专利名称：分段电极辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及分段电极辐射探测器，更具体地说，涉及其内电极被轴向分段以限定若干轴向分离的探测带的分段电极辐射探测器。发明背景高纯度锗(HPGe)探测器(G.F.Knoll，Radiation Detectors andMeasurements，Chapters 2，4，11 and 12，Wiley 1989)常使用于能谱测定以及相关的领域中，以探测伽马射线或其它高能的量子。这些探测器基本上由用极高度提纯的，并轻微挽杂的锗制做的大型锗二极管组成。这种锗是加工成希望的形状，如平面形或同轴形的晶体。电极被施加于探测器相对置的触点上，其一为整流电极，由P+型或n+型锗材料构成，这取决全大部分锗的搀杂情况。一反向偏置电压加到电极上。该电压足够高，以造成全部体积的锗被耗尽(即，在电场作用之下)。撞击到探测器上的伽马射线与锗原子相碰撞，引起空穴-电子载流子对的产生。这些空穴和电子被电极收集。被电极收集的全部电荷与受探测量子的能量有关。
这些探测器的能量分辨力如同伽马射线谱仪一样是非常好的。例如，对于1MeV能量的伽马射线，在由探测器-电子学系统产生的高斯尖峰的全宽度半峰值情况下测得的能量分辨力优于千分之二。而且，这些探测器现在可以做成很大的尺寸(8cm直径乘以8cm长度的圆柱体)，因而具有高的伽马探测效率。
因此，尽管成本高且存在使探测器冷却至低温的麻烦，在核构造的研究中它们仍是上等的探测器。这样的研究工作如今用大型阵列(“Gammasphere”at LBL-USA，“Euroball”at Legnaro-Italy，etc.)来进行，其中有100或更多个探测器被安装在一球形结构中。在这样的实验中，位于该球体中心的靶标受快速重离子的轰击产生能提供科学工作者要寻找的信息的伽马射线。然而，在辐射伽马射线的同时原子核还会产生反弹，因而造成被辐射的伽马能线由于多普勒频移而展宽。减轻由于多普勒频移而引起的不精确性的唯一方法是通过识别在探测器中何处发生作用以校正频谱。这还会增加圆满追踪探测器内部伽马射线的好处，因而使单个碰撞的多重作用与多重碰撞区别开(Nuclear Instrumentsand Methods in Phvsics Research.A 371 489-496 1996)。
为获得位置信息而提出并试行的一项改进为分段，即将外部和/或内部连接(contact)分成两个或更多个用细的分离线使彼此在电气上绝缘的导通表面。
对内电极的分段已取得一些成功，但不是没有困难，更确切地说是时间的浪费。此外，加工上的缺陷直至完全进入生产过程才能被察觉。而当时已经投入了大量的时间、资金与人力。尽管如此，故障的真实原因也不能容易地或肯定地加以确定。该工艺包括建立穿过探测器二极管的轴向孔或凹槽部件的通路，通过锂搀杂在凹槽表面上提供内电极，然后向着凹槽或孔仔细切出外围间隙或缝隙，以便将该内电极分成两个或更多个轴向上不同的电极段，从而建立两个或更多个独特的探测器带。为使各电极段在电气上绝缘而做出的外围切口引起许多问题。在该内电极中的外围缝隙切口十分狭小，以致蚀刻剂常因表面张力而受到阻止不能进入缝隙及对缝隙进行化学加工，因而使其粗糙并遭受高的泄漏电流。缝隙的这种尺寸与配置使得机械加工与化学加工很难以正常的生产工艺所需要的精度进行再现。此外有一个与缝隙宽度相匹配的二极管探测器带，在该带中该二极管探测器不起反应，因为在缝隙的盲区中不存在电场及不能进行探测。由于缝隙的隐蔽设置，难以检查出能引起失效的可能的伤痕或缺陷，以致常常是只有在生产过程的十天或更多天之后的测试过程中才能确定个别的深测器是否有缺陷。
发明概述因此，本发明的目的在于提供一种改进的分段的内电极辐射探测器。
本发明的进一步目的在于提供这样一种分段的内电极辐射探测器，它易于制做并且在较早的生产阶段易于进行检验。
本发明的进一步目的在于提供这样一种分段的内电极辐射探测器，它使得分段电极的各分段之间表面的正常、可预测的化学蚀刻成为可能。
本发明的进一步目的在于提供这样一种分段的内电极辐射探测器，它能降低电极各分段之间由大变小的(diminished)电场面积。
