CN103913763A - 辐射探测器及辐射探测装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种辐射探测器及包括该辐射探测器的辐射探测装置。辐射探测器包括：用于感测辐射的半导体晶体，所述半导体晶体包括顶部表面、底部表面和至少一个侧面；位于半导体晶体的顶部表面的第一阳极；位于半导体晶体的底部表面的第二阳极；以及位于半导体晶体的至少一个侧面的阴极。辐射探测装置包括该辐射探测器和信号处理电路。该辐射探测器利用结构简单的双阳极结构实现了单电荷灵敏特性，从而改善能量分辨率。

Description

辐射探测器及辐射探测装置

技术领域

本发明涉及辐射探测器及包括该辐射探测器的辐射探测装置，更具体地，涉及用于X射线或γ射线能谱测量或成像的CdZnTe(CZT)探测器及其探测装置。

背景技术

辐射探测器可以测量例如X射线或γ射线的能谱，因而是进行核素识别的主要手段之一。辐射探测器已经广泛应用于核辐射防护、核安检、环境保护及国土安全等领域，用于检测放射性物质。目前，辐射探测器主要可分为两类：一类是以NaI(T1)为代表的闪烁体探测器，另一类是以高纯锗(HPGe)为代表的半导体辐射探测器。

闪烁体探测器具有价格便宜、制备简单等优点。然而，闪烁体探测器的能量分辨率较差，很难满足复杂能谱精细结构的测量要求。半导体辐射探测器具有很好的能量分辨率。然而，半导体辐射探测器大都要求在液氮(77K)下保存或使用。由于使用了低温容器和真空室，这将增加探测器的总体积。而且，需要频繁地添加液氮，无法满足野外恶劣条件下的使用要求，使用范围受到了限制。使用化合物半导体材料的半导体辐射探测器具有能量分辨率高、探测效率高、体积小、便于携带、并可在室温下工作等优点。目前，半导体辐射探测器已广泛应用于环境监测、核医学、工业无损检测、安全检查、核武器突防、航空航天、天体物理和高能物理等领域。近年来，人们对HgI₂、GaAs、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂及AlSb等多种化合物半导体材料进行了广泛的研究。研究表明，CdZnTe是性能优异、最有前途的用于在室温下工作的半导体辐射探测器的新材料。

由于例如CdZnTe的半导体晶体的本身特性，例如空穴寿命短、迁移率低(即μ_hτ_h很小)，载流子在半导体晶体中的漂移长度L_h很短，在半导体晶体中不同位置处的载流子对脉冲幅度的贡献不同。结果，化合物半导体辐射探测器的能量分辨率变差。为改善该类化合物半导体辐射探测器的能量分辨性能，该类化合物半导体辐射探测器往往设计为具有单电荷灵敏特性的电极结构，以消除因空穴迁移速度慢而对能量分辨率带来的不良影响。目前，基于单电荷灵敏特性设计的半导体辐射探测器主要包括：平行弗里希栅型(Parallel Frisch Grid)、共面弗里希栅型(Coplanar Frisch Grid)、半球形(Hemisphere)、准半球型(Quasi-hemisphere)和小像素型(Pixelated)等。

上述基于单电荷灵敏特性设计的半导体辐射探测器利用特定的电极结构在一定程度上提高了能量分辨率。然而，这些电极结构较为复杂，工艺制作复杂且给后续的读出电子学设计带来困难，不利于便携式γ谱仪的制作。或者这些电极结构限制了半导体辐射探测器的探测效率，并且对能量分辨率的改善不明显。

发明内容

本发明的一个目的旨在简化半导体辐射探测器的电极结构以降低生产成本。

本发明的进一步的目的是结合信号处理电路对半导体辐射探测器的输出信号进行修正，以提高能量分辨率。

根据本发明的一方面，提供一种辐射探测器，包括：用于感测辐射的半导体晶体，所述半导体晶体包括顶部表面、底部表面和至少一个侧面；位于半导体晶体的顶部表面的第一阳极；位于半导体晶体的底部表面的第二阳极；以及位于半导体晶体的至少一个侧面的阴极。

