MeV光子在半导体内产生非平衡载流子关键物理过程研究

A pulsed radiation detecting method by direct modulation of semiconductor’s refractive index has been proposed and developed for Gamma Reaction History diagnostic for Inertial Confinement Fusion. One picosecond time resolution for ~keV pulsed radiation has been reported. Key processes of semiconductors’ non-equilibrium carriers generated by MeV photon remain to be considered and discussed for practical application, that is, how the incident photon energy and semiconductor characteristics influence the dynamics of non-equilibrium carriers, how the incident photon energy influence the spatial distribution of non-equilibrium carriers and how the semiconductor characteristics influence the motion processes of non-equilibrium carriers when semiconductors are exposed to MeV photons. No related research report has been found. The main research topics include: (1) The study will theoretically compute the generation processes of non-equilibrium carriers generated by MeV photons, seek the relationship between recombination time of non-equilibrium carriers and semiconductor’s characteristics or the incident energy flux. (2) As non-equilibrium carriers’ motion influences the system sensitivity, the study will theoretically compute and analyze how the diffusion and drift of non-equilibrium carriers affect the carrier density. (3) The study will measure semiconductors’ refractive index changes under MeV pulsed radiations and analyze how incident photon energy, incident energy flux and semiconductors’ characteristics affect time variation of carrier density in semiconductors. The model of non-equilibrium carrier dynamics under MeV incident photon will contribute to optimize performance of pulsed radiation detecting system based on semiconductor’s refractive index modulation.

为实现惯性约束聚变伽马反应历史的皮秒分辨测量，国际上提出了基于辐射使半导体折射率超快改变过程进行探测的方案，目前已实现对数keV射线脉冲的皮秒分辨。为推动该技术进一步应用，需对MeV光子在半导体内激发的非平衡载流子的关键物理过程进行研究，具体地，要建立MeV光子入射半导体激发的非平衡载流子的产生复合过程、空间分布及运动过程与半导体性质、激发强度等的关系，以优化时间分辨和灵敏度，上述研究未见报道。本研究将理论计算MeV作用下半导体非平衡载流子的产生时间，分析非平衡载流子的复合时间与半导体性质、激发强度的关系；同时，分析非平衡载流子运动过程与半导体性质的关系及其对载流子浓度下降过程的影响；最终，通过半导体瞬时折射率变化测试系统，实验研究MeV作用下半导体非平衡载流子的产生、复合时间特性，与理论结果比较。研究结果将为优化时间分辨和灵敏度提供指导，为该技术应用于MeV脉冲辐射探测奠定基础。

折射率调制型脉冲辐射测量技术，具有单次皮秒分辨地记录MeV级脉冲强度随时间变化的潜力，在惯性约束聚变诊断、逆康普顿光源诊断中有广阔应用前景。项目对体材料半导体为传感基质的折射率调制型MeV级伽马冲测量技术开展了基础研究。.项目分析了MeV伽马脉冲在体材料半导体内产生折射率变化的物理过程，重点研究了脉冲能量沉积时空分布特性。结果表明，折射率变化弛豫时间随光子能量和半导体类型变化微小，过剩载流子扩散运动的影响可忽略。对同时入射的MeV光子，薄材料折射率变化的弛豫时间为皮秒量级，厚材料内折射率变化区域前端展宽为百微米量级（对应时间宽度皮秒量级），都具有高时间分辨能力。.项目建立了过剩载流子实时浓度演化模型，模拟计算表明，复合分量比重和复合时间常数是决定过剩载流子实时浓度演化的主要参量，两参数可从过剩载流子实时浓度演化曲线中获得。.项目建立的单模光纤和半导体直接耦合的干涉仪，能单次定量记录半导体折射率瞬时变化，时间分辨54 ps。建立了定量化获得过剩载流子的实时浓度和注入强度的方法。在最大光子能量0.8 MeV、半宽30 纳秒的伽马脉冲激发下，获得了典型半导体的折射率响应。基于过剩载流子实时浓度演化模型，解释了半导体折射率响应在不同强度脉冲下的差异，报道了磷化铟材料的折射率增敏效应。.项目建立了从折射率调制型辐射脉冲探测器输出信号得到伽马脉冲强度的方法，并实验验证了其有效性。项目提出了空间时间转换法测量10 ps、MeV级脉冲时间宽度的方案，建立了脉冲时间宽度的复原方法。.项目研究揭示了体材料半导体折射率演化机制，为理解MeV级伽马脉冲下半导体折射率变化特性提供了基础，对促进折射率调制型辐射脉冲测量技术在惯性约束聚变和逆康普顿光源诊断中的实用化具有重要意义，对研究基于类似原理的固态条纹相机、固态分幅相机等超快光脉冲记录技术有借鉴意义，为研究半导体在激光、X/伽马、中子或带电粒子的脉冲下的过剩载流子动力学行为提供了实用的方法。