γ吸收剂量率在线探测用硅光电池的电学性能研究

杨桂霞，李晓燕，傅 澜，吴文昊，安 友，曾凡松（．中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳 62900；2．四川大学原子核科学技术研究所，四川成都 60064）

γ吸收剂量率在线探测用硅光电池的电学性能研究

杨桂霞1，2，李晓燕1，傅 澜1，吴文昊1，安 友1，曾凡松1
（1．中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳 621900；2．四川大学原子核科学技术研究所，四川成都 610064）

摘要：建立了一种γ吸收剂量率实时在线测量系统，研究了半导体硅光电池BBZSGD－4辐射光生电流和γ吸收剂量率之间的关系，并对其耐辐照性能进行了研究。60Coγ辐照实验表明：半导体硅光电池BBZSGD－4对60Co的γ射线有较好的响应，其辐射光生电流与吸收剂量率的关系呈线性规律。当吸收剂量率为94．54Gy／min时，辐射光生电流可达1．26μA。在吸收剂量率为50Gy／min时，辐射光生电流随总吸收剂量的增加呈指数下降，总吸收剂量为5 445．8Gy时，其辐射光生电流衰减1%。半导体硅光电池BBZSGD－4具有作为实时在线低吸收剂量率探测器的潜力。

关键词：60Co；γ射线；辐射光生电流；硅光电池；吸收剂量率

由于空间飞行器及核武器所处辐射环境可能对所用材料具有破坏性，因此需在使用前对半导体元器件及材料的抗辐射性能进行考核，该类考核常选用60Coγ源作为总吸收剂量效应的测试装置。为确保考核的准确性，需对60Coγ源的吸收剂量率进行准确测量。

在现有稳态强γ辐射场中，吸收剂量（率）的测量多用到电离室、热释光以及各种化学剂量计等。热释光、化学剂量计因光响应速率慢，测量结果分散度大或易碎等原因［1－3］，难以进行元器件吸收剂量（率）的实时在线测量。与电离室相比，半导体材料具有较高的灵敏度［4－6］，不需要高压，不存在压强修正问题，同时可根据需要制备成体积很小的器件，与灵敏度相同的电离室相比，其空间分辨率可做得更高，在作为实时在线吸收剂量探测器方面有着非常好的前景。

目前，国外已可生产成型的半导体探测器，配合后端在线测试系统，可实时在线测量60Coγ辐照场中的吸收剂量（率），但其售价昂贵，且易被辐射损伤，使其无法成为吸收剂量（率）的常规检测手段。本研究旨在选用价格低廉、易于更换、空间分辨率较高的半导体硅光电池，探索其辐射光生电流和γ吸收剂量率是否存在线性关系，通过耐辐照实验探索其总吸收剂量的适用范围，研究半导体硅光电池作为60Coγ吸收剂量率实时在线探测器的可能性。

1　探测原理

半导体吸收剂量探测器实现吸收剂量探测是通过PN结光电效应来实现的，如图1所示［7］。入射光照射在PN结的光敏面P区，入射光能量大于材料禁带宽度时，P区的表面附近将产生电子－空穴对。二者均向PN结区方向扩散。由于PN结区内建电场的作用，空穴只能留在PN结区的P区一侧，而电子则被拉向PN结区的N区一侧。结果是，耗尽区宽度变窄，接触电势差减小。这时的接触电势差和热平衡时相比，其减小量即为光生电势差，入射的光能就转变成了电能。当外电路短路时，就有电流流过PN结。这样，就实现了电子－空穴对的分离，形成光生电流，其方向是从N端经过PN结指向P端。光照下PN结的电流方程为：

图1　 辐照产生光生电流的原理Fig．1 Principle of radiationinduced photocurrent

2　实验

2．1 实验设计

图2　 辐射光生电流／电压在线测试系统构成示意图Fig．2 Sketch of real－time online testing system of radiation photocurrent／photovoltage

