[科普中国]-硅微条探测器

硅微条探测器（silicon micro-strip detector）是指在PN结硅片型半导体探测器外侧敷盖多个金属微条以确定粒子位置的粒子探测器。为了测量粒子或射线的空间分布，近年来发展了以PN结为基体的硅微条位置灵敏探测器。1

形成和发展随着半导体技术的迅速发展，半导体粒子探测器也有了很大的发展。其中，硅微条探测器SMD ( Silicon Micro strip Detector) 的发展和应用是非常突出的一个。

近十几年来，世界各大高能物理实验室几乎都采用它作为顶点探测器：ATLA S 和CMS。作为探测粒子径迹的径迹室。在核医学领域的CT和其它数字化图像方面的应用研究，也有了很多新的进展。

结构从探测器横截面上看，主要分这样几个部分：

探测器表面：有薄铝条, SiO2隔离条，铝条下边是重掺p+条。

中间部分：是厚度大约为300μm 的高阻n 型硅基，作为探测器的灵敏区。

底部：是n 型硅掺入砷(As) 形成重掺杂n+ 层和铝薄膜组成的探测器的背衬电极。

微条(strips)是探测器的信号读出条, 它的宽窄和间距将影响探测器的空间分辨率。

保护环(Guard rings)在探测器的四周, 起到屏蔽保护作用, 使探测器降低了噪声, 提高了抗辐射能力。

多晶硅偏压电阻(Poly-silicon bias resistors)是集成在硅片上的, 它对于每个微条起保护作用，可以降低漏电流, 从而降低噪声。

偏压连接带(Bias trace)是连接偏压电源到每一个微条的连接带。

直流接触片(DC contact pad)是作直流耦合输出的接触点。

交流接触片(AC contact pads)是交流耦合输出的接触点, 一般信号读出是通过它们连到前置放大器的。

工作原理硅微条探测器是在一个n型硅片的表面上，通过氧化和离子注入法，局部扩散法，表面位垒法及光刻等技术工艺制作成的。其表面是均匀平行的附有一层铝膜的重搀杂p+微条。n型硅片的整个底面掺入杂质后，制成n型重搀杂n+层，其外层也附有一层铝，作为电极接触。这样制成了表面均匀条形的pn结型单边读出的探测器。

中间部分的耗尽层是探测器的灵敏区，当在这些条型pn结加上负偏压时，耗尽层在外加电场的作用下，随着电压升高而变厚。当电压足够高，耗尽层几乎扩展到整个n-型硅片，基本达到了全耗尽，死层变得非常薄。因为其内部可移动的载流子密度很低，电阻率很高，漏电流非常小(好的硅微条探测器漏电流小于100pA)。外加电压几乎全部加到耗尽区上，形成很高的电场，。

在无辐射电离时，基本没有信号产生。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区时，将产生电子－空穴对，在高电场的作用下，电子向正极(底板)漂移，空穴向靠近径迹的加负偏压的微条漂移，在这很小的区域内(探测器厚度在300μm左右)收集电荷只需很短的时间(5ns左右)。在探测器的微条上很快就读出了这个空穴(实为电子)运动产生的电荷信号。读出电子学得到这个电荷信号，经过前置放大器将信号放大，再经过模拟通道，比较器，模数转换(ADC)后读入计算机。

根据探测器系统测得的带电粒子的信息，及带电粒子在各个微条上的位置参量，可以确定各有关带电粒子的运动轨迹及对撞后末态粒子的次级顶点等。根据谱仪内的磁场强度和粒子运动的轨迹可以计算出每个带电粒子的动量。

在设计、制作和使用硅微条探测器时需要考虑的一个重要原则问题是带电粒子在半导体探测器中的散射角度与探测器的厚度问题。因为半导体的密度比较大，带电粒子穿过探测器时，在探测器内部要经过多次散射。如果带电粒子的能量不高，探测器比较厚，粒子在探测器内经过很多次散射后，角度偏转比较大，这将不利于粒子的径迹和顶点精确测量。如果探测器太薄了，虽然散射次数减少，偏转角度小了，但探测效率降低了。因此，一定要根据被探测粒子的能量及实验对散射偏转角度的要求，恰当的选择探测器厚度。

