基于磷化铟增敏的干涉式脉冲伽马探测器定量化测量技术研究

Interferometric pulsed gamma radiation detector, also called RadOptic detector and based on the measurement of radiation-induced instantaneous changes in the refractive index of material, is a promising method to quantitatively record MeV pulsed radiation for inertial confinement fusion diagnostics. Because of the low radiation-induced refractive index change sensitivity of semiconductors, these detectors have poor responses to MeV gamma pulses. The enhanced radiation-induced refractive index change sensitivity of intrinsic bulk InP was confirmed by our prior research. In this research, we will focus on the following scientific issues: (1) The mechanisms of enhanced radiation-induced refractive index change sensitivity in bulk InP. Identify the roles of shallow donors for generation of excess carriers. Identify the role of inter-conduction transition for extra absorption of the probe beam. Identify the influence of dopant to the enhancement of the radiation-induced refractive index change sensitivity. (2) The mechanisms dominating the evolution of refractive index change of bulk semiconductors exposed to pulsed radiation. Three mechanisms, including mechanisms dominating the recombination of excess carriers, mechanisms dominating the refractive index modulation and mechanisms dominating the enhanced radiation-induced refractive index change sensitivity, will be thoroughty studied. (3) Quantitatively modeling the physical processes of signal generation in the interferometric pusled gamma radiation detectors. This work will promote the application of interferometric detectors in inertial confinement fusion diagnostics and also develope a method for pulsed radiation detection with long distance, high dynamic and picosecond temporal resolution.

干涉式脉冲伽马探测器基于辐射引起折射率超快变化机理，具有皮秒时间分辨和远程传输兼备的优点，在惯性约束聚变诊断中应用前景广阔。目前干涉式脉冲伽马探测器MeV伽马响应灵敏度低，定量化测量能力亟待建立。在发现本征磷化铟有折射率增敏效应的基础上，项目将关注以下科学问题：(1)磷化铟材料的增敏机理研究，主要研究浅施主或导带带内跃迁吸收对折射率增敏的作用，揭示增敏机理与掺杂类型、掺杂杂质、掺杂浓度的依赖关系。(2)脉冲射线作用下半导体折射率演化机制研究，揭示复合机理、折射率调制机理、增敏机理受材料特性、激发强度影响的机制，奠定干涉式脉冲伽马探测器定量化测量基础。(3)干涉式脉冲伽马探测器信号形成模型和伽马脉冲定量化复原方法研究。研究成果将促进高灵敏的定量化测量的干涉式脉冲伽马探测器在惯性约束聚变诊断中的实用，也将发展一种具有大动态范围、远程传输和高时间分辨兼备的脉冲辐射探测方法。

基于辐射致折射率变化效应的干涉型脉冲辐射探测器，本质上是干涉仪，记录辐射脉冲作用的半导体的折射率变化，实现脉冲时间宽度的测量。这种探测器具有抗干扰能力强、本征时间分辨高、信号传输距离远等优点，有助于解决在惯性约束聚变、高能密度物理实验等领域的瓶颈问题，并已经初步应用。但如何建立探测器输出与辐射脉冲能注量之间的关系尚未见深入研究。.项目针对从探测器输出如何得到伽马脉冲能注量随时间变化的关键技术问题展开研究，即对干涉型脉冲辐射探测器在伽马脉冲的定量化测量展开研究。经过资助周期内的研究，项目完成了全部研究内容，达到了全部研究目标。.（1）在基金的资助下，项目组首先升级优化了干涉仪。建立的干涉信号形成模型，可对干涉仪性能进行定性预测。升级了干涉仪配置，实现了干涉仪工作点寻找和稳定、工作曲线绘制等工作的自动化，具备了0-1 GHz的探测能力。.（2）定位了磷化铟晶片的折射率增敏效应。项目组用皮秒激光做激发源，获得了在1550 nm探针光和1310 nm探针光下磷化铟晶片折射率变化幅度，结果表明折射率变化幅度与探针光波长无关，即磷化铟增敏效应不是来自于导带带内跃迁，而更可能来自于过剩载流子产生过程。.（3）建立了折射率调制型探测器信号形成过程。指出了射线能量沉积并转化为过剩载流子的过程决定了探测器的极限时间分辨，参与干涉的光的有效光程决定了干涉仪的极限时间分辨，光电探测器时间分辨和数字示波器的模拟带宽形成了实际应用过程中的时间分辨瓶颈。影响探测器线性的因素有干涉仪工作曲线、探针光非线性等。.（4）建立了干涉式伽马脉冲探测器输出信号获得入射伽马脉冲时间行为的方法。在探测器标定阶段，针对探测器输出是积分量和微分量加权之和的特点，利用迭代方法修正加权参量，使探测器输出与监测探测器一致，并获得各加权参数的具体值。在探测器应用时，直接将各加权参数应用到测量波形上，获得入射射线能注量随时间变化。.（5）项目在现有条件下，研究了砷化镓和磷化铟半导体的闪烁发光特性，并且计算了发光产额，获得了闪烁光谱，并且利用光纤束和近红外光电倍增管组建了闪烁型光电探测器原型，初步展示了较高的时间分辨能力。基于半导体闪烁发光的探测器可以作为折射率调制型探测器的补充，也可以作为半导体折射率脉冲响应机理研究的辅助手段。