面元像素CdZnTe高能輻射探測器原理、系統(tǒng)及特性研究.pdf

1、最近幾年來，國際空間站計劃的開始實施及國家大科學(xué)裝置“神光Ⅲ原型”、“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠鏡”(LAMOST)的建成標(biāo)志著國家在航空航天、高能物理及天文學(xué)等科研領(lǐng)域都取得了具有里程碑意義的重大成果。而作為這一系列重大科研計劃的重要技術(shù)支撐，對10 keV～1000 keV能區(qū)輻射診斷技術(shù)的研究也具有極其重要的科研意義。而基于面元像素電極碲鋅鎘(CdZnTe)晶體材料的核輻射探測器由于對高能射線具備優(yōu)異的能量分辨率性能及探測效率，

2、正逐漸成為目前半導(dǎo)體核輻射探測技術(shù)的研究熱點。
　　 到目前為止，國內(nèi)外CdZnTe探測器件的研究存在較大差距。國內(nèi)相關(guān)研究尚處于起步階段，主要研究方向是CdZnTe晶體生長及表面處理工藝；國外相關(guān)研究主要針對探測器收集電極結(jié)構(gòu)的改變、探測器權(quán)重勢分布理論及相關(guān)脈沖信號電子學(xué)處理技術(shù)的改進。近年來，科研人員在提高CdZnTe探測器能量分辨率的研究工作方面取得了大量卓有成效的進展，但在面元像素CdZnTe探測技術(shù)的相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)，

3、目前的研究還存在若干明顯問題。其中包括大面積面元像素CdZnTe成像探測系統(tǒng)的制備問題以及如何結(jié)合目前的成像傳遞函數(shù)理論評價探測器成像質(zhì)量等問題。更進一步而言，在高能輻射成像探測領(lǐng)域，如何更深入地從載流子遷移及感應(yīng)信號收集理論方面對探測器最終成像信號變化進行討論分析?在極端探測條件下，CdZnTe探測器的探測性能是否會受到影響?
　　 針對以上問題，同時為了完善面元像素CdZnTe探測器在10 keV～1000 kev能區(qū)核輻射

4、能譜探測及成像探測領(lǐng)域的研究結(jié)構(gòu)體系，在國家自然科學(xué)基金項目(No.10876044)及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(No.CDJXS11122219)資助下，開展了面元像素CdZnTe高能核輻射探測技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作。圍繞所提出的科學(xué)問題，論文主要進行了如下研究工作
　　 1.研究討論了CdZnTe晶體與射線光子的相互作用，分析了不同能量不同性質(zhì)粒子在CdZnTe晶體內(nèi)部的傳輸與衰減。根據(jù)CdZnTe探測器基本原理討論了晶體

5、內(nèi)部載流子電荷的收集特性，分析了多種不同電極結(jié)構(gòu)CdZnTe晶體的權(quán)重勢分布，為進行面元像素陣列CdZnTe探測系統(tǒng)的深入研究奠定了必要的理論基礎(chǔ)，提供了研究思路。
　　 2.基于CdZnTe晶體表面漏電流理論，測試研究了2×2及4×4像素CdZnTe晶體的表面漏電流分布，針對面元像素CdZnTe晶體漏電流特性及輸出信號特點制備了基于前置放大芯片的讀出電路系統(tǒng)。進一步采用極零相消電路及Sallen-Key濾波器設(shè)計實現(xiàn)了信號脈沖

6、整形電.路并制備了多級罄形放大電路系統(tǒng)。根據(jù)實驗測試所得CdZnTe探測器數(shù)字脈沖信號，研究了相應(yīng)的能譜獲取及修正方法。通過編寫尋峰程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)字脈沖信號的尋峰處理及能譜統(tǒng)計。以降低面元像素CdZnTe探測器像素單元邊緣效應(yīng)對能量分辨率的影響為目的，提出了基于數(shù)字脈沖信號的幅度修正算法，較明顯地提高了探測器邊緣像素單元的能量分辨率。
　　 3.探討了面元像素CdZnTe探測器的成像機理，測試分析了所搭建CdZnTe成像探測系統(tǒng)的

7、關(guān)鍵性能參數(shù)?；卺樋壮上窕驹淼姆治?，建立了高能射線針孔成像系統(tǒng)。數(shù)值計算并實驗測試分析了成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)特性，結(jié)合數(shù)字圖像處理理論提出基于Lucy-Richardson算法的探測退化圖像復(fù)原方法并測試驗證了該方法的優(yōu)越性。
　　 4.在cdznTe晶體俘獲載流子感應(yīng)電荷理論的基礎(chǔ)上，討論并研究了俘獲載流子在CdznTe晶體電極表面所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷分布。通過建立陽極表面感應(yīng)信號分布模型實現(xiàn)了CdZnTe晶體物理參數(shù)與探

8、測器成像調(diào)制傳遞函數(shù)的關(guān)聯(lián)；從載流子遷移理論出發(fā)，研究討論了載流子遷移率等晶體物理特性對探測器成像性能的影響。
　　 5.測試分析了面元像素CdZnTe探測系統(tǒng)在高強度輻照條件下的成像特性，討論了探測器成像極化效應(yīng)與系統(tǒng)物理參數(shù)間的關(guān)系。進一步研究并建立了晶體內(nèi)部電勢分布模型，基于解析計算及有限元仿真兩種方法計算分析了CdZnTe晶體內(nèi)部電勢分布與初始空間電荷密度、輻射光子通量、外加偏壓等物理參數(shù)的關(guān)系。采用有限元電勢模型對實驗