其中之一。粒子探测技术兴起于20世纪20年代，从那时起，有关粒子探测方面的仪器层出不穷，其中比较有代表性的有云雾室、径迹探测器、闪烁探测器以及近几十年兴起的半导体探测器，其中半导体探测器凭着其出色的性能，成为了一大热点。在半导体探测器中，由于常用的锗探测器，需要在低温（液氮）条件下工作，甚至要求在低温下保存，使用不便，相比之下，硅探测器由于电离能极低而拥有极高的理论能量分辨率，且对实验环境的要求不多，成为核物理探测研究中的首选。然而在实际应用中，
4、硅探测器由于温度偏高、应用不恰当和后续电路的影响，使其没有达到预期的精度。本研究通过分析不同硅探测器（大面积硅探测器与阻性硅探测器）和后续电路的电容效应两个方面，来探究硅探测器的探测精度。1 原理1.1 大面积硅探测器图1 硅探测器原理 大面积硅是我们带电粒子望远镜的重要组成部分。其基本原理来自于PN节的特性，PN节是在一块儿本征半导体上，一边掺入施主杂质，使之变为N型半导体，一边掺入受主杂质，使之变为P型半导体，又因为N型半导体内存在大量自由电子，P型半导体内存在大量空穴，所以当两种半导体结合在一起时，电子、空穴将会越过交界面向对面扩散，直至在离子形成的内电场下达到平衡为止，于是在中间界面形
5、成一层空间电荷区（又称耗尽层），当给大面积硅加上反向偏压后，大面积硅内上下表面形成的PN结变厚，灵敏区（即空间电荷区）域变大，当受到带电粒子的激发后，迅速形成电子-空穴对，在电场的作用下电子-空穴对漂移形成电流，以电荷的形式被前置放大器收集，成为信号。而在非灵敏区，虽然带电粒子可以同样激发产生电子-空穴对，但由于不存在电场，电子-空穴对迅速复合，不能被前置放大器收集。因而在一定范围内施加大的反向偏压，高能粒子能够在硅上沉积更多的能量，从而提高信号幅度；同时硅的等效电容更小，前放收集信号更充分。1.2 阻性硅探测器阻性硅的工作原理与大面积硅的工作原理大致相同，但与之区别的是，阻性硅被分为许多条状
6、，且每一条上都带有一定电阻。一般在每一条的两端都会接上前置放大器（以下简称前放），以通过两边信号的差异来判断粒子打在条上的位置。2 过程与方法2.1 实验流程（如图2）图2 实验流程树状图2.2 研究过程及试验设计本课题的研究过程主要分为两个部分：（1）硅探测器本身的电容效应；（2）后续电路的电容效应。2.1.1 硅探测器本身的电容效应因为硅探测器属半导体探测器，其本身往往不是单方面的由一个因素输出信号，如大面积硅的保护环、阻性硅的RC效应等，因此需要对其产生的具体影响进行探究。2.1.1.1 对大面积硅（SSD）的电容效应进行探究对于大面积硅，其主要的探测区位于保护环内部，但保护环是否会对最
7、终输出的信号有所影响尚未可知，故将保护环内部的阳极与保护环分别接上A250前置放大器，将输出信号输入示波器查看，之后将其接入主放，再经逻辑插件数出符合要求的数据输入计算机，并通过计算机进行数据记录、绘图等工作。2.1.1.2 对阻性硅的电容效应进行探究从理论上讲，阻性硅会存在RC效应，这种充、放电、及平均效应可能会使主放的放大作用存在一定的误差。通过对某一正常的阻性硅条的两端加前放，通过示波器观察这种情况，并之后将其接入主放，再经逻辑插件数出符合要求的数据输入计算机，并通过计算机进行数据记录、绘图等工作。同时，考虑到阻性硅的条间也存在电容，所以通过接入相邻条、相隔条两端的前放（其中的相邻条和同
8、一条上的一部分，因有塑料膜的遮挡，不会被a粒子打到，），看示波器信号以观察条间串扰。之后同样将其接入主放，再经逻辑插件数出符合要求的数据输入计算机，并通过计算机进行数据记录、绘图等工作。2.1.2 后续电路的电容效应在粒子探测过程中，由于电线的绝缘、前放的串并联等，同样会形成新的电容，因此理论上讲，后续电路中可能也存在着电容效应。2.1.2.1 脉冲发生器与a源信号差异在实验过程中，为方便起见常常会使用脉冲发生器来代替放射源进行实验，然而脉冲发生器发出的信号与源信号可能会有一定的差异性，对此我们通过比较脉冲发生器在SSD和工业电容上的峰位，来看它们是否一致。2.1.2.2 线电容由于大面积硅探
9、测器的电容随着所加电压的升高而减少，且基本等效于工业电容，而脉冲发生器亦比较稳定，因此为求方便，以工业电容和脉冲发生器代替大面积硅，通过改变所接电容与线长来检验线长与电容的关系。2.1.2.3 前放电容串联部分为了探究前放串联对信号的影响，通过将某一根正常的阻性硅条两端加上前置放大器，并改变硅探测器的电容（改变电压），接入脉冲发生器，观测其两端输出的峰值，通过推出的公式计算两前放的串联电容。然后根据实际情况予以推断。2.1.2.4 前放电容并联部分为了探究前放在阻性硅上并联的影响，将阻性硅上接上数量、位置不同的等效于前放的工业电容，仅在阻性硅的其中一条两端和背面总能量接上前放，再将接上两个前放
