單極性碲鋅鎘核輻射探測器及其紅外激勵(lì)效應(yīng)研究.pdf

1、當(dāng)今世界，核輻射的應(yīng)用和探測正在逐漸引起人們的重視。X射線和伽瑪射線探測技術(shù)作為空間科學(xué)、原子核科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)手段，在核能利用、醫(yī)學(xué)成像、安全檢測、環(huán)境監(jiān)測和天文探測等方面都有重要的應(yīng)用。特別是近年來，隨著我國“神光-III”原型的建成及慣性約束核聚變ICF研究的發(fā)展、太陽探測和宇宙背景輻射探測的開展、大型航空航天器的無損探傷和先進(jìn)核醫(yī)學(xué)成像需求的增加，高分辨率的伽瑪射線探測器的研究已經(jīng)成為核輻射探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2、
　　CdZnTe材料具有平均原子序數(shù)高、電阻率高(≥1010?·cm)、禁帶寬度大(1.57 eV)、不存在極化現(xiàn)象等特點(diǎn)，這些優(yōu)異的材料特性使得CdZnTe核輻射探測器相對于傳統(tǒng)的閃爍體探測器具有更好的能量分辨率和成像能力；同時(shí)CdZnTe材料的出現(xiàn)也填補(bǔ)了硅(Si)對高能射線探測效率低和高純鍺(HPGe)不能在室溫下工作等不足，使得CdZnTe探測器成為最具潛力的室溫半導(dǎo)體核輻射探測器。然而CdZnTe材料的載流子傳輸特性較

3、差(特別是空穴)，導(dǎo)致了探測器電荷收集效率的降低和能譜特性的變差。研究者們也在不斷地從晶體生長、脈沖信號(hào)處理和探測器設(shè)計(jì)等方面做出努力來克服這一問題。
　　目前關(guān)于CdZnTe探測器的研究，國外多集中在集成讀出電路的開發(fā)、信號(hào)處理和脈沖幅度修正技術(shù)等方面；國內(nèi)的研究起步較晚，與國外有一定差距，研究主要側(cè)重在大體積、高品質(zhì)的晶體生長方面。而對于如何通過CdZnTe探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或是采用外部激勵(lì)方式來提高電荷收集效率，改進(jìn)探測器的能

4、譜特性等方面的研究較少。為了進(jìn)一步提高 CdZnTe探測器的能譜特性，面向“神光-III”等國家大科學(xué)裝置、核醫(yī)學(xué)、天體物理等領(lǐng)域?qū)?X和伽瑪射線的診斷需求，在國家自然科學(xué)基金(NSAF.10876044，NO.62174048)的資助下，開展了“單極性CdZnTe核輻射探測器”這一課題的研究。本研究從單極性CdZnTe探測器的基本原理出發(fā)，采用權(quán)重勢、電場和電荷收集效率模擬仿真和能譜探測實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方式，以改進(jìn)CdZnTe探測器的

5、能譜性能為主旨，主要研究內(nèi)容如下：
　?、俑鶕?jù)核輻射探測器中的電荷感生和收集理論，分析了傳統(tǒng)平板CdZnTe探測器中由差的空穴傳輸特性引起的問題。詳細(xì)討論了各種單載流子收集技術(shù)及單極性CdZnTe探測器的結(jié)構(gòu)及原理。使用有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics對 Frisch柵探測器、半球形探測器、共面柵探測器和像素探測器等單極性探測器進(jìn)行了模擬仿真，求解了探測器內(nèi)部的權(quán)重勢和電場分布，基于 Shockley-Ramo

6、理論探討了各種單極性CdZnTe探測器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，為單極性CdZnTe探測器的設(shè)計(jì)和制作提供了一定的依據(jù)。
　　②通過權(quán)重勢和權(quán)重場的有限元仿真，分析了電容式Frisch柵CdZnTe探測器各結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)以及外加電壓等因素對探測器電荷收集效率的影響。在仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制備了5×5×10 mm3的電容式Frisch柵探測器，通過能譜測定實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了增加屏蔽環(huán)高度對電容式 Frisch柵探測器單極性的改進(jìn)過程。在屏蔽環(huán)高度為1

7、0 mm時(shí)得到了對662 keV的137Cs放射源的最佳能量分辨率FWHM2.8％和峰谷比15.3。
　?、鄄捎?40 nm的紅外光激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，研究了紅外光照射如何改進(jìn)電容式Frisch柵探測器的載流子傳輸特性，進(jìn)而提高探測器的能譜特性。通過適當(dāng)選擇紅外LED的光強(qiáng)，紅外激勵(lì)后實(shí)現(xiàn)了探測器能量分辨率FWHM從3.3%到2.3%(662 keV)的提高，峰谷比也從14.0提高到了21.0。同時(shí)在較低的工作電壓和較弱的單極性條件下，通過

8、紅外激勵(lì)也可以實(shí)現(xiàn)相對較好的能量分辨率。該方式既不需要脈沖整形修正，同時(shí)也不損失探測效率，為CdZnTe探測器電荷收集效率的提高和能譜特性的改善提供了外在方法。
　?、苁褂猛粔KCdZnTe晶體設(shè)計(jì)并制作了像素大小不等的4×4公共格柵像素CdZnTe探測器。這種設(shè)計(jì)排除了材料差異帶來的影響，可以在相同的CdZnTe晶體上研究不同的陣列結(jié)構(gòu)。通過能譜測定實(shí)驗(yàn)結(jié)合具體的權(quán)重勢和電場仿真，綜合研究了公共格柵像素CdZnTe探測器中的小像