电子照射对硅漂移探测器性能的影响

张斌全 韦 飞 冷 双 王世金

(中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190)

在1997年发射的风云二号气象卫星上，我国首次使用太阳X射线探测器监测太阳活动，提供太阳耀斑事件预警服务［1］.风云二号早期A星和B星上的太阳X射线探测器使用充0.9个大气压氙气的气体正比计数管作为传感器，测量能量范围为4～100 keV［2］;为了避免氙气特征X射线对探测的干扰，风云二号C～E星上的气体正比计数管改为充1.2个大气压的氩气［3］.气体正比计数管测量太阳X射线时容易受到空间电子和质子的干扰，本底计数高，可能探测不到一些中小级别耀斑.为了减少背景辐射干扰并测量更低能量的X射线，风云二号新一代的太阳X射线探测器采用了先进的硅漂移探测器(SDD，Silicon Drift Detector)来代替气体正比计数管.

由于风云二号卫星运行的地球同步轨道存在大量的质子和电子，新一代太阳X射线探测器采取了磁偏转和屏蔽层等措施来减少入射到SDD的电子和质子数目.在轨工作期间，SDD主要受到高能电子长期辐射照射，5年中预计受到约1010个高能电子的照射.空间电子的长期辐射照射可能造成探测器的损伤，降低探测性能，缩短工作寿命.如由于辐射照射，美国POES卫星的中能质子电子探测器的响应降低了90%，并且电荷收集效率降低，测量的粒子能量和通量偏低［4］.

与其他半导体探测器一样，SDD在辐射照射下的损伤分体损伤和面损伤两种［5］.体损伤是由非电离能量损失引起的，粒子与晶体原子作用使晶格原子移位，产生晶格缺陷，导致探测器耗尽电压升高，漏电流增加，电荷收集效率降低.面损伤是由电离能量损失引起，电离辐射产生电子-空穴对，移动能力较弱的空穴被俘获于半导体与绝缘体的接触面，使表面漏电流增大，噪声升高.参考文献［6］研究了中子对SDD的辐射损伤，结果表明中子照射主要造成传感器晶格的体损伤，SDD漏电流由原来的约100 nA升高至约400 nA，噪声升高了17%;参考文献［7］用活度为3kCi的γ射线放射源60Co照射SDD，当SDD受到9 kRad剂量照射后，信号幅度降低约50%，而漏电流并未发生显著变化;参考文献［8］发现γ射线照射还造成SDD电场的畸变，一周后电场恢复到照射前状态;而能量为1 GeV的电子照射SDD会使其漏电流增加［9］.

国外研究辐射对SDD探测性能的影响时，使用的放射源较强或能量较高，照射时间短.而太阳X射线探测器的SDD传感器在空间主要受能量小于10 MeV电子辐射的长期照射，在该条件下其探测性能的变化情况有待研究.本工作通过使用电子放射源模拟空间电子辐射，对SDD进行长期照射试验以研究电子辐射照射对SDD性能的影响.

1 硅漂移探测器

风云二号太阳X射线探测器采用KETEK公司生产的硅漂移探测器SDD，它的结构如图1.探测单元为 450 μm厚的硅，面积 7 mm2，窗口使用8 μm厚的铍.SDD的主要优点有:能量分辨率好，在5.9 keV处的能量分辨率(用能量半高宽FWHM表示)小于139eV;对软X射线的探测效率高，对3～11 keV能量范围X射线的探测效率大于90%;计数率高达5×105个/s;使用电致冷，噪声小，可测量能量低至1 keV的X射线.由于SDD优越的探测性能，国内已开始研制SDD［10］，并已应用于物质成份分析和等离子体诊断［11－12］.

图1 SDD传感器结构

2 SDD电子照射试验

电子辐射照射对SDD性能的影响试验方案如 图 2. 电 子 放 射 源 包 括 10μCi的90Sr/90Y，100 mCi的90Sr/90Y 和25μCi的14C.其中，10μCi的90Sr/90Y 和25μCi的14C电子放射源模拟空间电子对 SDD的长期辐射照射，而100mCi的90Sr/90Y电子源模拟空间电子增强(如爆发太阳耀斑)时的辐射照射.

图2 SDD受电子辐射照射影响的试验方案

试验过程中，通过直流稳压电源、示波器和多道谱仪等获取SDD的工作状态和探测X射线的性能:

1)工作状态:SDD工作时需提供电源包括电致冷器+2.5V电压和±12V工作电压，它们的电流反映SDD工作电性能的情况，通过直流稳压电源自带功能可监测其变化.SDD漏电流是另一个重要的电性能参数，漏电流的增大会影响探测灵敏度，降低信噪比.漏电流的变化可用SDD复位信号的周期来反映，复位周期变小，则漏电流越大.

2)X射线探测性能:通过放大电路和多道能谱仪获得SDD测量X射线放射源55Fe和241Am的能谱，以监测试验过程中SDD测量X射线的响应、能量分辨率及能量准确度等的性能.

