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GBT 23729-2009 闪烁探测器用光电二极管 试验方法PDF文本

1CS27.120.01F88中华人民共和国国家标准GB/T23729-2009/IEC62088:2001闪烁探测器用光电二极管试验方法Photodiodes for scintillation detectors-Test proceduresU2.UZS℃(IEC 62088:2001 Nuclear instrumentation-Photodiodes for scintillation detectors-Test procedures,IDT)2009-05-06发布2009-12-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、蚊码防伤中国国家标准化管理委员会发布莲筑素衬网Z.Z沁.ET
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GB/T23729-2009/EC62088:2001前言本标准等同采用IEC62088:2001《核仪器一闪烁探测器用光电二极管一试验方法》(Nuclearinstrumentation-Photodiodes for scintillation detectors--Test procedures,英文第l版).为便于使用，本标准做了下列编辑性修改：一删去IEC62088:2001的前言和目次；一调整了少数参量符号的上、下标，并用小数点符号“.”代替作为小数点的逗号“，”；一在计算公式的参量说明中，用长破折号“一”代替“是”；一第8章标题“一般要求一数据表”改为“供应商应提供的数据”，并在“工作温度范围T~T和贮存温度范围”一项后增加“工作湿度范围H~Hn和贮存湿度范围”以及“工作气压范围P~P和贮存气压范围”（在4.2中增加相应符号）。本标准由中国核工业集团公司提出。本标准由全国核仪器仪表标准化技术委员会归。本标准起草单位：核工业标准化研究所、中国原子能科学研究院、北京核仪器厂。本标准主要起草人：熊正隆、何高魁、肖晨、姚秋果、严陈昌。J.NEI尚Z..WET
GB/T23729-2009/E℃62088：2001引言光电二极管闪烁探测器是采用半导体光电二极管（通常是硅PD)的闪烁探测器，当人射辐射（带电粒子、Y射线、X射线)在闪烁体中放出能量时，用于探测在闪烁体（通常是晶体）中产生的闪烁光（见图1).光电倍增管(PMT)通常已经用于这个目的（对十进制计数），但随着低噪声和相对大面积光电二极管的最新出现，后者在增加应用数量、取得某些固有性能的优点等方面正在与光电倍增管激烈竞争：一小体积；—对磁场不敏感；—低工作电压和很低的功率消耗；稍高的抗履能力。J.NE興尚素寸网Z1
GB/T23729-2009/1EC62088:2001闪烁探测器用光电二极管试验方法1范围本标准适用于在闪烁探测器或切伦科夫探测器中使用的固态光电二极管(PD)或光电二极管阵列(PDA)。本标准推荐的试验方法也适用于雪崩二极管(APD),但需要附加本标准描述的特殊试验方法。本标准中描述的试验不是强制性的，但宜按这里描述的程序进行规定性能的试验。本标准的目的是为闪烁探测器中使用的光电二极管立标准试验方法，同时规定了供应商应提供的每种型号光电二极管的数据。2一般原则硅光电二极管容易得到并广泛用于闪烁探测器。然而，它们围绕900m的峰响应与常用闪烁体[NaI(TI)、CsI(TI)、BGO、CdWO,、ZnSe(Tc)]在较短波长的最大发射不相匹配。正在进行的研究是开发具有较长波长光发射的闪烁体和较宽带隙的半导体。光电二极管闪烁探测器没有内部放大器(APD的情况除外)，因而需要耦合到类似用于半导体探测器的低噪声前程放大器光电二极管/前置放大器组合的噪声限制它在低能丫射线和X射线能谱测定中的使用。这个噪声由随其面积而增加的PD电容的串联噪声以及前登放大器的漏电流和输人阻抗的并联噪声来确定。为优选光电二极管/前置放大器的组合，有时将前置放大器与PD集成在一起。在这种情况下，这里描述的某些试验可能难于执行。固态光电二极管也能用作直接电离的半导体探测器，但本标准不适用于已由IEC60333包括的这种应用。本标准不适用于混合光电探测器，即带有常规光阴极、加速电场和固态器件的真空管。闪烁体脉冲高度放大器分析器电荷前置放大器偏压电源光电二极管图1光电二极管闪烁探测器系统方框图3规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究1甄素前网Z.ZC.ET
