硅微條探測器

隨着半導體技術的迅速發展，半導體粒子探測器也有了很大的發展。其中，硅微條探測器SMD ( Silicon Micro strip Detector) 的發展和應用是非常突出的一個。

近十幾年來，世界各大高能物理實驗室幾乎都採用它作為頂點探測器：ATLA S 和CMS。作為探測粒子徑跡的徑跡室。在核醫學領域的CT和其它數字化圖像方面的應用研究，也有了很多新的進展。

從探測器橫截面上看，主要分這樣幾個部分：

結構(2張)

探測器表面：有薄鋁條, SiO2隔離條，鋁條下邊是重摻p+條。

中間部分：是厚度大約為300μm 的高阻n 型硅基，作為探測器的靈敏區。

底部：是n 型硅摻入砷(As) 形成重摻雜n+ 層和鋁薄膜組成的探測器的背襯電極。

微條(strips)是探測器的信號讀出條, 它的寬窄和間距將影響探測器的空間分辨率。

保護環(Guard rings)在探測器的四周, 起到屏蔽保護作用, 使探測器降低了噪聲, 提高了抗輻射能力。

多晶硅偏壓電阻(Poly-silicon bias resistors)是集成在硅片上的, 它對於每個微條起保護作用，可以降低漏電流, 從而降低噪聲。

偏壓連接帶(Bias trace)是連接偏壓電源到每一個微條的連接帶。

直流接觸片(DC contact pad)是作直流耦合輸出的接觸點。

交流接觸片(AC contact pads)是交流耦合輸出的接觸點, 一般信號讀出是通過它們連到前置放大器的。

硅微條探測器是在一個n型硅片的表面上，通過氧化和離子注入法，局部擴散法，表面位壘法及光刻等技術工藝製作成的。其表面是均勻平行的附有一層鋁膜的重攙雜p+微條。n型硅片的整個底面摻入雜質後，製成n型重攙雜n+層，其外層也附有一層鋁，作為電極接觸。這樣製成了表面均勻條形的pn結型單邊讀出的探測器。

中間部分的耗盡層是探測器的靈敏區，當在這些條型pn結加上負偏壓時，耗盡層在外加電場的作用下，隨着電壓升高而變厚。當電壓足夠高，耗盡層幾乎擴展到整個n-型硅片，基本達到了全耗盡，死層變得非常薄。因為其內部可移動的載流子密度很低，電阻率很高，漏電流非常小(好的硅微條探測器漏電流小於100pA)。外加電壓幾乎全部加到耗盡區上，形成很高的電場，。

在無輻射電離時，基本沒有信號產生。當有帶電粒子穿過探測器的靈敏區時，將產生電子－空穴對，在高電場的作用下，電子向正極(底板)漂移，空穴向靠近徑跡的加負偏壓的微條漂移，在這很小的區域內(探測器厚度在300μm左右)收集電荷只需很短的時間(5ns左右)。在探測器的微條上很快就讀出了這個空穴(實為電子)運動產生的電荷信號。讀出電子學得到這個電荷信號，經過前置放大器將信號放大，再經過模擬通道，比較器，模數轉換(ADC)後讀入計算機。

根據探測器系統測得的帶電粒子的信息，及帶電粒子在各個微條上的位置參量，可以確定各有關帶電粒子的運動軌跡及對撞後末態粒子的次級頂點等。根據譜儀內的磁場強度和粒子運動的軌跡可以計算出每個帶電粒子的動量。

在設計、製作和使用硅微條探測器時需要考慮的一個重要原則問題是帶電粒子在半導體探測器中的散射角度與探測器的厚度問題。因為半導體的密度比較大，帶電粒子穿過探測器時，在探測器內部要經過多次散射。如果帶電粒子的能量不高，探測器比較厚，粒子在探測器內經過很多次散射後，角度偏轉比較大，這將不利於粒子的徑跡和頂點精確測量。如果探測器太薄了，雖然散射次數減少，偏轉角度小了，但探測效率降低了。因此，一定要根據被探測粒子的能量及實驗對散射偏轉角度的要求，恰當的選擇探測器厚度。