电子照射SDD的时间从2010年10月至2011年4月.SDD测量X射线能谱安排在2010年10月7日、2010年12月27日、试验2011年4月7日和试验结束约7个月后(2011年11月3日).计算出SDD接受照射的电子数随时间变化如图3.整个试验SDD受到照射的电子总数多于其在轨工作5年预计的1010个.

图3 辐射照射试验期间SDD接受照射的电子数

3 结果分析

3.1 SDD电性能参数

SDD受电子辐射照射试验中其电性能参数变化情况见表1和图4.从结果看出，电子长期照射过程中，SDD的工作电流参数未发生明显变化，状态正常.而电子照射使SDD的复位信号周期改变，由6.0 ms降低到 4.3 ms，这表明经过电子辐射照射后，SDD的漏电流增大，增大幅度约40%，并且这种变化是不可恢复的.

表1 电子照射试验不同阶段SDD电性能参数

图4 电子照射试验过程的SDD工作电流

3.2 能量分辨率

能量分辨率是能谱型探测器的重要指标，它反映了探测器对粒子/射线能量的分辨能力，一般用测量能谱中峰的半高宽FWHM来表示.

不同试验阶段SDD测量55Fe和241Am能谱，得到的能量分辨率见图5.

图5 SDD测量X射线的能量分辨率

在电子照射前，SDD测量5.9 keV(55Fe)和13.95 keV(241Am)X射线的能量分辨率分别为250 eV和295 eV;经电子照射后其分辨率变差，在试验结束时测量5.9 keV和13.95 keV X射线的能量分辨率分别为490 eV和535 eV，变化近一倍.然而，在电子照射结束并经过几个月的存放后，SDD测量X射线的能量分辨率又恢复到与电子照射试验前相同的水平.

3.3 能量准确度

经过能量定标后，SDD测量能谱中能道道址与X射线光子能量的对应关系就确定，通过该关系可从测量谱获得入射X射线光子的能量.SDD受电子辐射照射后，其产生信号的幅度可能发生变化，在输出能谱上显示为能道道址的变化，影响SDD测量X射线能量的准确度.

在电子照射SDD的不同试验阶段，SDD测量55Fe和241Am能谱，得到的5.9keV和13.95keV光子能量所对应的能道道址如图6.

图6 受电子照射后SDD测量X射线道址的变化

从SDD测量X射线能谱结果得到，在电子照射试验结束时，5.9 keV能量光子的道址由试验前的532道降低到482道，13.95 keV能量光子的道址由试验前的1 208道降低到1093，道址降低了9%;并且在试验结束7个月后SDD再次测量55Fe和241Am能谱，道址比试验结束时进一步降低约4%.这表明SDD受电子长期辐射照射后，其电荷收集效率下降，输出信号的幅度降低，而且由电子照射造成的这种变化是不可恢复的.如果不重新进行能量定标，SDD测量光子能量将偏低.

3.4 探测效率

SDD对X射线的探测效率是计算X射线流量的关键参数，探测效率的变化会影响流量测量结果的准确度.从测量55Fe和241Am的能谱上，SDD探测效率的变化由能谱中的计数率来反映.

图7是电子照射SDD试验不同阶段，SDD测量55Fe 5.9 keV能量光子和241Am 13.95 keV 能量光子的计数率(对放射性核素的衰变进行了修正).从测量结果得到SDD测量的计数率保持不变，结果中的一些差别主要是统计误差、数据处理误差造成的.因此，经电子长期辐射照射后，SDD对X射线的探测效率不发生变化.

图7 电子照射试验不同阶段SDD测量X射线的计数率

4 结论

对风云二号新一代太阳X射线探测器的SDD进行了电子长期辐射照射试验，SDD接受照射的总电子数达到1011个，大于其在轨工作5年预计受空间电子照射的数目.经过长期电子照射后，SDD的工作电压和电流无显著变化，工作状态正常，满足太阳X射线的探测需求.

在电子辐射的长期照射下，SDD对X射线的探测效率不变，探测性能发生的主要变化有:①电子照射过程中SDD能量分辨率降低.照射后SDD分辨率仍小于10%@5.9 keV，不影响风云二号太阳X射线探测器的使用.在结束照射后SDD能量分辨率可恢复，电子照射造成了 SDD面损伤;②漏电流增大约40%.由于SDD的漏电流非常低，小于1 nA［13］，电子照射后其漏电流仍维持在较低的水平，漏电流的增大不影响太阳X射线探测器的性能;③输出信号幅度减小，并且是不可恢复的，表明电子照射造成了SDD体损伤，这会影响太阳X射线探测器测量X射线能量的准确度.

针对SDD探测性能在电子辐射长期照射下可能发生的上述变化，建议将来在星上配备低强度的X射线放射源，并且增加太阳X射线探测器的能道以测量更精细的X射线能谱，从而可通过X射线放射源实现对太阳X射线探测器在轨性能检测、能道定标和效率定标等.

致谢 试验中，空间中心空间环境特殊效应室提供了强电子放射源，在此表示感谢.太阳X射线探测器是风云二号气象卫星空间环境监测分系统的载荷之一，感谢上海卫星工程研究所和中国气象局国家卫星气象中心对其研制的关心和大力支持.

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