GB/T23729-2009/1EC62088:2001是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。IEC60050(731):l991国际电工词汇731章：光缆通信(International Electrotechnical Vocabulary-Chalter 731:Optical firbe communication)IEC60o50(845):l987国际电工词汇845章：照明(International Electrotechnical Vocabula-ry-Chalter 845:Lighting)IEC60333:l993核仪器半导体带电粒子探测器试验方法(Nuclear instrumentation-一Semi-conductor charged-particle detector-Test procedures)IEC61151:l992核仪器用于电离辐射探测器的放大器和前置放大器试验方法(Nuclear in-strumentation-Amplifies and preamplifies used with detector of ionization radiation-Test proce-dures)4定义、符号和缩略语4.1定义下列定义适用于本标准。4.1.1置崩光电二极管(APD)avalanche photodiode(APD)带偏压工作，初始光电流通过在半导体结的雪崩击穿而放大的光电二极管。[IEV845-05-40]4.1.2噪声等效功率（光电手极普的noise%aent power(ophotdoe)NE在其输出端对给定的波长、调制频率和等效噪声带宽产生等于1的信号噪声比时光探测器输人端的光辐射功率值。[IEV731-06-40]4.1.3光电流(I)photocurrent(Io)由人射辐射引起的、光电探测器输出的那部分电流。[IEV845-05-52]4.1.4光电二极管photodiode由吸收两个半导体之间PN结或半导体与金属之间结内附近的光辐射而产生光电流的光电探测器。[IEV845-05-39]4.1.5响应（探测器的）(s)responsivity(s)灵敏度/敏感度（探测器的）(s)sensitivity(of a detector)(s)探测器的输出Y除以探测器的输人X之商(s=Y/X)。[IEV845-05-54]4.1.6光谱响应spectral response作为波长函数的响应。注：响应通常以A/W为单位，波长以nm为单位。4.2符号A有效面积2闐素前网Z.ZC.ET
GB/T23729-2009/IEC62088:2001APD雪崩光电二极管c电容0APD的增益hv光子能量Iph光电流I漏电流Imax最大允许光电流I(U)电流-电压特性波长峰值响应波长量子效率NEP噪声等效功率Popt光功率PD光电二极管PDA光电二极管阵列响应/灵敏度温度Tx/Tmin光电二极管工作的最高/最低温度Hm./H光电三极管工作的最高/最低湿度P./P光电三极管工作的最高/最低气压U.工作偏压Uun正常偏压Uuax最大允许工作偏压X.(有效面积测量用)扫描路径的有用长度或直径5物理特性5.1有效面积，A光电二极管的有效面积，即有用面积，通常稍小于半导体晶片的总面积。这是由于结边沿的封装材料、电极和保护层的缘故，为最大限度减少漏电流（以及必然的噪声），它们可能是需要的。应测昼有效面积，其方法如图2所示，即采用来自高稳定参考光源的准直人射光束，对放置在全黑暗环境的光电二极管的总面积进行扫描。光电二极管应采用如同半导体探测器漏电流测量或绘制电流-电压特性一样的常规装置来配置偏压并与皮安表连接（见IEC60333)。在光电二极管表面的点尺寸和任何方向的扫描间隔均应小于半导体晶片最大尺寸的1/20，同时，在任何情况下，应小于0.5mm(见图2右边的例子)。对每个描述路径，所测量光电二极管的光电流如图2所示绘图，而当光电流至少等于其最大值的90%时，有用长度X。按路径长度确定。有效面积，即按光电流至少等于其最大值的90%时所规定的面积，由为每个扫描路径确定的所有单个X。进行计算。应指明计算的细节。有效面积可能取决于扫描光的波长。因此，应对光电二极管有用光谱范围中的几个波长测定有效面积。至少应对峰值响应波长入。、使用在入，士50m发射的单色光源和过滤光源完成测量。有效面积可能随偏压而稍微变化。至少应在正常偏压U下完成一次测量。所有测量均应指明偏压。对雪崩光电二极管，有效面积可能随采用电压而显著变化，正如增益（放大系数）在器件不同工作点3甄素前网Z.ZC.ET
GB/T23729-2009/IEC62088:2001可能稍微变化一样。因此，也应测定和说明G等于1的有效面积。这个测量通过扫描光电二极管的基本有效面积也能适用于光电二极管阵列。一个替代的方法是使用脉冲光和光电二极管闪烁探测器的常规放大系统以测量脉冲光电流（见6.7.2.1),对集成设备，包括在同一封装中的光电二极管和前置放大器或甚至计算放大系统，应使用这个方法。正比于光电流脉冲的、放大脉冲的幅度对每个像素（图元）绘图，然后以上面描述的相同方法获取X。和有效面积。准直光源PD-典蘭J.NE100906图2有效面积测量的装置（上左）和扫描例子5.2窗尽管无窗光电二极管也是有用的，但光电二极管通常由保护层（窗）覆盖以防止闪烁体的机械应力、操作期间擦伤表面或光耦合剂污染表面。制造商应指明（见第8章，数据表）窗的材料和折射率以及清洁光电二极管表面的可能性。如果允许清洁，则应指明能够擦去任何污染的严格条件以及填料和溶剂的类型。6电特性6.1概述光电二极管电特性的测量在大多数情况下与IEC60333中描述的直接电离半导体探测器的测量相同。这也是如同探测IEC60333中描述的能量分辨率或噪声以及光电二极管/闪烁体/放大器系统的分辨力等参数一样的情况。4闐Z..ET