這是硅微條探測器最突出的特點。它的位置分辨率是應用的各種探測器中最高的，可做到1.4μm。主要因為固體的密度比氣體大100倍左右，帶電粒子穿過探測器，產生的電子2空穴對(e-h)的密度非常高，大約為110e-h/μm ^[2]  。

另外由於現代半導體技術工藝，光刻技術及高集成度低噪聲讀出電子學的飛速發展，每個讀出條可對應一路讀出電子學，更有利於空間分辨率的提高。

半導體探測器的能量分辨率比氣體探測器大約高一個數量級，比閃爍計數器高得更多。這是因為在硅半導體中電離產生一對電子2空穴對(e-h)只需要3eV左右的能量，而氣體中產生一對離子對所需能量大約為30eV，塑料閃爍探測器在光陰極上產生一個光電子需要的能量大約為300eV。帶電粒子在硅半導體中的能量損失也很高，在硅晶體中，能量損失大約390eV/μm。因此，同樣能量的帶電粒子在半導體中產生的電子2空穴對數要比氣體中產生的離子對高一個數量級以上。這樣電荷數的相對統計漲落也比氣體小很多。

由於在一定能量範圍內，半導體的平均電離能與入射粒子的基本能量無關，故半導體探測器具有很好的線性，很寬的線性範圍。

在半導體探測器中，由於採用微電子工藝的半導體探測器很薄，它的電荷在很小的區域裏收集，響應時間非常快，一般可達到5ns左右。因此，可以實現高計數率，可超過108/cm²·s。

由於硅半導體密度大，有一定的剛度，它可以做得很薄並能自身支持，典型的厚度是300μm左右，當帶電粒子穿過時，大約可產生3.2×104電子-空穴對。有的還可做得更薄，整個探測器可以作得很小。

對輻射損傷比較靈敏，如果受到強輻射其性能將變差。但各國科學家就此問題從技術上正在進行不斷地改進提高。

隨着硅微條及一些相關的半導體探測器的發展，它們的應用越來越廣泛。在高能物理實驗領域已經應用得很多，在天體物理、宇宙線實驗，在核醫學領域的CT及其它數字圖像系統方面也已經開始一些新的應用研究 ^[2]  。

因為硅微條探測器及一些相關的半導體探測器的位置分辨率比氣體探測器的位置分辨率高一到兩個數量級，所以在近十幾年來，世界各大高能物理實驗室幾乎都採用它作為頂點探測器。如美國的FERMILAB的CDF和D0，SLAC實驗室的B介子工廠的BaBar實驗，西歐高能物理中心CERN的LEP正負電子對撞機上的L3、ALEPH、DELPHI、OPAL，正在建造的質子2質子對撞機LHC上的ATLAS、CMS及日本的KEK，德國的HARA，HARB及Zeus和H1實驗等等。不僅如此，LHC上的ATLAS和CMS還採用了硅微條探測器代替漂移室作為徑跡測量的徑跡室。

近些年高能物理領域所有新的物理成果，從t夸克的發現到標準模型的證實，無不與這些高精度的具有優良性能的頂點探測器，徑跡室等先進探測器密切相關。頂點探測器和徑跡室主要用來測量高能帶電粒子的徑跡。物理學家們根據這些帶電粒子在磁場中的運動軌跡計算出它們的動量。根據粒子的動量、能量、質量及其它性能來判別粒子。頂點探測器和徑跡室的定位精度(即空間分辨率)對粒子識別是非常重要的。這些探測器的空間分辨率越高，粒子的動量分辨才能達到越高，徑跡才能測得越精確，最終測得的頂點位置和粒子動量越準確。各國的高能物理學家根據各自不同的實驗要求，設計了不同的頂點探測器和徑跡測量系統。有些採用的是單邊讀出，有些則採用雙邊讀出的硅微條探測器，還有些採用像素探測器、CCD和硅片探測器等。硅微條等硅半導體探測器越來越受各國科學家們歡迎。隨着時間的改變在世界各主要高能物理實驗中，應用的面積和相應的電子學路數在迅速增長。美國費米實驗室的D0實驗採用硅微條探測器作為頂點探測器。為了增大覆蓋立體角，除了桶部設計得比較長外，還設計了H2DISK和F2DISK，這個頂點探測器所用的硅微條探測器都是用交流耦合輸出的。其桶部部分採用單邊讀出的硅微條探測器，而D2DISK和H2DISK部分是採用雙邊讀出的硅微條探測器。讀出電子學都是採用集成電路SVXIIb，每一片SVXIIb就有128路讀出。

