平面型核輻射探測(cè)器件的制備方法及可攜帶式核輻射探測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種核輻射探測(cè)裝置及其制備方法，應(yīng)用于電子材料及元器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前社會(huì)，在國(guó)家安全防務(wù)、核廢料監(jiān)控、機(jī)場(chǎng)與港口安全檢測(cè)、天體物理研宄、新能源、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域迫切需要開(kāi)發(fā)新型核輻射探測(cè)材料與器件技術(shù)。特別是在國(guó)防軍工和某些民用領(lǐng)域，對(duì)探測(cè)器也提出更高的要求，如需要能實(shí)時(shí)監(jiān)控的、方便攜帶的核輻射探測(cè)器。近兩年美國(guó)軍方已經(jīng)投入巨資開(kāi)發(fā)可穿戴的核輻射探測(cè)系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的核戰(zhàn)爭(zhēng)。
[0003]新型核輻射劑量探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在國(guó)外的企業(yè)，如GE，濱松和華瑞公司。國(guó)內(nèi)現(xiàn)從事核輻射探測(cè)器的主要公司為奕瑞光電子公司?，F(xiàn)在的劑量探測(cè)器主要可分為間接式和直接式兩種。間接式的產(chǎn)品主要指基于閃爍體的產(chǎn)品。核輻射粒子如X-ray或Y-ray光子先通過(guò)閃爍體如CsI等，激發(fā)出可見(jiàn)光，再通過(guò)Si基光電二極管變成電信號(hào)后輸出，該種方法效率較低，如基于CsI閃爍體對(duì)52KeV的X-ray光子轉(zhuǎn)化率僅為12%，從而影響了其靈敏度。直接式的產(chǎn)品現(xiàn)在主要基于非晶Se等半導(dǎo)體材料，該類材料可直接吸收核輻射粒子并形成電子空穴對(duì)，在高壓下電子空穴對(duì)被分離并形成電信號(hào)。該類材料的優(yōu)點(diǎn)是核輻射粒子吸收率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是需要特殊的成膜工藝，技術(shù)門(mén)檻高。對(duì)于非晶Se材料而言，其缺點(diǎn)是由于迀移率和壽命乘積過(guò)低，低于2.0X10_7cm2/V，因而所需電壓較高(10V/um，>200um)需要充分保護(hù)TFT陣列和讀出電路；非晶砸的再結(jié)晶溫度低于60度，探測(cè)器的制造、運(yùn)輸、保存、運(yùn)行都需要特別的溫度環(huán)境。因此，該材料并未被廣泛應(yīng)用于核輻射探測(cè)器中。碲鋅鎘(CdZnTe)相對(duì)于非晶Se而言，具有高的迀移率和壽命乘積，所需電壓低；晶體穩(wěn)定，不易受到外界環(huán)境的影響；原子序數(shù)大，探測(cè)效率高。但其缺點(diǎn)是晶體生長(zhǎng)技術(shù)要求高，晶體成本高，在核輻射應(yīng)用領(lǐng)域，主要用于高端的能譜探測(cè)器上，不適用于低端劑量探測(cè)器產(chǎn)品。近些年來(lái)，隨著近空間升華薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，獲取高質(zhì)量低成本的CdZnTe薄膜已成為可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種平面型核輻射探測(cè)器件的制備方法及可攜帶式核輻射探測(cè)裝置，本發(fā)明可攜帶式核輻射探測(cè)裝置屬于一種可測(cè)量劑量率和累計(jì)劑量的小型化探測(cè)器，方便攜帶，具有實(shí)時(shí)報(bào)警裝置，并可長(zhǎng)期可持續(xù)供電，適合于野外作業(yè)，適用于國(guó)防軍事和有核輻射的民用場(chǎng)合，可作為國(guó)防軍工以及從事輻射的相關(guān)人員提供可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作的實(shí)時(shí)報(bào)警裝置。