本发明是由实现一种确实改进的辐射探测器而完成，该辐射探测器较容易制做并且还能提供沿轴向尺寸增强的辐射作用位置探测分辨力，这种辐射探测器可通过对半导体二极管的内电极进行分段来完成，更具体地说是通过实现以下情况来完成，即对沿内部凹槽设置的内电极沿轴向尺寸进行分段，并且构成具有递减的横截面面积的内部凹槽，多个轴向分离的探测带可在该探测器中建立起来。
本发明以分段电极的二极管辐射探测器为特征，该辐射探测器包括一半导体二极管，该半导体二极管具有具有递减的横截面面积并且至少部分地沿轴向伸入该二极管中的内部凹槽。有多个在该凹槽的表面上沿轴向彼此间隔设置且在电气上彼此绝缘的内电极段，用于限定多个沿轴向分离的探测带。
在一优选的实施例中该半导体可包括锗，甚至更为具体地说是N型锗。该凹槽可具有多个依次减小横截面面积的区段。这些带可由一些台阶部分隔开。这些台阶部分可由非导体材料制做。这些台阶部分通常可为该凹槽实际尺寸的横切方向。该凹槽通常可设置在半导体二极管的中心，并且通常可与该凹槽轴向尺寸的轴线同轴。该凹槽的截面一般可为圆柱形，而且这些区段的截面同样一般可为圆柱形。该凹槽一般可为锥形。各相邻电极段可由非导体区段隔开。这些电极段可由扩散的锂制成。该半导体二极管还可包括一外电极。该半导体二极管可为圆柱形。该外电极可为被注入的硼。优选实施例内容从下面对优选实施例及附图的说明中，本领域的普通技术人员将会发现其它的目的、特点与优点，其中
图1为现有技术的辐射探测器简略截面视图2为根据本发明的带阶梯状圆柱形轴向分段的内电极的辐射探测器的与图1相类似的视图；图3为根据本发明的带有圆锥形轴向分段的内电极的辐射探测器的与图2相类似的视图；图4为根据本发明的带有阶梯状圆锥形轴向分段的内电极的辐射探测器与图3相类似的视图，以及图5为使用本发明辐射探测器的辐射探测系统的简略方块图。
图1中示出一种由N型锗介质12构成的现有技术的辐射探测器10，该辐射探测器一般为圆柱形，并且相对于中心线或轴向轴线14呈圆形对称。一个形状为同样相似的圆柱形的外电极16，通过在N型锗介质12的外侧注入硼来形成。在内部有一在凹槽20的内表面上形成的内电极18，凹槽20沿轴向部分路径伸入介质12，也为圆柱形并与轴向尺寸的轴线14、介质12和外电极16同轴。电极18通过锂的扩散来形成。
电极18形成两个节段，间隙24下面的节段22与间隙24上面的节段26。外电极16典型地约为.3微米的厚度。内电极18典型地为800微米的厚度。介质12可近似为8厘米长并大致为8厘米直径。凹槽20可近似为8毫米直径。切口或间隙24的建立排除了锂扩散，以致节段22与26之间的空间仅由非良导体的锗占据，因而电极段22与26构成分离的且各不相同的电极。通过这种构成，于是探测器二极管10的介质12呈现出两个各不相同的探测带一个是靠近电极段26的带28，另一个是靠近电极段22的带30。由此可见，因为辐射作用无论发生在带28还是发生在带30之内都可被探测，故分辨力因而得到改进。在利用一个或更多个间隙24以建立两个或更多个电极段的这项技术的研究之前，就辐射探测作用的轴向定位不能进行区别。所能确定的一切仅在于沿着轴向轴线14的全程在锗介质12中的某处受到了碰撞。
这项现有技术制作工艺的问题之一在于要形成切口或间隙24很困难，而且在其形成之后为对其修整及防止不能接受的泄漏电流而对其进行化学加工或蚀刻也很困难。通常化学加工或蚀刻问题由于间隙24非常狭窄并难于进入这样的事实而变得更加严重。此外，间隙24的宽度W在锗介质12中造成一个不是弱电场就是无电场的带，致使探测不良或不可信。
根据本发明，通过设置带有递减横截面面积的凹槽20a以致产生台肩或台阶24a，以便在电极段26a与电极段22a之间提供隔离，从而在图2的二极管探测器10a中消除了切口或间隙24。对台阶24a的机械加工容易而没有伴随对间隙24机械加工的困难。此外，与对间隙24的蚀刻相比，对台阶24a的蚀刻或化学加工也容易完成。并且对于图2中的间隙24a实际上不存在轴向宽度W，因而在内电极18a与外电极16a之间不存在其中有弱电场或无电场的体积或带。
凹槽20a与电极18a的几何形状无需限定于单一的台阶式外形，而且事实上各分段甚至无需限定于圆柱形，如图3中所示，凹槽20b与内电极18b可为锥体形状，它具有多个由所配置的沟槽40、42、44及46在电气上隔离的电极段30、32、34、36和38，以便产生五个各不相同的探测器带50、52、54、56和58。
