《Si SOI微劑量陣列探測器物理設計關鍵問題研究》是依託西安交通大學，由劉書煥擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Si SOI微劑量陣列探測器物理設計關鍵問題研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉書煥
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
鑒於Si基微劑量探測器抗輻射性能弱且靈敏體積不易確定等不足，擬研製基於SOI的新型工藝結構Si PIN陣列微劑量探測器系統。為減小探測器角回響、能量分辨和噪聲等因素對測量微劑量譜的影響，首先採用數值模擬及蒙卡模擬耦合方法開展探測器能量回響、角回響及特徵電參數理論模擬研究，探索關鍵參數指標最佳化技術途徑，建立最佳化的探測器工藝結構模型；其次進行探測器中子、質子、重離子輻照實驗及特性參數測量研究，分析參數變化物理機制，探索核加固設計關鍵工藝，驗證並改進理論設計模型，抑制輻射損傷引起的測量譜漂移。為解決因脈衝堆積、噪聲、彈道虧損等引起的探測器輸出信號失真，擬設計低噪聲數位化多通道譜數據獲取系統，研究數位訊號處理最佳化算法和測量譜校正方法，揭示信號失真內在機制，最佳化設定數據獲取系統關鍵電路模組參數，減小測量譜不確定度。本研究為新型微劑量探測器設計研製及在空間探測、束流診斷、輻射療癌等領域的套用奠定基礎。
結題摘要
基於細胞尺度的高性能微劑量探測器研發是開展輻射微劑量精確測量及輻射效應研究的基礎。本項目基於蒙卡模擬與數值仿真耦合方法，首先完成了基於Si SOI DRIE工藝的不同陣列結構（pixel、stripixel、pad等）的3D Si SOI PIN微劑量陣列探測器關鍵性能參數核加固最佳化設計與流片加工。開展了探測器I-V、C-V特性參數測量與典型陣列微劑量探測器反應堆中子輻射損傷實驗研究；測量絕大多數微劑量探測器漏電流分布：1pA~0.5μA；耗盡電壓~6V；實驗測量探測器抗1MeV等效中子輻射能力大於5×1013n/cm2。其次，基於研發的探測器性能參數及輻射場特徵，完成了基於0.18μm Si CMOS工藝的低噪聲、低功耗、寬動態、高集成度前端讀出ASIC關鍵電路模組（電荷靈敏放大器、濾波成型電路、峰保持電路、漏電流補償電路、電壓甄別器與基準源等）最佳化設計；設計的讀出ASIC動態範圍5fC~500fC，積分非線性小於1%，單通道功耗~2.8 mW，信噪比40dB@0pF。基於NI PXI多通道同步採集卡設計了微劑量線能譜數位化多道數據獲取處理系統，測量積分非線性0.092%，微分非線性~4.75%。 最後，開展了固體徑跡探測器CR-39質子、重離子輻照劑量線性及閾值標定實驗研究，得到了不同能量、注量輻射粒子最佳徑跡蝕刻條件、劑量刻度曲線和CR-39輻照閾值。進行了基於TEPC的中子、gamma輻射場線能微劑量譜測量與分析及高性能陣列型TEPC性能模擬與分析。率先開展了基於納米工藝片上系統SoC的數位化譜數據獲取系統關鍵電路模組單粒子、總劑量輻射實驗研究及輻射損傷機理分析；同時實驗研究了讀出電路系統接口開關雙極電晶體抗傳導性電磁干擾效應能力等。項目工作為微型化、低功耗、低噪聲核加固微劑量陣列探測器系統建立及其廣泛套用、微劑量測量對比研究等提供了重要技術支撐。
