由于有限的资源用于电力和空间有效载荷,小型化和集成仪表是一个高优先级解决的挑战高地球轨道载人和无人驾驶深太空任务(HEO),近地天体(近地天体),月球和火星轨道和表面,外行星系统,以及提高高空飞机的安全性。新的、强大的和紧凑的探测器允许未来的仪器包满足特定的任务目标的更多选择。

的示意图紫外线光电探测器。
研制了一种理论响应时间快、探测面积大的固态紫外探测器,用于切伦科夫探测器。该探测器基于宽禁带半导体氧化锌(ZnO),在桥电路中,它可以检测小而快的紫外光脉冲,就像切伦科夫探测器所需的那样。目标是用这些固态器件取代切伦科夫探测器中光电倍增管的作用,节省尺寸、重量和所需功率。

为了改进探测几何结构,从任何方向测量高原子序数和能量(HZE)离子的球形探测器已获得专利,作为更大空间辐射探测器系统的一部分。探测器将需要开发足够快的固态紫外光电探测器(2 ns或更好的响应时间),以检测离子通过石英、蓝宝石或丙烯酸球时发出的切伦科夫光的冲击波。探测器必须足够小,以适应探测器系统结构,但有一个足够大的活动区域,以捕捉足够的切伦科夫光从球体。

探测器是在大块未掺杂的ZnO单晶上制作的。叉指状指状电极和接触垫通过光刻形成图案,并由银、铂或其他高导电性金属的溅射金属形成。

该检测器作为电阻传感器工作,如RTD(电阻温度检测器)或应变片与提供的电压/电流,并监测产生的电流/电压。一个常见的实施例是作为桥电路的一部分,其中提供的电压在检测器和虚拟电阻之间划分,并与检测器和虚拟电阻具有相似值的另外两个电阻平行。直接观察探测器与并联电阻的压降差,即可进行紫外光测量。优选实施例为半桥结构,其中虚拟电阻器是相同ZnO基板上的另一个指叉手指电极图案,但涂有UV阻挡材料。

当暴露在紫外光(或任何有足够能量的光)下时,半导体价带中的电子吸收足够的能量,进入导电带并在半导体中自由移动。除非由电场来定义,否则这些电子的运动是随机的,并将失去足够的能量,回到价带。因此,施加的电场引导导电电子的漂移,通过吸收紫外光而增加的导电电子降低了半导体的电阻。

该探测器的主要特点是设计简单,具有探测切伦科夫光所需的大面积和快速响应时间。该传感器可以在不掺杂的情况下使用标准的微加工工艺制造,允许在不损失灵敏度的情况下在空间中扩展使用。响应时间与电极间距有关,但与波长无关,这使得探测器可以根据任务要求制造公差。

这项工作是由Glenn研究中心的John D. Wrbanek和Susan Y. Wrbanek完成的。

有关本发明商业使用权的查询,请联系

NASA格伦研究中心
创新伙伴关系办公室
经办人:史蒂文费
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Brookpark路21000号
克利夫兰
44135年俄亥俄。

LEW-19040-1


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本文首次发表于2013年10月号美国宇航局金宝搏官网技术简报杂志。

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