在图4的另一结构中，凹槽20c与电极18c大体为锥形，但是单独的电极段30c、32c、34c、36c和38c局部为如32′C处所示的锥形，局部为如32″C处所示的圆柱形，因而形成了类似于图2中台阶结构的电气隔离或绝缘台阶60、62、64、66。具有递减横截面面积的其它各种各样的形状都可以采用。虽然凹槽20a、20b与20c及电极18a、18b与18c是按照相对于轴向尺寸轴线14a、14b与14c分别呈圆形对称来表示的，但这并非必需对本发明限定，因为它们可以与那些轴线平行但不同轴或者相对于那些轴线呈现倾斜或上述二者同时呈现，并且甚至无需在中心设置。当与适当的电子处理设备相结合时，这种改进的内部分段几何形状尽管偏离中心设置，仍会提供位置信息。
一般地说，探测器10a、10b或10c作为现有技术探测器14可使用在图5的辐射探测系统100中，其中入射的辐射如伽马辐射102，由探测器10a、10b或10c独立地为每一分段进行探测，因而探测器10a、10b或10c对每个电极段具有向单独通道104a-104n的输出，其中n为通道数与电极段数。每一通道包括一前置放大器106，它从与之相连的电极段接收信号，将其放大并将其传送给信号处理器108a，该处理器向多通道脉冲高度分析器110a提供适当成形并定时的数字信号，该脉冲高度分析器110a通常包括一微处理器。输出端典型地提供如图形112a所表示的计数作为能量的函数的能量曲线图，它表示在与特定的电极段相关联的带中被探测的辐射的轮廓。图5的实际系统并非本发明的一部分，它只是为完整地理解本探测器的使用而示出。如像图5中所描述的典型的系统，可以在No.4,866,400美国专利中找到并可从如EG & GInstruments，Inc.等许多公司得到。
虽然在某些图中示出了本发明的特定特征而无其它特征，但这只是为了方便，因为根据本发明每一特征都可以同其它特征的任何一个或其全部相组合。
在下面的权利要求中本领域的普通技术人员会想到其它的实施方案。
权利要求
1.一种分段电极辐射探测器，包括一半导体二极管；一具有递减的横截面面积并且至少部分地沿轴向伸入所述二极管中的内部凹槽，以及多个在所述凹槽的表面上沿轴向彼此间隔设置且在电气上彼此绝缘的内电极段，用于限定多个沿轴向分离的探测带。
2.如权利要求1的分段电极辐射探测器，其中所述半导体二极管为锗。
3.如权利要求1的分段电极辐射探测器，其中所述凹槽具有多个依次减小横截面面积的区段。
4.如权利要求3的分段电极辐射探测器，其中所述的区段由一些台阶部分隔开。
5.如权利要求3的分段电极辐射探测器，其中所述的台阶部分为非导体材料。
6.如权利要求3的分段电极辐射探测器，其中所述台阶部分通常为所述凹槽轴向尺寸的横切方向。
7.如权利要求1的分段电极辐射探测器，其中所述凹槽通常设置在所述半导体二极管的中心。
8.如权利要求1的分段电极辐射探测器，其中所述凹槽与所述凹槽轴向尺寸的轴线同轴。
9.如权利要求4的分段电极辐射探测器，其中所述凹槽的截面一般为圆柱形，而且所述区段的截面一般为圆柱形。
10.如权利要求3的分段电极辐射探测器，其中所述凹槽一般为锥形。
11.如权利要求10的分段电极辐射探测器，其中相邻的所述电极段由非导体区段隔开。
12.如权利要求2的分段电极辐射探测器，其中所述二极管为N型锗。
13.如权利要求1的分段电极辐射探测器，其中所述电极段由扩散的锂制成。
14.如权利要求1的分段电极辐射探测器，其中所述半导体二极管包括一外电极。
15.如权利要求1的分段电极辐射探测器，其中所述半导体二极管为圆柱形。
16.如权利要求14的分段电极辐射探测器，其中所述外电极为注入的硼。
全文摘要
分段电极辐射探测器,包括一半导体二极管;一具有递减横截面面积并且至少部分地沿轴向伸入该二极管中的内部凹槽(20b)。多个在该凹槽表面上沿轴向彼此间隔设置、且在电气上彼此绝缘的内电极段(18b),用于确定多个在轴向上不连续的探测区段(50—58)。
文档编号G01T1/24GK1255201SQ98804858
公开日2000年5月31日 申请日期1998年3月13日 优先权日1997年4月4日
发明者帕特·桑辛克欧 申请人:Eg&G仪器公司