优选地，半导体晶体感测X射线或γ射线。

优选地，半导体晶体的形状为长方体，并且所述顶部表面和所述底部表面是长方体的任意两个相对表面，所述至少一个侧面是长方体的其余四个表面。

优选地，半导体晶体的形状为立方体，并且所述顶部表面和所述底部表面是立方体的任意两个相对表面，所述至少一个侧面是立方体的其余四个表面。

优选地，半导体晶体的形状为圆柱体，并且所述顶部表面和所述底部表面分别是圆柱体的顶面和底面，所述至少一个侧面是圆柱体的侧面。

优选地，阴极连续覆盖半导体晶体的所述至少一个侧面。

优选地，阴极分成位于半导体晶体的所述至少一个侧面的一部分并且共同连接在一起的多个区段。

优选地，阴极完全覆盖半导体晶体的所述至少一个侧面。

优选地，第一阳极和第二阳极分别覆盖半导体晶体的顶部表面和底部表面的至少一部分。

进一步优选地，第一阳极和第二阳极的尺寸为半导体晶体的顶部表面和底部表面之间的高度的1/5～2/5，并且小于半导体晶体的顶部表面和底部表面的尺寸。

优选地，第一阳极和第二阳极具有相同的形状，并且相对于阴极对称地设置在半导体晶体的顶部表面和底部表面的中心。

优选地，半导体晶体由选自HgI₂、GaAs、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂和AlSb中的一种组成。

优选地，射线沿着半导体晶体的4π方向入射。

进一步优选地，射线沿着垂直于所述至少一个侧面中的一个侧面的方向入射。

根据本发明的另一方面，提供一种辐射探测装置，包括：上述的辐射探测器；以及信号处理电路，所述信号处理电路包括：第一双极性放大整形电路，从第一阳极接收第一感测信号并进行放大和整形；第二双极性放大整形电路，从第二阳极接收第二感测信号并进行放大和整形；第一绝对值电路，从第一双极性放大整形电路接收第一感测信号并且计算第一感测信号的幅度的绝对值；第二绝对值电路，从第二双极性放大整形电路接收第二感测信号并且计算第二感测信号的幅度的绝对值；求和电路，从第一绝对值电路接收第一感测信号的幅度的绝对值，以及从第二绝对值电路接收第二感测信号的幅度的绝对值，并对第一感测信号的幅度的绝对值和第二感测信号的幅度的绝对值求和；以及多道脉冲幅度分析器，接收求和电路的输出信号并对脉冲幅度分布进行分析。

优选地，辐射探测装置还包括供电电路，在第一阳极、第二阳极与阴极之间提供工作电压。

优选地，辐射探测装置根据半导体晶体的高度设置工作电压。

进一步优选地，半导体晶体是尺寸为10mm×10mm×10mm的立方体，工作电压约为100～200V/mm。例如，工作电压约为200V/mm。

根据本发明的辐射探测器利用第一阳极和第二阳极提供两路感测信号。在优选的实施例中，第一阳极和第二阳极具有相同的形状，并且相对于阴极对称地设置在半导体晶体的顶部表面和底部表面的中心。该电极结构的制备无须进行昂贵的光刻技术。该辐射探测器利用结构简单的双阳极结构实现了单电荷灵敏特性，从而改善能量分辨率。该双阳极结构使得可以利用较大灵敏体积的半导体晶体，从而可以提高探测效率。根据本发明的辐射探测装置不需要使用庞大复杂的信号处理电路，仅依靠双阳极结构的优化及读出信号的修正即可使室温半导体γ/x探测器具有较高的能量分辨率。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是根据本发明一个优选实施例的辐射探测器的示意性原理图；

图2是根据本发明一个优选实施例的辐射探测器中半导体晶体内部不同位置处产生的电子在工作电压作用下的模拟漂移路径；

图3是根据本发明一个优选实施例的辐射探测装置的电路框图；以及

图4是根据本发明一个优选实施例的辐射探测装置的模拟能谱图。

具体实施方式

下文结合附图对本发明优选实施例进行详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图1是根据本发明一个优选实施例的辐射探测器的示意性原理图。辐射探测器100包括半导体晶体101、阴极102、第一阳极103和第二阳极104。半导体晶体101感测X射线或γ射线。

在图1的示例中，半导体晶体101由CdZnTe(CZT)组成。然而，半导体晶体101的材料不限于此，而是可以由选自HgI₂、GaAs、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂及AlSb中的一种组成。

在图1的示例中，半导体晶体101的形状为立方体，并且任意两个相对表面分别作为顶表面和底表面，与顶表面和底表面邻接的四个表面作为侧面。然而，半导体晶体101的形状不限于此，而是可以是选自长方体、立方体、棱柱和圆柱体的一种，其中两个相对表面分别作为顶表面和底表面，与顶表面和底表面邻接的所有表面作为侧面。

