[发明专利]检测器、用于制造检测器的方法和成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及检测器、制造所述检测器的方法和成像装置。具体来说，但并不排他，本发明涉及中子检测器、与所述中子检测器相关联的中子反应材料和中子成像装置。

背景技术

已经知道不同种类的检测器用于检测、跟踪和/或识别电离辐射和高能粒子，诸如核衰变、宇宙辐射或者粒子加速器中的反应所产生的粒子。电离辐射的类型以及经由与其他粒子碰撞而产生电离辐射的粒子的一些示例为：α粒子（氦核）、β粒子（电子）、中子、伽马射线（高频电磁波、X射线一般与伽马射线相同，除了它们的来源之外）、以及作为示例的带电强子。中子本身不会电离，而是它们与核子的碰撞导致发射出会导致电离的其他带电粒子。

现在存在用于不同类型的辐射和粒子的专用检测器。为了检测辐射，利用与物质相互作用的过程，其中相互作用的介质将不可见的辐射转换为可检测的信号。如果辐射由带电粒子诸如α粒子、电子或正电子构成，则电磁相互作用产生可以收集和检测的电荷。它还能引发进一步的过程，这些过程可以在检测器介质中产生可检测或可记录的信号。辐射或粒子（诸如中子）必须与物质相互作用并且将其能量转移给带电粒子（例如电子）。例如，电中性的伽马辐射通过电磁过程与物质相互作用，并且将其部分或全部能量转移给载荷子。为了记录热中子，需要导致例如带电粒子（诸如α粒子）的中子俘获。

所有检测器都利用辐射与物质相互作用、大部分经由电离相互作用这一事实。检测器将电离辐射携带的能量转换成被记录的信号，通常是电信号。与辐射的相互作用发生在相互作用介质中，并且产生被收集和检测的电荷。目前非常常见的检测器是采用半导体（通常是硅或锗）来检测横穿的带电粒子或者光子吸收的半导体检测器。在半导体检测器中，借助在布置于两个电极之间的检测器中释出的载荷子数量来测量辐射。由电离辐射产生的自由电子和空穴（电子-空穴对）的数量与辐射传递给半导体的能量成比例。结果是，大量电子从价带转移到导带，并且在价带中形成等量的空穴。在电场的影响下，电子和空穴向电极迁移，它们在那里产生可以在外部电路中测量的脉冲。空穴相对于电子向相反的方向迁移，并且两者都可以测量。由于产生电子-空穴对所需的能量大小是已知的，并且独立于入射辐射的能量，所以测量电子-空穴对的数量允许测量入射辐射的能量。

半导体检测器基于晶片，晶片是半导电材料诸如硅晶体的薄切片，例如通过掺杂（例如，扩散或离子植入）、化学蚀刻或者沉积各种材料而在所述薄切片上构造微电路。原则上，大多数硅粒子检测器利用硅上的二极管结构工作，这种二极管结构则反向偏置。二极管是限制载荷子定向流动的部件。基本上，二极管允许电流向一个方向流动，而阻止其向相反方向流动。当带电粒子经过这些二极管结构时，它们导致可以检测和测量的较小的电离电流。在粒子加速器中的碰撞点周围布置数千个这种检测器，可以给出粒子所遵循的路径的精确图案。

用于检测高强度辐射或粒子的硅检测器的例子由WO2009/071587描述，其中检测器包括：具有进入开口的硅晶片，所述进入开口通过硅的低阻抗体积蚀刻；高阻抗硅的敏感体积，用于将辐射粒子转换成可检测的电荷；和位于高阻抗硅层和低阻抗硅层之间的钝化层。检测器进一步包括：构建成竖直通道形式、用于收集电荷的电极，其中所述通道蚀刻到敏感体积中；和用于从被收集的电荷产生信号的读出电子器件。所述检测器构造成通过钝化层直接摄入待检测的辐射或粒子，并且敏感层的厚度作为待检测的粒子的平均自由程的函数来选择。

WO2009/071587的检测器利用半导体位于绝缘体上的（SOI）晶片来制造，这种晶片包括两个n型硅的最外层和二氧化硅的中间层。制造方法的主要特征在于以下步骤：作为待检测粒子的平均自由程的函数，选择在前表面处作为敏感层的其中一个硅层的厚度；通过留下开放窗口而在晶片的两个表面上生长或沉积绝缘层；在所述层中蚀刻孔以构造敏感层，从而达到二氧化硅层；掺杂所述孔以形成电极；在所述晶片的前表面处沉积或图案化所述金属层，并且将所述金属层引导到读出电子器件；和在所述晶片的背面形成达到所述二氧化硅层的窗口。

WO2009/071587的检测器例如可以通过如下所述来检测高强度辐射粒子：让辐射或粒子通过进入窗口进入检测器，将高阻抗硅的敏感体积中的中性原子电离；在蚀刻到敏感体积中的电极之间施加电压；和借助读出电子器件检测作为与电极接触的结果而产生的信号。所述检测器还可在进入窗口具有聚乙烯减速剂，用于检测中子。