特点非常好的位置分辨率这是硅微条探测器最突出的特点。它的位置分辨率是目前应用的各种探测器中最高的，可做到1.4μm。主要因为固体的密度比气体大100倍左右，带电粒子穿过探测器，产生的电子2空穴对(e-h)的密度非常高，大约为110e-h/μm2。

另外由于现代半导体技术工艺，光刻技术及高集成度低噪声读出电子学的飞速发展，每个读出条可对应一路读出电子学，更有利于空间分辨率的提高。

很高的能量分辨率半导体探测器的能量分辨率比气体探测器大约高一个数量级，比闪烁计数器高得更多。这是因为在硅半导体中电离产生一对电子2空穴对(e-h)只需要3eV左右的能量，而气体中产生一对离子对所需能量大约为30eV，塑料闪烁探测器在光阴极上产生一个光电子需要的能量大约为300eV。带电粒子在硅半导体中的能量损失也很高，在硅晶体中，能量损失大约390eV/μm。因此，同样能量的带电粒子在半导体中产生的电子2空穴对数要比气体中产生的离子对高一个数量级以上。这样电荷数的相对统计涨落也比气体小很多。

很宽的线性范围由于在一定能量范围内，半导体的平均电离能与入射粒子的基本能量无关，故半导体探测器具有很好的线性，很宽的线性范围。

非常快的响应时间在半导体探测器中，由于采用微电子工艺的半导体探测器很薄，它的电荷在很小的区域里收集，响应时间非常快，一般可达到5ns左右。因此，可以实现高计数率，可超过108/cm2·s。

体积可做得很小由于硅半导体密度大，有一定的刚度，它可以做得很薄并能自身支持，典型的厚度是300μm左右，当带电粒子穿过时，大约可产生3.2×104电子-空穴对。有的还可做得更薄，整个探测器可以作得很小。

缺点对辐射损伤比较灵敏，如果受到强辐射其性能将变差。但各国科学家就此问题从技术上正在进行不断地改进提高。

应用随着硅微条及一些相关的半导体探测器的发展，它们的应用越来越广泛。在高能物理实验领域已经应用得很多，在天体物理、宇宙线实验，在核医学领域的CT及其它数字图像系统方面也已经开始一些新的应用研究2。

在高能物理实验中的应用因为硅微条探测器及一些相关的半导体探测器的位置分辨率比气体探测器的位置分辨率高一到两个数量级，所以在近十几年来，世界各大高能物理实验室几乎都采用它作为顶点探测器。如美国的FERMILAB的CDF和D0，SLAC实验室的B介子工厂的BaBar实验，西欧高能物理中心CERN的LEP正负电子对撞机上的L3、ALEPH、DELPHI、OPAL，正在建造的质子2质子对撞机LHC上的ATLAS、CMS及日本的KEK，德国的HARA，HARB及Zeus和H1实验等等。不仅如此，LHC上的ATLAS和CMS还采用了硅微条探测器代替漂移室作为径迹测量的径迹室。