图2为以光电池为前端探测器的实时在线辐射光生电流／电压测试系统示意图。该系统前端置于60Coγ辐照场中，光电池和夹具通过长度为50 m的特种测试电缆与测控系统连接。测控系统由Kethley 6517B高阻／静电计、多通道扫描卡及自主研发的数据采集和处理软件组成，可实现10路信号同时采集，每路信号采集电流精度为1fA，电压精度为1nV，自主编制的软件可实现硬件设备的远程操控，整个测试系统暗电流约为2．42×10－11A。该系统可实时在线记录γ辐射对半导体元件的电过压力，通过电过压力的变化来考察半导体的耐辐照性能。辐照实验在60Coγ辐照装置上完成，吸收剂量率范围为5～97．5Gy／min。

2．2 半导体光电池

所选半导体硅光电池型号为BBZSGD－4，华东光电器件研究所生产，其光敏面积为4mm×4mm，如图3所示。该种光电池主要用于日光发电，但如果改变其光敏面封装玻璃，可制作成日盲型光电池，本研究选用的即为日盲型光电池。BBZSGD－4光电池主体材料为硅和含硅化合物，其结构如图4所示，因辐射容易在硅中引起瞬时电流，所以该种光电池有望用作辐射探测器。

图3　 BBZSGD－4光电池实物图Fig．3 Picture of BBZSGD－4

图4　 BBZSGD－4光电池剖面图Fig．4 Cutaway drawing of BBZSGD－4

2．360Coγ吸收剂量率测量方法

选用重铬酸银剂量计［8］，利用中国工程物理研究院核物理与化学研究所紫外－可见分光光度计（T6新世纪）测量得到60Coγ辐照场中的吸收剂量率，该套吸收剂量率测试系统经过中国计量科学研究院标准剂量计校准，测量误差≤5%。

3　结果与讨论

3．1 BBZSGD－4光电池在60Coγ辐照场中的辐射光生电流效应

为检验BBZSGD－4光电池的测量重复性，选取2支BBZSGD－4光电池同时测量其在60Coγ辐照场中的辐射光生电流，结果示于图5。从图5可看出，BBZSGD－4光电池辐射光生电流与60Coγ辐照场中吸收剂量率的关系呈线性规律，其线性方程为：y＝（9．679 93±6．112 71）＋（13．219 56±0．140 05）x，说明BBZSGD－4光电池的辐射光生电流对吸收剂量率有着良好的线性响应。此外从图5还可看出，2支BBZSGD－4光电池的测量结果重合度较好。

图5　 BBZSGD－4光电池的辐射光生电流随吸收剂量率的变化Fig．5 Radiation photocurrent of BBZSGD－4against absorbed dose rate

3．2 BBZSGD－4光电池在60Coγ辐照场中的耐辐照性能

硅材料属于第一代半导体材料，辐射会导致其电学性能衰减。如果吸收剂量过大，则可能造成半导体硅器件丧失功能，本文对BBZSGD－4光电池的耐辐照性能进行了测试，研究其可接受的总吸收剂量限值。图6为吸收剂量率为50Gy／min时，BBZSGD－4光电池的辐射光生电流随总吸收剂量的变化，其中拟合曲线的拟合方程为：

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为辐射光生电流，A；x为吸收剂量，Gy。

图6　 吸收剂量率为50Gy／min时BBZSGD－4辐射光生电流随总吸收剂量的变化Fig．6 Radiation photocurrent of BBZSGD－4 against total absorbed dose at absorbed dose rate of 50Gy／min

由图6可看出，在较强的γ辐照下，BBZSGD－4光电池的辐射光生电流随总吸收剂量的增加而不断减小，说明γ射线对光电池产生了持续的辐射损伤。由拟合方程可见，吸收剂量率为50Gy／min时，BBZSGD－4光电池的辐射光生电流随总吸收剂量的变化符合指数规律。表1列出了部分总吸收剂量所对应的辐射光生电流及其下降份额ΔI（ΔI＝（It－I0）／I0，其中，It和I0分别为辐照t时刻及辐照开始时的辐射光生电流）。如果要使得光电池测试精确度高于重铬酸银剂量计，则其总吸收剂量必须小于8 708．1Gy。在该精度下，如果要增大光电池的使用时间，可将光电池置于较低吸收剂量率的辐射环境，如吸收剂量率范围为10～40Gy／min的辐照场中。

