γ吸收劑量率在線探測用硅光電池的電學(xué)性能研究

楊桂霞，李曉燕，傅 瀾，吳文昊，安 友，曾凡松（．中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽 62900；2．四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所，四川成都 60064）

γ吸收劑量率在線探測用硅光電池的電學(xué)性能研究

楊桂霞1，2，李曉燕1，傅 瀾1，吳文昊1，安 友1，曾凡松1
（1．中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽 621900；2．四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所，四川成都 610064）

摘要：建立了一種γ吸收劑量率實時在線測量系統(tǒng)，研究了半導(dǎo)體硅光電池BBZSGD－4輻射光生電流和γ吸收劑量率之間的關(guān)系，并對其耐輻照性能進(jìn)行了研究。60Coγ輻照實驗表明：半導(dǎo)體硅光電池BBZSGD－4對60Co的γ射線有較好的響應(yīng)，其輻射光生電流與吸收劑量率的關(guān)系呈線性規(guī)律。當(dāng)吸收劑量率為94．54Gy／min時，輻射光生電流可達(dá)1．26μA。在吸收劑量率為50Gy／min時，輻射光生電流隨總吸收劑量的增加呈指數(shù)下降，總吸收劑量為5 445．8Gy時，其輻射光生電流衰減1%。半導(dǎo)體硅光電池BBZSGD－4具有作為實時在線低吸收劑量率探測器的潛力。

關(guān)鍵詞：60Co；γ射線；輻射光生電流；硅光電池；吸收劑量率

由于空間飛行器及核武器所處輻射環(huán)境可能對所用材料具有破壞性，因此需在使用前對半導(dǎo)體元器件及材料的抗輻射性能進(jìn)行考核，該類考核常選用60Coγ源作為總吸收劑量效應(yīng)的測試裝置。為確?？己说臏?zhǔn)確性，需對60Coγ源的吸收劑量率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

在現(xiàn)有穩(wěn)態(tài)強(qiáng)γ輻射場中，吸收劑量（率）的測量多用到電離室、熱釋光以及各種化學(xué)劑量計等。熱釋光、化學(xué)劑量計因光響應(yīng)速率慢，測量結(jié)果分散度大或易碎等原因［1－3］，難以進(jìn)行元器件吸收劑量（率）的實時在線測量。與電離室相比，半導(dǎo)體材料具有較高的靈敏度［4－6］，不需要高壓，不存在壓強(qiáng)修正問題，同時可根據(jù)需要制備成體積很小的器件，與靈敏度相同的電離室相比，其空間分辨率可做得更高，在作為實時在線吸收劑量探測器方面有著非常好的前景。

目前，國外已可生產(chǎn)成型的半導(dǎo)體探測器，配合后端在線測試系統(tǒng)，可實時在線測量60Coγ輻照場中的吸收劑量（率），但其售價昂貴，且易被輻射損傷，使其無法成為吸收劑量（率）的常規(guī)檢測手段。本研究旨在選用價格低廉、易于更換、空間分辨率較高的半導(dǎo)體硅光電池，探索其輻射光生電流和γ吸收劑量率是否存在線性關(guān)系，通過耐輻照實驗探索其總吸收劑量的適用范圍，研究半導(dǎo)體硅光電池作為60Coγ吸收劑量率實時在線探測器的可能性。

1　探測原理

半導(dǎo)體吸收劑量探測器實現(xiàn)吸收劑量探測是通過PN結(jié)光電效應(yīng)來實現(xiàn)的，如圖1所示［7］。入射光照射在PN結(jié)的光敏面P區(qū)，入射光能量大于材料禁帶寬度時，P區(qū)的表面附近將產(chǎn)生電子－空穴對。二者均向PN結(jié)區(qū)方向擴(kuò)散。由于PN結(jié)區(qū)內(nèi)建電場的作用，空穴只能留在PN結(jié)區(qū)的P區(qū)一側(cè)，而電子則被拉向PN結(jié)區(qū)的N區(qū)一側(cè)。結(jié)果是，耗盡區(qū)寬度變窄，接觸電勢差減小。這時的接觸電勢差和熱平衡時相比，其減小量即為光生電勢差，入射的光能就轉(zhuǎn)變成了電能。當(dāng)外電路短路時，就有電流流過PN結(jié)。這樣，就實現(xiàn)了電子－空穴對的分離，形成光生電流，其方向是從N端經(jīng)過PN結(jié)指向P端。光照下PN結(jié)的電流方程為：