[0005]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種平面型核輻射探測(cè)器件的制備方法，具體為采用CdZnTe晶片制備方法或CdZnTe薄膜制備方法制備平面型核輻射探測(cè)器件，具體步驟如下:采用改進(jìn)的垂直布里奇曼法生長(zhǎng)CdZnTe晶體，同時(shí)采用籽晶生長(zhǎng)方法，加速坩禍旋轉(zhuǎn)并輔助原位退火工藝，結(jié)合變速下降和回熔方法，制備CdZnTe晶錠，然后將獲得的CdZnTe晶錠切割成設(shè)定尺寸的CdZnTe晶片，再對(duì)CdZnTe晶片進(jìn)行研磨拋光和表面化學(xué)處理，得到光潔的CdZnTe晶片，然后采用真空蒸發(fā)工藝制備共平面叉指金屬電極，并對(duì)CdZnTe晶片表面進(jìn)行鈍化處理，最后對(duì)器件進(jìn)行封裝，制備一種平面型核輻射探測(cè)器件；或者采用近空間升華法制備CdZnTe薄膜，再通過(guò)退火、表面處理得到探測(cè)器級(jí)薄膜，然后采用真空蒸發(fā)工藝制備共平面叉指電極，最后對(duì)器件進(jìn)行封裝，制備一種平面型核輻射探測(cè)器件。
[0006]本發(fā)明探測(cè)裝置采用CdZnTe材料作為X射線或γ射線等核輻射探測(cè)器的吸收層，其具有靈敏度高，可小型化的特點(diǎn)，適合于實(shí)時(shí)監(jiān)控。本發(fā)明中，CdZnTe晶體采用改進(jìn)的垂直布里奇曼法制備，通過(guò)微電子加工工藝制成叉指結(jié)構(gòu)的共平面型探測(cè)器；CdZnTe薄膜采用近空間升華法制備，并通過(guò)真空蒸發(fā)工藝制作平面叉指電極，再通過(guò)封裝等半導(dǎo)體工藝形成共平面型探測(cè)器。CdZnTe作為一種化合物半導(dǎo)體，具有較大的禁帶寬度和較高的平均原子序數(shù)，由其制作的探測(cè)器能在室溫下工作并且有較大的吸收系數(shù)，較高的計(jì)數(shù)率，有很高的探測(cè)效率。與傳統(tǒng)的碘化鈉閃爍體探頭相比，CdZnTe探頭具有更高的能量分辨率等優(yōu)點(diǎn)，而且不采用光電倍增管，可做成體積小的探測(cè)器，使用方便。
[0007]本發(fā)明還提供了一種利用本發(fā)明平面型核輻射探測(cè)器件的制備方法制備的可攜帶式核輻射探測(cè)裝置，包括探測(cè)器感應(yīng)裝置、前級(jí)放大電路、后級(jí)主放大電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)處理器，顯示模塊和報(bào)警模塊分別與單片機(jī)處理器的信號(hào)輸出端連接，USB接口模塊和單片機(jī)處理器的數(shù)據(jù)接口連接，電源模塊為核輻射探測(cè)裝置的各電子器件供電，采用CdZnTe材料作為感應(yīng)核輻射粒子射線的探測(cè)器感應(yīng)裝置的核輻射吸收層，探測(cè)器感應(yīng)裝置具有平面式叉指電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)微電子加工工藝形成平面型核輻射探測(cè)器件，在電源模塊中還設(shè)有DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊，DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出的電壓為5-50V，核輻射探測(cè)裝置集成為能夠安裝在使用者隨身攜帶的物品上的小型器件。
[0008]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，電源模塊為振動(dòng)發(fā)電裝置、溫差供電裝置和太陽(yáng)能電池發(fā)電裝置中的任意一種或任意幾種結(jié)合的發(fā)電裝置。
[0009]作為上述技術(shù)方案進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，通過(guò)表鏈串接、黏貼或掛鉤方式固定在使用者隨身攜帶的物品上。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明采用改進(jìn)的垂直布里奇曼法或近空間升華方法，能制備高質(zhì)量的CdZnTe晶體和CdZnTe薄膜，并將其應(yīng)用于劑量探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了基于CdZnTe的可穿戴的劑量探測(cè)器產(chǎn)品，適用于核輻射粒子探測(cè)的可穿戴式核輻射探測(cè)裝置的制備技術(shù)，本發(fā)明探測(cè)裝置采用CdZnTe材料作為X射線或γ射線等核輻射探測(cè)器的吸收層，其具有靈敏度高，可小型化的特點(diǎn)，適合于實(shí)時(shí)監(jiān)控；