在线测试系统暗电流约为2．42×10－11A，但由于60Co源的辐射涨落及BBZSGD－4光电池内部缺陷的统计涨落，造成辐射光生电流的微小涨落。吸收剂量率为50Gy／min时，对BBZSGD－4光电池的辐射光生电流随总吸收剂量的变化曲线进行局部放大，结果如图7所示。由图7可看出辐射光生电流的涨落变化约为2．0×10－10A，所以无法依据线性方程y＝（9．679 93±6．112 71）＋（13．219 56±0．140 05）x来推算辐射光生电流接近10－10A量级所对应的吸收剂量率。

表1　 总吸收剂量对辐射光生电流的影响Table 1 Effect of absorbed doseon radiation photocurrent

图7　 吸收剂量率为50Gy／min时BBZSGD－4辐射光生电流随总吸收剂量的局部变化Fig．7 Partial enlargement for radiation photocurrent of BBZSGD－4against total absorbed doseat absorbed dose rate of 50Gy／min

4　结论

选用市售价格低廉的半导体硅光电池作为60Coγ辐射场吸收剂量率探测器的候选元器件，搭建实时在线辐射光生电流／电压测试系统，研究了其辐射光生电流与吸收剂量率的关系，并通过耐辐照实验明确了其适用的总吸收剂量范围。实验发现选用的半导体硅光电池BBZSGD－4对60Coγ射线有较好的响应，其辐射光生电流与吸收剂量率的关系符合线性规律，具有作为稳定的实时在线低吸收剂量率探测器的潜力。

感谢中国工程物理研究院核物理与化学研究所钴源辐照装置运行组在相关实验中给予的大力支持和帮助。

参考文献：

［1］ 贾育新，张素芬，麦维基，等．不同批次玻璃管热释光元件的实验结果及使用差异［J］．中国辐射卫生，2012，21（3）：292－293．

［2］ 林敏，叶宏生，林京文，等．液体化学剂量计测定电子束吸收剂量［J］．原子能科学技术，1998，32（6）：510－516．LIN Min，YE Hongsheng，LIN Jingwen，et al．Dose measurements with liquid chemical dosimeters for electron beams［J］．Atomic Energy Science and Technology，1998，32（6）：510－516（in Chinese）．

［3］ 王进，余宁乐，杨春勇，等．医用加速器平板型电离室和热释光剂量计电子线剂量验证比对［J］．中国职业医学，2013，40（4）：352－354．WANG Jin，YU Ningle，YANG Chunyong，et al．Dose verification of electron beam of medical accelerator between flat chamber and thermoluminescence dosimeter［J］．China Occupational Medicine，2013，40（4）：352－354（in Chinese）．

［4］ 赵国庆，陆福全，许志正，等．原子核物理实验方法：上册［M］．2版．北京：原子能出版社，1985：177．

［5］ KASHERININOV P G，LODYGIN A N．Dosimeter for real－time monitoring of nuclear radiation energy（dose）using a metal－gas－insulatorsemiconductor structure［J］．Technical Physics Letters，1998，24（11）：893－895．

［6］ 孙光智，刘单，钟秋林，等．用于γ辐射场测量的差分电离室的设计［J］．核电子学与探测技术，2013，33（1）：41－44．SUN Guangzhi，LIU Dan，ZHONG Qiulin，et al．The design of a differential ionization chamber used forγradiated field［J］．Nuclear Electronics ＆Detection Technology，2013，33（1）：41－44（in Chinese）．

［7］ 江文杰，曾学文，施建华．光电技术［M］．北京：科学出版社，2009：33－34．

［8］ 魏志勇．辐射剂量学［M］．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010：204－205．

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

YANG Gui－xia1，2，LI Xiao－yan1，FU Lan1，WU Wen－hao1，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

作者简介：杨桂霞（1983—），女，甘肃靖远人，助理研究员，博士研究生，从事材料辐射物理与辐射化学效应研究

收稿日期：2014－04－03；修回日期：2014－10－19

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1504

文章编号：1000－6931（2015）08－1504－05

文献标志码：A

中图分类号：O472．8；O571．33