圖1　 輻照產(chǎn)生光生電流的原理Fig．1 Principle of radiationinduced photocurrent

2　實驗

2．1 實驗設(shè)計

圖2　 輻射光生電流／電壓在線測試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig．2 Sketch of real－time online testing system of radiation photocurrent／photovoltage

圖2為以光電池為前端探測器的實時在線輻射光生電流／電壓測試系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)前端置于60Coγ輻照場中，光電池和夾具通過長度為50 m的特種測試電纜與測控系統(tǒng)連接。測控系統(tǒng)由Kethley 6517B高阻／靜電計、多通道掃描卡及自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集和處理軟件組成，可實現(xiàn)10路信號同時采集，每路信號采集電流精度為1fA，電壓精度為1nV，自主編制的軟件可實現(xiàn)硬件設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，整個測試系統(tǒng)暗電流約為2．42×10－11A。該系統(tǒng)可實時在線記錄γ輻射對半導(dǎo)體元件的電過壓力，通過電過壓力的變化來考察半導(dǎo)體的耐輻照性能。輻照實驗在60Coγ輻照裝置上完成，吸收劑量率范圍為5～97．5Gy／min。

2．2 半導(dǎo)體光電池

所選半導(dǎo)體硅光電池型號為BBZSGD－4，華東光電器件研究所生產(chǎn)，其光敏面積為4mm×4mm，如圖3所示。該種光電池主要用于日光發(fā)電，但如果改變其光敏面封裝玻璃，可制作成日盲型光電池，本研究選用的即為日盲型光電池。BBZSGD－4光電池主體材料為硅和含硅化合物，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，因輻射容易在硅中引起瞬時電流，所以該種光電池有望用作輻射探測器。

圖3　 BBZSGD－4光電池實物圖Fig．3 Picture of BBZSGD－4

圖4　 BBZSGD－4光電池剖面圖Fig．4 Cutaway drawing of BBZSGD－4

2．360Coγ吸收劑量率測量方法

選用重鉻酸銀劑量計［8］，利用中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所紫外－可見分光光度計（T6新世紀(jì)）測量得到60Coγ輻照場中的吸收劑量率，該套吸收劑量率測試系統(tǒng)經(jīng)過中國計量科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)劑量計校準(zhǔn)，測量誤差≤5%。

3　結(jié)果與討論

3．1 BBZSGD－4光電池在60Coγ輻照場中的輻射光生電流效應(yīng)

為檢驗BBZSGD－4光電池的測量重復(fù)性，選取2支BBZSGD－4光電池同時測量其在60Coγ輻照場中的輻射光生電流，結(jié)果示于圖5。從圖5可看出，BBZSGD－4光電池輻射光生電流與60Coγ輻照場中吸收劑量率的關(guān)系呈線性規(guī)律，其線性方程為：y＝（9．679 93±6．112 71）＋（13．219 56±0．140 05）x，說明BBZSGD－4光電池的輻射光生電流對吸收劑量率有著良好的線性響應(yīng)。此外從圖5還可看出，2支BBZSGD－4光電池的測量結(jié)果重合度較好。

圖5　 BBZSGD－4光電池的輻射光生電流隨吸收劑量率的變化Fig．5 Radiation photocurrent of BBZSGD－4against absorbed dose rate

3．2 BBZSGD－4光電池在60Coγ輻照場中的耐輻照性能

硅材料屬于第一代半導(dǎo)體材料，輻射會導(dǎo)致其電學(xué)性能衰減。如果吸收劑量過大，則可能造成半導(dǎo)體硅器件喪失功能，本文對BBZSGD－4光電池的耐輻照性能進(jìn)行了測試，研究其可接受的總吸收劑量限值。圖6為吸收劑量率為50Gy／min時，BBZSGD－4光電池的輻射光生電流隨總吸收劑量的變化，其中擬合曲線的擬合方程為：

y＝1．912 6×10－7×e－x／78 310．195 7＋1．957 8×10－7×e－x／78 310．195 1＋2．277 3×

10－7×e－x／78 310．200 1＋1．818 4×10－7

其中：y為輻射光生電流，A；x為吸收劑量，Gy。

圖6　 吸收劑量率為50Gy／min時BBZSGD－4輻射光生電流隨總吸收劑量的變化Fig．6 Radiation photocurrent of BBZSGD－4 against total absorbed dose at absorbed dose rate of 50Gy／min

