Si SOI微剂量阵列探测器物理设计关键问题研究

鉴于Si基微剂量探测器抗辐射性能弱且灵敏体积不易确定等不足，拟研制基于SOI的新型工艺结构Si PIN阵列微剂量探测器系统。为减小探测器角响应、能量分辨和噪声等因素对测量微剂量谱的影响，首先采用数值模拟及蒙卡模拟耦合方法开展探测器能量响应、角响应及特征电参数理论模拟研究，探索关键参数指标优化技术途径，建立优化的探测器工艺结构模型；其次进行探测器中子、质子、重离子辐照实验及特性参数测量研究，分析参数变化物理机制，探索核加固设计关键工艺，验证并改进理论设计模型，抑制辐射损伤引起的测量谱漂移。为解决因脉冲堆积、噪声、弹道亏损等引起的探测器输出信号失真，拟设计低噪声数字化多通道谱数据获取系统，研究数字信号处理优化算法和测量谱校正方法，揭示信号失真内在机制，优化设置数据获取系统关键电路模块参数，减小测量谱不确定度。本研究为新型微剂量探测器设计研制及在空间探测、束流诊断、辐射疗癌等领域的应用奠定基础。

基于细胞尺度的高性能微剂量探测器研发是开展辐射微剂量精确测量及辐射效应研究的基础。本项目基于蒙卡模拟与数值仿真耦合方法，首先完成了基于Si SOI DRIE工艺的不同阵列结构（pixel、stripixel、pad等）的3D Si SOI PIN微剂量阵列探测器关键性能参数核加固优化设计与流片加工。开展了探测器I-V、C-V特性参数测量与典型阵列微剂量探测器反应堆中子辐射损伤实验研究；测量绝大多数微剂量探测器漏电流分布：1pA~0.5μA；耗尽电压~6V；实验测量探测器抗1MeV等效中子辐射能力大于5×1013n/cm2。 .其次，基于研发的探测器性能参数及辐射场特征，完成了基于0.18μm Si CMOS工艺的低噪声、低功耗、宽动态、高集成度前端读出ASIC关键电路模块（电荷灵敏放大器、滤波成型电路、峰保持电路、漏电流补偿电路、电压甄别器与基准源等）优化设计；设计的读出ASIC动态范围5fC~500fC，积分非线性小于1%，单通道功耗~2.8 mW，信噪比40dB@0pF。基于NI PXI多通道同步采集卡设计了微剂量线能谱数字化多道数据获取处理系统，测量积分非线性0.092%，微分非线性~4.75%。. 最后，开展了固体径迹探测器CR-39质子、重离子辐照剂量线性及阈值标定实验研究，得到了不同能量、注量辐射粒子最佳径迹蚀刻条件、剂量刻度曲线和CR-39辐照阈值。进行了基于TEPC的中子、gamma辐射场线能微剂量谱测量与分析及高性能阵列型TEPC性能模拟与分析。率先开展了基于纳米工艺片上系统SoC的数字化谱数据获取系统关键电路模块单粒子、总剂量辐射实验研究及辐射损伤机理分析；同时实验研究了读出电路系统接口开关双极晶体管抗传导性电磁干扰效应能力等。项目工作为微型化、低功耗、低噪声核加固微剂量阵列探测器系统建立及其广泛应用、微剂量测量对比研究等提供了重要技术支撑。