近些年高能物理领域所有新的物理成果，从t夸克的发现到标准模型的证实，无不与这些高精度的具有优良性能的顶点探测器，径迹室等先进探测器密切相关。顶点探测器和径迹室主要用来测量高能带电粒子的径迹。物理学家们根据这些带电粒子在磁场中的运动轨迹计算出它们的动量。根据粒子的动量、能量、质量及其它性能来判别粒子。顶点探测器和径迹室的定位精度(即空间分辨率)对粒子识别是非常重要的。这些探测器的空间分辨率越高，粒子的动量分辨才能达到越高，径迹才能测得越精确，最终测得的顶点位置和粒子动量越准确。各国的高能物理学家根据各自不同的实验要求，设计了不同的顶点探测器和径迹测量系统。有些采用的是单边读出，有些则采用双边读出的硅微条探测器，还有些采用像素探测器、CCD和硅片探测器等。硅微条等硅半导体探测器越来越受各国科学家们欢迎。随着时间的改变在世界各主要高能物理实验中，应用的面积和相应的电子学路数在迅速增长。美国费米实验室的D0实验采用硅微条探测器作为顶点探测器。为了增大覆盖立体角，除了桶部设计得比较长外，还设计了H2DISK和F2DISK，这个顶点探测器所用的硅微条探测器都是用交流耦合输出的。其桶部部分采用单边读出的硅微条探测器，而D2DISK和H2DISK部分是采用双边读出的硅微条探测器。读出电子学都是采用集成电路SVXIIb，每一片SVXIIb就有128路读出。

在空间物理和宇宙线科学实验中的应用丁肇中先生领导的AMS组（国际空间站阿尔法磁谱仪实验），计划把A磁谱仪AMS送到国际空间站ISSA，企望在宇宙线中寻找反物质和暗物质。AMS的中间核心部分的多层径迹室都是采用双边读出的硅微条探测器。它是充分利用了双边读出硅微条探测器的高空间分辨率，两维信息读出，CMOS电子学的低功耗的特点。虽然谱仪的体积并不大(直径和高才1m多)，但这些精密的径迹探测器与谱仪中的永久磁铁、飞行时间计数器、契伦科夫探测器、量能器等紧密配合，可能会为天体物理和宇宙线科学作出非常卓越的贡献3。

在核医学中的应用核医学影像技术与高能物理及核物理探测技术是密切相关的，核医学领域的X光透视，X2CT、MRI、PET、ECT等等，都是在高能物理和核物理实验探测技术的基础上发展起来的。探测技术的各项发展都在不断带动核医学

影像技术的发展。早期的X光影像检测，显示记录只是用X光胶片，随着探测技术的发展，很多新的探测器应用到核医学的图像检测系统中。有关文献介绍的1996~1999应用到核医学领域各种探测器的统计基本概况

日本KEK高能物理实验室用100keV的X射线经过三次狭缝和一个吸收体的准直和单色化，形成一束扁平的射线束，然后再经过一块锗晶体的布喇格反射形成一束均匀分布的Lm级的扁平X射线。当它穿过样品(相当于一个超微的切片)后再经过第二块锗晶体的非对称的布喇格反射，将不均匀的扁平X射线拉宽，投射到微条型探测器上。用这种方法，其空间分辨率达到4μm。在X射线影像的数字化方面，如数字X光机等研究，在新探测技术的带动下也有了很多进展，它克服了传统X射线成像方式的各种缺陷:

1)传统的X射线透视摄影以胶片为介质，它对于X射线的能量利用率低，其量子探测效率(QuantumDetectionEfficiency，QDE)只有20%～30%。数字化成像系统可达到60%以上，因此后者成像所需要的辐射剂量可降低30%～70%。

2)传统的X射线成像比数字化成像的动态范围狭窄得多，数字化成像比传统成像方式的曝射量宽3数量级，因此它可以获得较高的密度分辨率及较大的曝射动态范围。

3)传统的X射线成像后不能进行图像再处理，若图像质量不满足诊断要求，只能让病人再受辐射剂量，重复作X光照相;而数字化成像后还可以进行再处理，例如边缘增强，灰阶变换，视窗拉宽等。图中腿骨的普通X光摄影照片和数字摄影照片的对比，数字摄影照片可以用散光滤镜把散光滤掉，使图像主题清楚更富有立体感。

4)数字化成像获得影像的数据时间非常短，用于心血管造影的装置每秒可达到50～60幅，这样就可以消除因器官活动所导致的模糊现象等。

5)新一代的数字X光机，可以直接显示图像，并把图形数据存入计算机的硬盘、光盘、磁带及软盘中，或进行异地的网络传送和会诊都非常方便。

本词条内容贡献者为:

吴俊文 - 博士 - 厦门大学