碲鋅鎘像素核輻射探測(cè)器原理及實(shí)驗(yàn)特性研究.pdf

1、近年來(lái)，半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器的發(fā)展相當(dāng)迅速。這類(lèi)探測(cè)器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于核物理學(xué)、X射線和伽瑪射線天文學(xué)，以及核醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。與氣體探測(cè)器和閃爍體探測(cè)器相比，半導(dǎo)體探測(cè)器的成像性能更為優(yōu)異，能譜分辨能力也更強(qiáng)，同時(shí)還可以使整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為緊湊。特別是最近三年來(lái)，“神光-III原型”及“LAMOST”等國(guó)家大型科學(xué)裝置的落成，為我國(guó)核物理學(xué)、高能物理學(xué)和天體物理學(xué)等諸多研究提供了新平臺(tái)，開(kāi)拓了新領(lǐng)域，提供了新契機(jī)，為取得進(jìn)一步重大科研

2、成果奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，已經(jīng)形成了以大科學(xué)裝置為基礎(chǔ)的一系列后續(xù)科研課題，產(chǎn)生了對(duì)高能射線能譜探測(cè)及成像診斷技術(shù)的新需求。
　　CdZnTe晶體材料對(duì)硬X射線和伽瑪射線的截止能力和探測(cè)量子效率都很高，適合探測(cè)范圍10keV~1.5MeV能量的光子，特別是在10~100keV能量范圍內(nèi)，其能量探測(cè)效率可以達(dá)到90％以上。不斷成熟的晶體生長(zhǎng)方法與工藝，不斷優(yōu)化的探測(cè)器結(jié)構(gòu)以及不斷完善的信號(hào)處理技術(shù)，都使得CdZnTe探測(cè)器的性能越

3、來(lái)越優(yōu)異，在核輻射探測(cè)領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用，成為現(xiàn)在室溫半導(dǎo)體輻射探測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，受到世界各國(guó)的高度重視。
　　目前，國(guó)內(nèi)外CdZnTe像素核輻射探測(cè)器的研究存在很大差距。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作還處于起步階段，研究單位也相對(duì)較少，主要的研究集中在CdZnTe晶體生長(zhǎng)工藝和表面處理技術(shù)方面；國(guó)外相關(guān)研究主要針對(duì)新型探測(cè)器電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、探測(cè)器脈沖信號(hào)電子學(xué)處理技術(shù)的改進(jìn)、以及載流子俘獲的物理機(jī)制等。雖然在提高CdZnTe探測(cè)器能量分辨

4、率的研究方面取得了很大進(jìn)展，但是CdZnTe像素核輻射探測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)，還存在若干問(wèn)題亟待解決。
　　為了完善像素CdZnTe像素核輻射探測(cè)器在核輻射能譜探測(cè)及成像探測(cè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)體系，拓展其在粒子探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，面向“神光III”等國(guó)家大科學(xué)裝置對(duì)X射線及Gamma射線診斷的需求，以及核醫(yī)學(xué)、天文物理等研究領(lǐng)域的需求，開(kāi)展了“像素CdZnTe探測(cè)器研究”這一課題的研究工作。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No.10

5、876044, No.62174048)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(No. CDJXS11122219)的資助。圍繞所提出的科學(xué)問(wèn)題，按照改進(jìn)CdZnTe探測(cè)器能量分辨率及成像探測(cè)性能的主旨，主要研究工作如下：
　　(1)討論入射光子與CdZnTe晶體相互作用的物理機(jī)制，分析了幾種不同作用機(jī)制與光子能量的關(guān)系?；跈?quán)重勢(shì)理論，分析了信號(hào)產(chǎn)生與收集原理，對(duì)單極性探測(cè)器的工作原理進(jìn)行了討論。對(duì)像素探測(cè)器的讀出系統(tǒng)進(jìn)行了總體歸納與設(shè)

6、計(jì)。
　　(2)模擬了X射線或伽瑪射線在探測(cè)過(guò)程中的主要物理過(guò)程，以將模擬結(jié)果用于探測(cè)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先采用MCNP代碼建模，包括光子與晶體的主要作用機(jī)制，比如光電吸收，康普頓散射，電子偶產(chǎn)生以及瑞利散射等。其次利用Matlab電場(chǎng)有限元分析軟件工具包對(duì)電荷在晶體中的俘獲與擴(kuò)散建立了模型。分析討論了不同尺寸的電極結(jié)構(gòu)對(duì)權(quán)重勢(shì)分布的影響。最后基于Shockley-Ramo理論建立了像素探測(cè)器信號(hào)感生模型，并給出了不同輻照源的能譜結(jié)果

7、。
　　(3)根據(jù)對(duì)電極材料與表面處理工藝的研究，制備了不同規(guī)格像素探測(cè)器。并首先對(duì)這些探測(cè)進(jìn)行了漏電測(cè)試，得到了不同偏壓下像素探測(cè)器的漏電流分布，隨后根據(jù)不同的探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步研究，內(nèi)容包括：
　　(a)研究了不同條件下，探測(cè)器的能譜分辨率。
　　(b)對(duì)像素探測(cè)器中間隙處的電荷共享與損失進(jìn)行了研究。
　　(c)根據(jù)能量的沉積，電荷的收集效率，電荷共享，以及能量分辨率等因素對(duì)像素探測(cè)器的像素尺寸進(jìn)行了

8、綜合優(yōu)化。
　　(d)通過(guò)厚針孔系統(tǒng)，對(duì)137Cs高能662keV伽馬射線輻射源進(jìn)行成像探測(cè)，得到了能譜圖和放射源圖像。
　　(4)采用了雙向輻照的方法，研究了深度極化的過(guò)程，并結(jié)合模擬的電勢(shì)分布討論了極化增強(qiáng)的原因。利用極化擴(kuò)展的程度，對(duì)高通量的X射線進(jìn)行了估算。最后，推導(dǎo)了發(fā)生極化時(shí)空間電荷的臨界濃度，并與光子通量建立了數(shù)學(xué)聯(lián)系，討論了高輻照下空間電荷擴(kuò)散與極化區(qū)域的關(guān)系。對(duì)極化效應(yīng)進(jìn)行了補(bǔ)充，也從另一個(gè)方面證實(shí)了空間電