10、的阻性硅条两端前放输出的信号输入示波器观察现象。3.1.2.5 对前放电容大小的理论分析对前放所体现出的等效电容大小的理论分析。3 结果及分析3.1 硅探测器本身的电容效应3.1.1 对大面积硅（SSD）的电容效应进行探究将前放输出数据插入示波器可以看到如下几种情况：图5 阳极中信号、保护环小信号图4 阳极小信号、保护环大信号图3 阳极大信号、保护环小信号图6 阳极、保护环信号图将前放数据接入后续电路由电脑处理时，可绘制出如下图像：其中下部为保护环传来的信号，左侧为保护环内部传来的信号。我们所真正需要的是左侧的数据，右侧的数据是不精确数据，为了将其舍去我们可将t01坐标轴上y=400以下的数据
11、舍掉，因为真正用探测器时，需要的是高能量段的数据，且保护环的线未必会接上，而若不接上偏差数据则会被压缩在“所需数据”中的低能量段，使低能量段的数据不准确。3.1.2 对阻性硅的电容效应进行探究3.1.2.1 RC效应的影响阻性硅的RC效应主要包含了3个部分：充电效应、平均效应及放电效应，我们将前放输出信号接入示波器可得到如下图象：图7 RC效应图上图是包含了阻性硅三种效应的图。粒子打在边缘靠近黄色的前放，远离蓝色前放。黄色前放初始上升很快，这是由于充电效应；然而，黄色与蓝色很快重合在一起，这个是由于平均效应引起的；最后两个信号慢慢回归到零点，这个是由于放电效应引起的。又因为主放的成型时间对蓝色
12、信号有很大的影响。因为平均效应要经过3us左右才能最终平均，所以小的主放成形时间可以更好的屏蔽平均效应的影响。对此我们做了如下实验：将主放成型时间调至0.5us，可得到如下图象：图8-1 主放信号成型图坐标轴中的图像在中部基本成直线，只是在边缘偏离直线。且直线覆盖的范围比较广，几乎达到80度，说明有较好的位置分辨率。将主放成型时间调至3us，可得到如下图象：图8-2 主放信号成型图此时基本没有观察到直线的部分，说明在各个位置主放放大倍数都不一致，畸变严重。而且角度覆盖范围大概30度，说明位置分辨率特别不好。同时，在主放成型时间为0.5us的情况下，在探测器前放置了一个a源无法穿过的有7条等距刻
13、线（刻线处粒子可穿过）的塑料膜，所得图像为：图8-3 主放信号成型图其中可以很明显的看到，两侧出现了与未刻线时相同的偏移，可以看到处于低能量端的信号能量总是偏大，这很可能是来源于RC效应中的平均效应。3.1.2.2 条间电容效应我们将相邻条、相隔条两端前放传出的信号输入示波器，可得到以下图像：图9-1 相邻条间串扰此图像中很明显可以看出带电粒子打在的条上，一边输出的信号大，一边输出的信号很小，而后逐渐平均，由此可以判断此时粒子打在条边缘，即靠近黄色信号的前放。而我们可以很也明显的看出，相邻条上的两个放大器在没有粒子打到的情况下依然传回了信号，说明存在条间串扰的情况。同时也可以得到以下图像：图9
14、-2 相邻条间串扰从该图像可以看出，被a粒子打到的条两端信号几乎相等，说明粒子打在条的中央，而且还说明了：即使粒子打在条的中间部位，串扰依然存在，但串扰信号在幅度上比打在边缘上的情况一致性更明显，由此说明条间串扰的信号很可能也存在一个RC效应。图10-1 相隔条间串扰同样地，我们测量了打在相隔阻性硅条的状况，其结果如下两图：上图为相隔条，打在条边缘的现象。图10-2 相隔条间串扰上图为相隔条，打在条中央的现象。由以上几幅图来看，我们可以明显的看到，虽然噪声比较大，但可以发现有明显的串扰信号。而且串扰信号的大小与条上位置的关系不大，相邻条串绕大概14，相隔条串绕10，即条越远串扰信号越小。又因为
15、主放有压制噪声的效果，将主放输出的信号输入示波器可得到如下图象：图11-1 主放信号上图为相邻条，a粒子打在条中间的图样。图11-2 主放信号上图为相隔条，a粒子打在条中央的状况。不难看出，同样的条件下，相隔条传回的信号比相邻条传回的信号要小。图12-1 串扰RC效应而后为了证明串扰信号中同样存在RC效应，我们再次做了等距刻线实验，但每根条上仅接入一个前放。所得图像如下：上图为相邻条上，在同一边各接一个前放所得图像。由上幅图我们可以很明显的看到，前者在高能量段，即a粒子打在靠近条接前放端时，距离相邻条前放也比较近，此时串到相邻条由前放收集的信号较大，打在距前放较远端传来的信号，尽管在平均效应下的能量偏大（即向上偏移），但也可以很明显的看到，此时串扰到相邻条的信号较小（但也包含部分平局效应的增大作用）。图12-2 串扰RC效应为了验证这一点，我又做了相邻条上对面边接前放的图像。所得图像如下：上图为相邻条上，在对面边各接一个前放所得图像。其中的图像明显弯曲，上部区域由于串扰信号的平均效应而向右偏移，下部区域由于串扰信号较大而向右偏移，符合所做出的推测。图13 噪声图样之