GB/T23729-2009/EC62088:20016.2电容（量）IEC60333中描述方法适用于电容（量）的测量。由有效面积A和电容量C按式(1)计算耗尽层d:C=E,E0A/d………(1）式中：c,一半导体的相对介电常数（电容率）；e。一一真空介电常数。e,、。、A、d和C均以国际单位制表示。6.3漏电流I,和电流-电压特性曲线I(U)6.3.1测量IEC60333中描述的测量方法适用。注：由于光电二极管仅需要低的或中等的偏压，这个测盘能使用特定配备的示波器方便完成，以绘制二极管和晶体管的电流-电压特性曲线。该设备具有进行直流或脉冲测盘I(U)的功能。当在击穿电压区城绘制I(U)特性曲线时，推荐脉冲测量方法。对雪崩光电二极管，该方法特别可绵，6.3.2温度相关性半导体光电二极管的漏电流，随温度呈指数增加，而光电二极管的并联噪声在最高工作温度(60℃)附近可成为光电二极管/放大器组合的总噪声的主要贡献。所以，宜在整个工作温度范围内给出海电流与温度的相关性。对正常偏压U,至少应指明正常温度下的海电流I,还应指明最高温度T下的褥电流I,。6.4上#时间司筑UZ.U.N正IEC60333中描述的测量方法适用，注：为避免混乱，在给出上升时间时宜指明是哪个上升时间：a)单纯光电二极管：b)光电二极管闪烁探测器：c)辐合到放大器的光电二极管，d)解合到放大器的光电二极管闪烁探测器6.5光电二极管闪烁探测器使用的前堡放大器和放大器为核辐射探测而与光电二极管闪烁探测器配合使用的前置放大器和放大器，相同于与半导体探测器配合使用的前置放大器和放大器。IEC61151中描述的测量方法适用。6.6噪声和分辨力测量噪声可用测能量分辨力的方法测量，此时IEC60333和IEC61151中描述的测量方法适用。6.7雪崩光电二极管的增益(G)6.7.1概述雪崩光电二极管的增益，对恒定入射的光强度，是在给定电压发生倍增时测量的光电流与在低电压无倍增时测量的光电流之比值。雪崩光电二极管的增益与偏压密切相关，也与温度有关，特别是靠近击穿电压时。雪崩光电二极管的制造商应给出（见第8章数据表）：a)雪崩光电二极管能工作的最大电压Um,(或最大增益)；b)增益作为偏压函数的曲线，或如果推荐正常偏压Un时，Um附近的斜率△G/△U；c)至少在Ubm和Uma.增益与温度的相关性。6.7.2测量为测量闪烁探测器的雪崩光电二极管增益，可使用两个方法测量作为电压函数的光电流：5甄素前网Z.ZC.ET
GB/T23729-2009/IEC62088:2001a)测量恒定照度的直流光电流的一般方法；b)使用传统的核谱测定、脉冲放大器和分析系统的脉冲光方法。6.7.2.1脉冲光方法雪崩光电二极管光谱测定系统（见图3）包括滤波和高稳定度的偏压电源、电荷前置放大器、线性成形放大器和模数变换器(ADC)。偏压电源过鸿器数字显示装置APD脉冲光源前置放大器放大器ADC触发器门电路图3脉冲法留崩光电二极管增益测量装置的方框图在这个测量中推荐使用交流AC耦合到前置放大器，以避免带偏压的直流电荷。来自带启动装置的稳定光源的快光脉冲直接加到光电二极管。光斑应覆盖雪崩光电二极管的整个有效面积，以保证测量足以代表闪烁计数器中所遇到的状态。应指明光脉冲的波长，其响应并应在高于峰值响应入。的50%波长范围内（见第7章）。光脉冲的上升时间应小于前置放大器上升时间的1/10。雪崩光电二极管的信号脉冲由电荷灵敏前置放大器和主线性放大器放大和成形，并给出与光电流I成正比的脉冲电压。成形放大器输出脉冲的高度由ADC数字化，并按半对数标尺以适宜单位（图4左边的标尺)绘制出作为偏压函数的曲线图（见图4）。注：某些ADC可能需要门控（选通）（接收进人的脉冲）：这能容易使用脉冲光源的触发器实现。这个曲线的低偏压部分表明一个平坦的水平部分（图4的ab段），这是没有发生放大时的偏压范围。一个1的增益指定给那个范围，因而半对数标尺被换档（右标尺）以直接给出“增益-偏压”关系。人射光强度（入射光功率）应位于雪崩光电二极管的线性范围，对恒定的偏压和温度，光强度降低或增高10倍，则光电流也应同样诚少或增加10倍。放大系统和ADC的线性度范围应比输出脉冲的动态范围高1个数量级，也就是比被测增益的动态范围高十倍（例如对1000的增益线性范围为4个数量级）。6闐素前网Z.ZC.ET
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