由圖6可看出，在較強(qiáng)的γ輻照下，BBZSGD－4光電池的輻射光生電流隨總吸收劑量的增加而不斷減小，說明γ射線對光電池產(chǎn)生了持續(xù)的輻射損傷。由擬合方程可見，吸收劑量率為50Gy／min時，BBZSGD－4光電池的輻射光生電流隨總吸收劑量的變化符合指數(shù)規(guī)律。表1列出了部分總吸收劑量所對應(yīng)的輻射光生電流及其下降份額ΔI（ΔI＝（It－I0）／I0，其中，It和I0分別為輻照t時刻及輻照開始時的輻射光生電流）。如果要使得光電池測試精確度高于重鉻酸銀劑量計，則其總吸收劑量必須小于8 708．1Gy。在該精度下，如果要增大光電池的使用時間，可將光電池置于較低吸收劑量率的輻射環(huán)境，如吸收劑量率范圍為10～40Gy／min的輻照場中。

在線測試系統(tǒng)暗電流約為2．42×10－11A，但由于60Co源的輻射漲落及BBZSGD－4光電池內(nèi)部缺陷的統(tǒng)計漲落，造成輻射光生電流的微小漲落。吸收劑量率為50Gy／min時，對BBZSGD－4光電池的輻射光生電流隨總吸收劑量的變化曲線進(jìn)行局部放大，結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出輻射光生電流的漲落變化約為2．0×10－10A，所以無法依據(jù)線性方程y＝（9．679 93±6．112 71）＋（13．219 56±0．140 05）x來推算輻射光生電流接近10－10A量級所對應(yīng)的吸收劑量率。

表1　 總吸收劑量對輻射光生電流的影響Table 1 Effect of absorbed doseon radiation photocurrent

圖7　 吸收劑量率為50Gy／min時BBZSGD－4輻射光生電流隨總吸收劑量的局部變化Fig．7 Partial enlargement for radiation photocurrent of BBZSGD－4against total absorbed doseat absorbed dose rate of 50Gy／min

4　結(jié)論

選用市售價格低廉的半導(dǎo)體硅光電池作為60Coγ輻射場吸收劑量率探測器的候選元器件，搭建實時在線輻射光生電流／電壓測試系統(tǒng)，研究了其輻射光生電流與吸收劑量率的關(guān)系，并通過耐輻照實驗明確了其適用的總吸收劑量范圍。實驗發(fā)現(xiàn)選用的半導(dǎo)體硅光電池BBZSGD－4對60Coγ射線有較好的響應(yīng)，其輻射光生電流與吸收劑量率的關(guān)系符合線性規(guī)律，具有作為穩(wěn)定的實時在線低吸收劑量率探測器的潛力。

感謝中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所鈷源輻照裝置運(yùn)行組在相關(guān)實驗中給予的大力支持和幫助。

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Electrical Behavior Research of Silicon Photo－cell Used
in Online Monitoring Absorbed Dose Rate ofγ－ray

YANG Gui－xia1，2，LI Xiao－yan1，F(xiàn)U Lan1，WU Wen－h(huán)ao1，AN You1，ZENG Fan－song1
（1．Institute of Nuclear Physics and Chemistry，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621900，China；2．Institute of Nuclear Science and Technology，Sichuan University，Chengdu610064，China）

Abstract：The real－time online monitoring system forγ－ray absorbed dose rate was established to study the relationship between the photocurrent of semi－conductive silicon photo－cell BBZSGD－4andγ－ray absorbed dose rate under the open circuit．The radioactive experiments in60Coγradiation field show that photo－cell BBZSGD－4has good response to60Coγ－ray，and their relationship accords with the linear law．The photocurrent of photo－cell can be up to 1．26μA when the absorbed dose rate is 94．54Gy／min．The relationship between photocurrent and the absorbed dose accords with exponential law when absorbed dose rate is 50Gy／min，and the attenuation of photocurrent is 1%when the absorbed dose is 5 445．8Gy．Thus photo－cell BBZSGD－4has the poten－book=1505,ebook=167tial to be a real－time detector to detect low absorbed dose rate in60Coγradiation field．Key words：60Co；γ－ray；radiation photocurrent；silicon photo－cell；absorbed dose rate

作者簡介：楊桂霞（1983—），女，甘肅靖遠(yuǎn)人，助理研究員，博士研究生，從事材料輻射物理與輻射化學(xué)效應(yīng)研究

收稿日期：2014－04－03；修回日期：2014－10－19

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1504

文章編號：1000－6931（2015）08－1504－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：O472．8；O571．33