丁肇中先生領導的AMS組（國際空間站阿爾法磁譜儀實驗），計劃把A磁譜儀AMS送到國際空間站ISSA，企望在宇宙線中尋找反物質和暗物質。AMS的中間核心部分的多層徑跡室都是採用雙邊讀出的硅微條探測器。它是充分利用了雙邊讀出硅微條探測器的高空間分辨率，兩維信息讀出，CMOS電子學的低功耗的特點。雖然譜儀的體積並不大(直徑和高才1m多)，但這些精密的徑跡探測器與譜儀中的永久磁鐵、飛行時間計數器、契倫科夫探測器、量能器等緊密配合，可能會為天體物理和宇宙線科學作出非常卓越的貢獻 ^[3]  。

核醫學影像技術與高能物理及核物理探測技術是密切相關的，核醫學領域的X光透視，X2CT、MRI、PET、ECT等等，都是在高能物理和核物理實驗探測技術的基礎上發展起來的。探測技術的各項發展都在不斷帶動核醫學

影像技術的發展。早期的X光影像檢測，顯示記錄只是用X光膠片，隨着探測技術的發展，很多新的探測器應用到核醫學的圖像檢測系統中。有關文獻介紹的1996~1999應用到核醫學領域各種探測器的統計基本概況

日本KEK高能物理實驗室用100keV的X射線經過三次狹縫和一個吸收體的準直和單色化，形成一束扁平的射線束，然後再經過一塊鍺晶體的布喇格反射形成一束均勻分佈的Lm級的扁平X射線。當它穿過樣品(相當於一個超微的切片)後再經過第二塊鍺晶體的非對稱的布喇格反射，將不均勻的扁平X射線拉寬，投射到微條型探測器上。用這種方法，其空間分辨率達到4μm。在X射線影像的數字化方面，如數字X光機等研究，在新探測技術的帶動下也有了很多進展，它克服了傳統X射線成像方式的各種缺陷:

1)傳統的X射線透視攝影以膠片為介質，它對於X射線的能量利用率低，其量子探測效率(QuantumDetectionEfficiency，QDE)只有20%～30%。數字化成像系統可達到60%以上，因此後者成像所需要的輻射劑量可降低30%～70%。

2)傳統的X射線成像比數字化成像的動態範圍狹窄得多，數字化成像比傳統成像方式的曝射量寬3數量級，因此它可以獲得較高的密度分辨率及較大的曝射動態範圍。

3)傳統的X射線成像後不能進行圖像再處理，若圖像質量不滿足診斷要求，只能讓病人再受輻射劑量，重複作X光照相;而數字化成像後還可以進行再處理，例如邊緣增強，灰階變換，視窗拉寬等。圖中腿骨的普通X光攝影照片和數字攝影照片的對比，數字攝影照片可以用散光濾鏡把散光濾掉，使圖像主題清楚更富有立體感。

4)數字化成像獲得影像的數據時間非常短，用於心血管造影的裝置每秒可達到50～60幅，這樣就可以消除因器官活動所導致的模糊現象等。

5)新一代的數字X光機，可以直接顯示圖像，並把圖形數據存入計算機的硬盤、光盤、磁帶及軟盤中，或進行異地的網絡傳送和會診都非常方便。