[发明专利]大面积螺旋状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法

说明书

本发明属于深空探测技术领域，公开了一种大面积螺旋状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法，大面积螺旋状圆柱形双面硅漂移探测器设计方法包括以下步骤：确定硅漂移探测器前后表面的电势；拟采用数学变分法计算载流子在硅漂移探测器中漂移时从点S1到点S2的最佳漂移路径；确定最佳漂移路径的常数漂移电场；计算硅漂移探测器螺旋形状的阴极的宽度分布。本发明通过对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析，从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。

技术领域

本发明属于深空探测技术领域，尤其涉及一种大面积螺旋状圆柱形双面硅漂移探测器及其设计方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

X射线脉冲星是大质量恒星演化、坍缩、超新星爆发的遗迹，具有极其稳定的自转周期(稳定度优于10-19s/s)，被誉为自然界最精准的天文时钟，能够为近地空间、深空探测和星际飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等高精度导航信息，基于脉冲星的导航是永不可被摧毁的新型导航体制。与GPS、北斗导航方式相比，新体制脉冲星导航技术在近地面及深空自主导航应用方面有着不可比拟的优势。但脉冲星X射线辐射流量非常低(10-5ph/s/cm2)，探测难度大，因此X射线探测器是组成脉冲星导航系统的核心部件。国际上X射线探测器的研究，朝着具有低功耗、高能量分辨率的硅漂移室探测器(Silicon DriftDetector，SDD)技术方向发展，以满足X射线脉冲星自主导航授时系统高性能、大区域覆盖、高可用性的重大技术需求。目前国际上的SDD面积小且价格昂贵，而国内尚无成熟技术。

综上所述，现有技术存在的问题是：

国际上硅漂移探测器的典型面积为50mm²左右，价格为10万元左右。因为探测器设计的科学问题及物理问题复杂繁琐，目前世界上顶尖的SDD生产厂家，如KETEK和AMTEK公司，依然没有攻克大面积单元SDD的设计和制备技术，目前国内的SDD研究也依然停留在小单元面积的阶段，在研的高校研究所以及企业均高度依赖进口。一旦大面积SDD单元的设计与制作技术瓶颈攻破，对于中国探测器的发展，以及应用探测器的各领域均会起到重要作用。

解决上述技术问题的难度和意义：

由于国外的技术封锁，且国内基础研究的缺失，目前国内尚无大面积SDD及其阵列的设计制作等研发技术。针对脉冲星X射线探测及导航系统大数据库建立问题，急需加快开展我国应用于X射线脉冲星自主导航授时系统的高能量分辨率SDD关键技术攻关与试验验证，开展超纯高阻硅材料硅漂移探测器(Silicon Drift Detector,SDD)载流子漂移行为规律，重掺杂电极生长规律，大型SDD阵列物理结构承载机理，抢占科技战略制高点，实现探测器技术的跨越式发展，对于突破国内脉冲星自主定位导航授时系统的技术瓶颈具有极其重要的意义。

本发明通过对SDD载流子漂移行为规律与重掺杂电极生长的分析，从新结构、新型工艺集成设计与光的粒子性理论计算方法入手，设计具有双面相关的既保持均匀电子漂移电场又提供平滑漂移轨迹的双面电极，建立强度在0.5～15keV软X射线粒子的高能量分辨率、高效收集SDD的创新设计制作方式。该探测器克服国际上探测器面积小的缺点，在单元面积大(314mm²至2827mm²)的基础上，进一步提高能量分辨率，减少耗能，减少噪音等。对于脉冲星探测所需的平米级的探测器阵列而言，大面积探测器单元减少了阵列形成所需的探测器个数，减少阵列拼接时的物理机械受力等难度，进一步节约成本，为航天航空以及深空探测的发展提供了前言技术支撑。

发明内容