碲鋅鎘像素核輻射探測器原理及實驗特性研究.pdf

1、近年來，半導體核輻射探測器的發(fā)展相當迅速。這類探測器已經廣泛地應用于核物理學、X射線和伽瑪射線天文學，以及核醫(yī)學等諸多領域。與氣體探測器和閃爍體探測器相比，半導體探測器的成像性能更為優(yōu)異，能譜分辨能力也更強，同時還可以使整個探測系統(tǒng)的結構更為緊湊。特別是最近三年來，“神光-III原型”及“LAMOST”等國家大型科學裝置的落成，為我國核物理學、高能物理學和天體物理學等諸多研究提供了新平臺，開拓了新領域，提供了新契機，為取得進一步重大科研

2、成果奠定了堅實的基礎。因此，已經形成了以大科學裝置為基礎的一系列后續(xù)科研課題，產生了對高能射線能譜探測及成像診斷技術的新需求。
　　CdZnTe晶體材料對硬X射線和伽瑪射線的截止能力和探測量子效率都很高，適合探測范圍10keV~1.5MeV能量的光子，特別是在10~100keV能量范圍內，其能量探測效率可以達到90％以上。不斷成熟的晶體生長方法與工藝，不斷優(yōu)化的探測器結構以及不斷完善的信號處理技術，都使得CdZnTe探測器的性能越

3、來越優(yōu)異，在核輻射探測領域起著越來越重要的作用，成為現(xiàn)在室溫半導體輻射探測領域的熱點，受到世界各國的高度重視。
　　目前，國內外CdZnTe像素核輻射探測器的研究存在很大差距。國內相關研究工作還處于起步階段，研究單位也相對較少，主要的研究集中在CdZnTe晶體生長工藝和表面處理技術方面；國外相關研究主要針對新型探測器電極結構的設計、探測器脈沖信號電子學處理技術的改進、以及載流子俘獲的物理機制等。雖然在提高CdZnTe探測器能量分辨

4、率的研究方面取得了很大進展，但是CdZnTe像素核輻射探測技術的相關研究領域內，還存在若干問題亟待解決。
　　為了完善像素CdZnTe像素核輻射探測器在核輻射能譜探測及成像探測領域的結構體系，拓展其在粒子探測領域的應用范圍，面向“神光III”等國家大科學裝置對X射線及Gamma射線診斷的需求，以及核醫(yī)學、天文物理等研究領域的需求，開展了“像素CdZnTe探測器研究”這一課題的研究工作。研究得到了國家自然科學基金面上項目(No.10

5、876044, No.62174048)中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目(No. CDJXS11122219)的資助。圍繞所提出的科學問題，按照改進CdZnTe探測器能量分辨率及成像探測性能的主旨，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制，分析了幾種不同作用機制與光子能量的關系?；跈嘀貏堇碚摚治隽诵盘柈a生與收集原理，對單極性探測器的工作原理進行了討論。對像素探測器的讀出系統(tǒng)進行了總體歸納與設

6、計。
　　(2)模擬了X射線或伽瑪射線在探測過程中的主要物理過程，以將模擬結果用于探測器的優(yōu)化設計。首先采用MCNP代碼建模，包括光子與晶體的主要作用機制，比如光電吸收，康普頓散射，電子偶產生以及瑞利散射等。其次利用Matlab電場有限元分析軟件工具包對電荷在晶體中的俘獲與擴散建立了模型。分析討論了不同尺寸的電極結構對權重勢分布的影響。最后基于Shockley-Ramo理論建立了像素探測器信號感生模型，并給出了不同輻照源的能譜結果

7、。
　　(3)根據(jù)對電極材料與表面處理工藝的研究，制備了不同規(guī)格像素探測器。并首先對這些探測進行了漏電測試，得到了不同偏壓下像素探測器的漏電流分布，隨后根據(jù)不同的探測器結構設計進行了進一步研究，內容包括：
　　(a)研究了不同條件下，探測器的能譜分辨率。
　　(b)對像素探測器中間隙處的電荷共享與損失進行了研究。
　　(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像素探測器的像素尺寸進行了

8、綜合優(yōu)化。
　　(d)通過厚針孔系統(tǒng)，對137Cs高能662keV伽馬射線輻射源進行成像探測，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程，并結合模擬的電勢分布討論了極化增強的原因。利用極化擴展的程度，對高通量的X射線進行了估算。最后，推導了發(fā)生極化時空間電荷的臨界濃度，并與光子通量建立了數(shù)學聯(lián)系，討論了高輻照下空間電荷擴散與極化區(qū)域的關系。對極化效應進行了補充，也從另一個方面證實了空間電