CN102798882B - 一种压接结构的电流型czt探测器 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射探测装置，具体涉及一种压接结构的电流型CZT探测器。本发明解决了工艺、技术条件导致的CZT探测器的封装结构不良，封装后漏电流增大、电极不牢固、制备难度大、性能不稳定、加工定制成品率低等技术问题。其包括屏蔽壳体、设置在屏蔽壳体外的两个电缆转接器、设置在屏蔽壳体内的通孔以及设置在通孔内的CZT晶体、导电垫环、电极和压盖；CZT晶体的两侧表面镀有导电层；导电垫环、电极和压盖分为两组且对称分布在CZT晶体的两侧，其中导电垫环与CZT晶体两侧分别接触，电极与相应的导电垫环接触，压盖将电极和导电垫环固定在屏蔽壳体内并压紧在CZT晶体上。本发明具有高的探测效率及探测灵敏度，性能稳定可靠。

Description

一种压接结构的电流型CZT探测器

技术领域

本发明属于辐射探测装置，具体涉及一种压接结构的电流型CZT探测器。

背景技术

随着科学技术的发展，强流、瞬态脉冲辐射场的产生、应用成为新的研究热点。对于这类强流、瞬态核反应过程实施有效诊断，需要研制合适的探测器来获取信息。现有脉冲伽马射线探测通常采用电流模式探测器。实际应用中，所采用的电流模式半导体探测器主要有两类：一种是基于Si-PIN的半导体探测器；另一种是基于CdZnTe(CZT)、GaN、CVD金刚石等宽禁带半导体材料的探测器。这两类探测器主要用于带电粒子(电子、质子、α粒子、裂变碎片等)探测，以及脉冲伽马时间谱、脉冲中子时间谱、X射线能谱的测量。这类电流型半导体探测器具有体较小、结构简单、便于操作等突出优点。尤其是基于CZT、GaN、CVD金刚石等宽禁带半导体材料的电流型探测器是近年来发展起来的一种新型脉冲伽马射线探测器；这类半导体材料具有电阻率高(＞10¹⁰Ω·cm)、禁带宽度大(＞1.5eVRT)、高迁移率寿命积等特点，因而，由其制备的探测器具有漏电流小，时间响应快、探测灵敏度高、抗辐照能力强且可室温操作等优点，具有十分广阔的发展、应用前景。

然而，这两类电流型探测器应用于脉冲伽马射线探测的同时也存在一些技术问题：基于Si-PIN的半导体探测器由于电阻率偏低，使其暗电流过大(μA量级)，并且存在抗辐照能力有限等缺点，限制了其应用。基于CZT等材料的探测器存在由于封装结构不良，导致经过蒸镀Au电极(欧姆接触)的半导体材料经过探测器封装后，测试漏电流明显增大，探测器性能不稳定，且施加高压后(＞300V)极易击穿等问题，严重影响其在脉冲伽马射线探测中的使用。本发明专利通过设计一种新型的探测器封装结构，着重解决基于CZT材料的电流型探测器存在的由于封装结构不良所导致其应用的一系列问题，以期实现一种辐射探测性能稳定可靠的新型CZT电流型探测器的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种压接结构的电流型CZT探测器，其解决了工艺、技术条件导致的CZT探测器的封装结构不良，封装后漏电流增大、电极不牢固、制备难度大、性能不稳定、加工定制成品率低等技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种压接结构的电流型CZT探测器，包括屏蔽壳体、设置在屏蔽壳体外的两个电缆转接器、设置在屏蔽壳体内的通孔以及设置在通孔内的CZT晶体、导电垫环、电极和压盖；所述CZT晶体的两侧表面镀有导电层；所述导电垫环、电极和压盖分为两组且对称分布在CZT晶体的两侧，其中导电垫环与CZT晶体两侧分别接触，电极与相应的导电垫环接触，压盖将电极和导电垫环固定在屏蔽壳体内并压紧在CZT晶体上；所述电极通过导线与电缆转接器分别连接；所述通孔的一端设置有供射线通过的前窗，其另一端设置有后密封盖。

为了定位方便，上述通孔中部设置有定位环，所述定位环的厚度小于CZT晶体的厚度，其内径与CZT晶体的外径相一致。

上述CZT晶体两侧表面的导电层为镀金层，其厚度为50nm～200nm；所述导电垫环为极低电阻率的软质导电材料。

上述导电垫环是掺铝银粉的导电密封Si橡胶片，体电阻率小于0.005Ω·cm。

上述导电垫环材料还可以是碳纳米管+聚四氟乙烯混合体，体电阻率小于0.0005Ω·cm。

上述电极材料为铜或铝；所述压盖材料为聚四氟乙烯；所述前窗采用Al、Pb、Fe或Be材料。

本发明具有高的探测效率及探测灵敏度，性能稳定可靠，可以有效保证CZT晶体表面与金属电极之间的良好接触、获得低漏电流，从而提升了电流型CZT探测器的脉冲辐射探测性能。