2.本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步和廣闊的軍用、民用商業(yè)應(yīng)用前景，本發(fā)明在軍工和防恐需求方面，適合于野外作業(yè)，且對(duì)有輻射區(qū)域做出快速響應(yīng)，無(wú)需攜帶大型儀器，每個(gè)士兵都可配置，在民用需求方面，應(yīng)用于核輻射的場(chǎng)合，如醫(yī)院的CT室和X光透室，需要能實(shí)時(shí)監(jiān)控輻射程度，保護(hù)醫(yī)生和護(hù)士的安全，隨著對(duì)安全的越加重視和價(jià)格的下降，此產(chǎn)品未來(lái)將成為必備裝備； 3.本發(fā)明通過(guò)微電子加工工藝可以制成體積小、使用方便的具有叉指電極結(jié)構(gòu)的CdZnTe探測(cè)器；
4.本發(fā)明通過(guò)振動(dòng)供電、體溫發(fā)電和太陽(yáng)能電池發(fā)電等方式為探測(cè)器供電，改變了傳統(tǒng)的電池供點(diǎn)方式，本發(fā)明發(fā)電方式具有可持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作的特點(diǎn)，適合于野外無(wú)電源供給的情況下持續(xù)不間斷的工作，特別適合于國(guó)防防恐場(chǎng)合的應(yīng)用；
5.本發(fā)明將小型的核輻射探測(cè)器安裝在便于穿戴攜帶的表鏈上，或者采用泡沫膠及掛鉤的形式將核輻射探測(cè)器固定在衣服或者書(shū)包上，從而實(shí)現(xiàn)可穿戴便攜式的功能。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一可攜帶式核輻射探測(cè)裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖1，一種可攜帶式核輻射探測(cè)裝置，包括探測(cè)器感應(yīng)裝置1、前級(jí)放大電路2、后級(jí)主放大電路3、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路4和單片機(jī)處理器5，顯示模塊6和報(bào)警模塊7分別與單片機(jī)處理器5的信號(hào)輸出端連接，USB接口模塊8和單片機(jī)處理器5的數(shù)據(jù)接口連接，電源模塊9為核輻射探測(cè)裝置的各電子器件供電，采用CdZnTe材料作為感應(yīng)核輻射粒子射線的探測(cè)器感應(yīng)裝置I的核輻射吸收層，探測(cè)器感應(yīng)裝置I具有平面式叉指電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)微電子加工工藝形成平面型核輻射探測(cè)器件，CdZnTe探測(cè)器需要有較高的電壓，在電源模塊9中還設(shè)有DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊，DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出的電壓為5-50V，核輻射探測(cè)裝置集成為能夠安裝在使用者隨身攜帶的物品上的小型器件。采用碲鋅鎘等材料作為吸收層，其具有靈敏度高，可小型化的特點(diǎn)，適合于實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0013]本實(shí)例具體為:
①CMZnTe晶體探測(cè)器的制備:
本實(shí)施例采用改進(jìn)的垂直布里奇曼法生長(zhǎng)的Cda9ZnaiTe高阻晶體，通過(guò)線切割機(jī)切割成尺寸為5X5X1 mm3的晶片，首先用水洗金剛砂粉和粒徑為0.5 μπι的剛玉微粉拋光液對(duì)CdZnTe (111)方向的晶片依次研磨至表面平整、無(wú)劃痕與拉絲，超聲清洗后在N2氣氛下吹干。拋光后晶片表面光亮，無(wú)缺陷損傷，干涉顯微鏡下觀察，表面干涉條紋細(xì)而直。采用組分為5%Br2+甲醇(BM)和2%Br2+ 20%乳酸+乙二醇(LB)的腐蝕液對(duì)拋光后的CdZnTe晶片進(jìn)行表面化學(xué)處理，時(shí)間均為1-2分鐘，并對(duì)完成腐蝕的晶片在甲醇中潤(rùn)洗以去除表面殘余的Br2。
[0014]探測(cè)器感應(yīng)裝置的制備:采用真空蒸發(fā)工藝分別在CdZnTe晶片制作金屬Au的叉指電極。具體蒸發(fā)工藝條件為:將Au絲放置于真空室內(nèi)的鎢舟中，當(dāng)真空度高于2X10_3Pa后，緩慢調(diào)節(jié)轟擊電壓，加大通過(guò)鎢舟的電流，蒸發(fā)過(guò)程中需保證電流不超過(guò)130A，蒸發(fā)時(shí)間約為lOmin，電極直徑均為I mm。為減小表面漏電流，在電極沉積完成之后，米用KOH-KCl + NH