自从1895年伦琴发现X射线以来, 辐射探测技术快速发展, 被广泛应用于医疗影像、安检安防、工业无损检测、核安全监测、资源勘探、基础科学和空间科学等诸多领域。从探测材料和工作原理划分, 辐射探测器主要可分为气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器。本文从各类射线与半导体材料的相互作用以及半导体探测器工作原理和信号处理过程入手, 探讨了不同辐射类型、不同应用需求对半导体辐射探测器的性能要求以及探测器设计要点, 并按照元素族序的顺序对半导体材料在辐射探测领域的性能表现和研究进展进行了综述。

以粒子与物质相互作用为理论基础，使用FLUKA蒙特卡罗模拟软件分析带电粒子的能量、入射角度、探测器厚度和灵敏面积等因素对位置灵敏硅探测器（PSSD）位置分辨能力的影响。模拟结果表明，随着电子能量的增加，探测器的位置分辨能力变差，当电子能量增大到可以穿过探测器时，位置分辨能力随着能量的增加逐渐提高；对于不同厚度的探测器来说，当电子能量完全沉积在探测器中时，探测器的位置分辨能力基本相同，当电子能量未能完全沉积在探测器中时，厚度较大的探测器位置分辨能力相对较差；探测器的面积有限会影响位置分辨能力；当电子以入射角度α≤45°入射探测器时，探测到的电子位置会沿着入射角度发生偏移，入射角度越大，偏移越明显。

介绍了高分五号全谱段光谱成像仪(VIMI)可见近红外波段星上定标组件的组成和工作方式,分析了VIMI发射后星上12次太阳漫反射板(SD)双向反射分布函数(BRDF)的量值衰减情况。对比SD反射率衰减监测仪(SDRDM)长期观测的太阳数据表明,不同监测波段探测器的衰减程度不同,其中900 nm监测波段的硅探测器衰减最大,约为4.3%。当入射角与观测方位夹角接近时,SD BRDF的衰减因子(H因子)变化很小。根据H因子的物理模型得到SDRDM实际监测的测量不确定度小于0.86%,满足小于1.5%的指标要求,且VIMI星上定标组件全寿命期输出光谱的辐亮度不确定度小于3.4%。

为进一步研究激光对光电探测器的干扰及损伤,利用10.6 μm连续CO2激光辐照多晶硅光电探测器,进行了干扰与损伤阈值实验研究,得到了对多晶硅探测器的饱和干扰、损伤干扰阈值分别为5.55×10-4 W/cm2、0.48 W/cm2;分析了不同干扰功率、不同干扰时间的干扰效果,依据探测器受干扰程度提出了将干扰等级划分为点饱和、中度饱和、重度饱和与点损伤4个等级;通过干扰激光功率与干扰光斑面积的变化关系,得到两者按幂函数y=76.3×x0.29关系变化,并依据该变化关系探讨了10.6 μm脉冲激光对红外成像系统的干扰效果.

采用蒙特卡罗模拟方法研究了微结构参数、填充致密度等因素对沟槽型微结构半导体中子探测器(MSND)性能的影响规律,并开展了沟槽型MSND的优化设计研究.研究表明,随着沟槽间距的增加,MSND的探测效率呈下降趋势;当沟槽间距固定时,存在最优的沟槽宽度使得探测效率最大化;沟槽深度越大,探测效率越高.沟槽宽度和沟槽间距为15 μm和5 μm是一对优化的参数组合,可保证较高的探测效率和较平稳的系统甄别阈-探测效率曲线.当系统甄别阈取300 keV时,沟槽宽度、间距和深度分别为15,5 μm和200 μm时的MSND热中子本征探测效率可达37.77%,与平面探测器相比提高了9.2倍;对137Cs源662 keV伽马射线的中子-伽马射线甄别比可达4.1×103,与平面探测器相比提高了23.7倍.本工作从理论上证明了MSND可解决传统平面型半导体中子探测器探测效率低的难题,同时可保持半导体探测器中子-伽马射线甄别容易的特点.

采用飞秒激光扫描P型单晶硅衬底上的碲单质膜层，实现了碲元素在硅中的N型掺杂，随后利用准分子激光对掺杂样品进行退火处理，制备了碲掺杂硅单晶材料。利用该材料研制出了在室温下具有高响应的碲掺杂硅探测器。在-4 V的反向偏压下，光电响应在1000 nm处达到0.86 A/W，外量子效率大于106.6%；随着反向偏压的增加，光电响应增加，同时截止波长向红外方向拓展，在-8 V偏压下，截止波长达到了1235 nm；在-16 V偏压下，测得响应在1080 nm处最高达到3.27 A/W。