附图说明

图1为本发明压接结构的电流型CZT探测器的结构原理图；

图2为本发明压接结构的电流型CZT探测器的结构示意图；

图3是本发明压接结构的电流型CZT探测器-100V～+100V的I-V曲线测试图；

图4是本发明压接结构的电流型CZT探测器0～800V的I-V曲线测试图；

图中：1-CZT晶体，2-软质导电垫环，3-电极，4-电缆转接器，5-前窗，6-屏蔽壳体，7-导线，8-压盖，9-通孔，10-定位环，11-密封后盖。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明压接结构的电流型CZT探测器由屏蔽壳体6、CZT晶体1、极低电阻率的软质导电垫环2、电极3、压盖8、电缆转接器4等部分组成。屏蔽壳体作为电磁屏蔽结构，屏蔽空间电磁干扰，材料可为DT4电磁纯铁。在屏蔽壳体6内部的通孔中，采用极低电阻率的软质导电垫环2直接接触镀有导电层的CZT晶片1，导电垫环2外部两侧直接接触金属电极3，利用金属材料制备的压盖将CZT晶体、导电垫环、电极固定于屏蔽壳体中；电流信号从导电层、导电垫环、电极3引出至电缆转接器4，其中屏蔽壳体6顶部具有一个独立的射线入射前窗5。作为射线入射通道，窗体可用Al、Pb、Fe、Be等金属材料制备。电极3可以为紫铜、铝等材料。使用导线将电流信号从金属电极3引出至电缆转接器4。CZT晶体为碲锌镉(CdZnTe)半导体材料，其两侧表面镀有导电层(欧姆接触电极，Au或Pt)。导电垫环为极低电阻率的软质导电功能材料，可以是掺铝银粉的导电密封Si橡胶片，工作温度-50～160℃，体电阻率小于0.005Ω·cm，具体可选用深圳长发其祥科技有限公司的导电屏蔽密封橡胶CP-GJ04。导电垫环材料还可以采用体电阻率小于0.0005Ω·cm的碳纳米管+聚四氟乙烯混合体。

为了定位方便，通孔中部设置有定位环，所述定位环的厚度小于CZT晶体的厚度，其内径与CZT晶体的外径相一致。

本探测器的制备方法：

1】打磨：首先采用w5的金刚石研磨膏对CZT晶体进行初磨，去除表面的切割条纹，然后以MgO粉悬浊液为抛光剂在金丝绒抛光布上对CZT晶体进行机械抛光30分钟，直至在100倍光学显微镜下观察不到微孔和划痕。最后用2％～5％的Br-MOH腐蚀液对CZT晶片表面进行化学抛光3分钟，以去除机械抛光在CZT晶片表面造成的损伤。

2】镀金：取打磨好的CZT晶片清洗干燥备用；将CZT晶片置于真空度为0.5～1×10^-3Pa、衬底温度为160～240℃的真空蒸镀装置内蒸镀金层，金层厚度为50nm～200nm；蒸镀金层并干燥后的CZT晶片探测器在100～1000V偏压范围内，每隔50～100V，加电压保持1～2小时。

3】安装：取屏蔽壳体6，将CZT晶片放入定位环的空心处两端分别放置导电垫环2，再放入电极3，电极3的引线从屏蔽壳体6侧壁上的孔中引出至电缆转接器，然后将压盖从屏蔽壳体6的通孔的两端螺纹开口处分别旋入，压在电极上，压力适中，不得压坏CZT晶片，但要保证电极、导电垫环以及CZT晶片的良好电接触。最后安装前窗和后密封盖。

本探测装置的工作原理：

伽马等射线入射通过前窗5进入探测器，通过与材料的相互作用进而沉积能量，使晶体内部产生电子-空穴对，在探测器两极的高压作用下，电子-空穴对作为载流子分别向晶体两侧漂移，这些载流子漂移过程形成的信号电流通过极低电阻率的软质导电垫环2、金属电极3引出至电缆转接器4，形成输出电流。

使用时，通过电缆转接器4对探测器施加高压及读出信号，利用标准射线源事先标定好探测器的灵敏度，测量时，屏蔽壳体6可阻挡来自空间的非信号电磁干扰，射线白探测器前窗5进入，与CZT晶体1作用产生信号电流。

Claims (4)

1.一种适用于强流瞬态脉冲的压接结构的电流型CZT探测器，包括屏蔽壳体、设置在屏蔽壳体外的两个电缆转接器、设置在屏蔽壳体内的通孔以及设置在通孔内的CZT晶体、电极和压盖；所述电极和压盖分为两组且对称分布在CZT晶体的两侧；所述电极通过导线与电缆转接器分别连接；所述通孔的一端设置有供射线通过的前窗，其另一端设置有后密封盖；其特征在于：还包括导电垫环，所述导电垫环为极低电阻率的软质导电材料；所述导电垫环分为两组且对称分布在CZT晶体的两侧；所述CZT晶体的两侧表面镀有导电层；所述导电垫环与CZT晶体两侧分别接触，电极与相应的导电垫环接触，压盖将电极和导电垫环固定在屏蔽壳体内并压紧在CZT晶体上；所述导电垫环是掺铝银粉的导电密封Si橡胶片，体电阻率小于0.005Ω·cm；或导电垫环材料为碳纳米管+聚四氟乙烯混合体，体电阻率小于0.0005Ω·cm。

2.根据权利要求1所述的适用于强流瞬态脉冲的压接结构的电流型CZT探测器，其特征在于：所述通孔中部设置有定位环，所述定位环的厚度小于CZT晶体的厚度，其内径与CZT晶体的外径相一致。

3.根据权利要求2所述的适用于强流瞬态脉冲的压接结构的电流型CZT探测器，其特征在于：所述CZT晶体为碲锌镉半导体材料，其两侧表面的导电层为镀金层，镀金层厚度为50nm～200nm。

4.根据权利要求3所述的适用于强流瞬态脉冲的压接结构的电流型CZT探测器，其特征在于：所述电极材料为铜或铝；所述压盖材料为聚四氟乙烯；所述前窗采用Al、Pb、Fe或Be材料；所述屏蔽壳体材料为DT4电磁纯铁。