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(jì)劃的開始實(shí)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(yuǎn)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(jì)劃的重要技術(shù)支撐，對(duì)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(duì)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(diǎn)。
　　 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(duì)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(hào)電子學(xué)處理技術(shù)的改進(jìn)。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(jìn)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(píng)價(jià)探測器成像質(zhì)量等問題。更進(jìn)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(hào)收集理論方面對(duì)探測器最終成像信號(hào)變化進(jìn)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(huì)受到影響?
　　 針對(duì)以上問題，同時(shí)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(xiàng)目(No.10876044)及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)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(jìn)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(jìn)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(duì)面元像素CdZnTe晶體漏電流特性及輸出信號(hào)特點(diǎn)制備了基于前置放大芯片的讀出電路系統(tǒng)。進(jìn)一步采用極零相消電路及Sallen-Key濾波器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)脈沖

6、整形電.路并制備了多級(jí)罄形放大電路系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試所得CdZnTe探測器數(shù)字脈沖信號(hào)，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(hào)的尋峰處理及能譜統(tǒng)計(jì)。以降低面元像素CdZnTe探測器像素單元邊緣效應(yīng)對(duì)能量分辨率的影響為目的，提出了基于數(shù)字脈沖信號(hào)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(jī)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)。基于針孔成像基本原理的分析，建立了高能射線針孔成像系統(tǒng)。數(shù)值計(jì)算并實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(hào)分布模型實(shí)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(duì)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(qiáng)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(jìn)一步研究并建立了晶體內(nèi)部電勢分布模型，基于解析計(jì)算及有限元仿真兩種方法計(jì)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(duì)實(shí)驗(yàn)