在图1的示例中，半导体晶体101的顶部表面和底部表面的尺寸由宽度D表示，半导体晶体101的顶部表面和底部表面之间的距离由高度H表示。立方体的宽度D和高度H都是可以调整的参数，本领域技术人员可根据实际应用需求及探测器的效率对其进行调整。立方体的宽度D和高度H相等，通常可为大约5mm～20mm，典型地可以大约为10mm。然而，如果半导体晶体101的顶部表面和底部表面的形状为长方形，则其尺寸由长度L和宽度D表示，如果半导体晶体101的顶部表面和底部表面的形状为圆形，则其尺寸由半径R表示。

在图1的示例中，阴极102覆盖半导体晶体101的所有侧面的全部区域。然而，阴极102的配置不限于此。例如，阴极102可以连续覆盖半导体晶体101的各个侧面的一部分，或者可以分成位于半导体晶体101的各个侧面的一部分并且共同连接在一起的多个区段。

在图1的示例中，第一阳极103和第二阳极104分别覆盖半导体晶体的顶部表面和底部表面的至少一部分。第一阳极103和第二阳极104均为圆形，并且分别对称地设置在半导体晶体的顶部表面和底部表面的中心。第一阳极103和第二阳极104的直径和半导体晶体101的高度有关系。如果第一阳极103和第二阳极104的直径过大，则小像素效应不明显，单电荷灵敏特性不明显，影响探测器的能量分辨率。如果第一阳极103和第二阳极104的直径过小，尽管小像素效应增强，但不利于电子空穴对的快速收集，会因电子空穴对的寿命问题带来电荷收集不完全，从而影响探测器的能量分辨率。本领域技术人员可通过对探测器能量分辨率的优化获得最佳比例关系。第一阳极103和第二阳极104的尺寸为半导体晶体101的高度的1/5～2/5例如，当半导体晶体尺寸是尺寸为10mm×10mm×10mm的立方体时，第一阳极103和第二阳极104的直径优选为3mm。此外，第一阳极103和第二阳极104的尺寸还应当小于半导体晶体101的顶部表面和底部表面的尺寸，即第一阳极103和第二阳极104没有全部覆盖顶部表面和底部表面，小于半导体晶体的顶部表面和底部表面的尺寸。第一阳极103和第二阳极104的配置不限于圆形，而是可以是选自圆形、方形、长方形、三角形、菱形等的一种。

在图1中示意性地示出了辐射探测器100对γ射线的探测过程。在图1中示出γ射线沿着垂直于半导体晶体101的一个侧面的方向入射。然而，射线的入射方向不限于此，而是可以沿着半导体晶体的4π方向入射。辐射探测器100对于x射线的探测过程与γ射线的探测过程类似。以γ射线的探测过程为例，当射线I₀从半导体晶体101的一个侧面入射到半导体晶体101中时，射线I₀将与半导体晶体101内部的原子发生光电效应或康普顿散射。当射线能量大于1.022MeV时，还将发生电子对效应。上述不同作用过程产生的电子都将会与半导体物质原子发生电离相互作用使晶体内生成电子-空穴对。在工作电压的作用下，电子向第一阳极103、第二阳极104漂移，空穴向阴极102漂移，并在上述电极上产生感测信号。

本发明人认识到，感测信号的大小及极性将与电子空穴对的产生位置及漂移路径直接相关，而电子-空穴对的漂移路径又由工作电场决定。图2是根据本发明一个优选实施例的辐射探测器中半导体晶体内部不同位置处产生的电子在工作电压作用下的模拟漂移路径。对于尺寸为10mm×10mm×5mm的半导体晶体101，通过计算示出了半导体晶体101内部不同位置处产生的电子在工作电压下的漂移路径。本领域技术人员容易明白在这些位置处产生的空穴将沿与电子路径相反的方向漂移。并且，本领域技术人员容易明白半导体晶体101的内部其它不同位置处产生的电子-空穴对的漂移路径。电子-空穴对在沿上述漂移路径漂移时，将分别在上表面阳极及下表面阳极上产生电荷感测信号。

如图2所示，本发明的辐射探测器利用双阳极结构，实现了单电荷灵敏特性，即电荷感测信号的大小主要依赖于电子的收集过程，而对空穴的收集过程不敏感。因此，双阳极结构可以避免由于空穴寿命短而造成的电荷收集不完全现象，从而提高探测器的能量分辨率。

图3是根据本发明一个优选实施例的辐射探测装置1000的电路框图。辐射探测装置1000包括图1所示的辐射探测器100，还包括信号处理电路200和供电电路300。在辐射探测器100中仅仅示出了第一阳极103和第二阳极104。供电电路300在辐射探测器100的第一阳极103、第二阳极104与阴极102之间提供工作电压。根据半导体晶体的高度设置工作电压。在一个示例中，半导体晶体101是尺寸为10mm×10mm×10mm的立方体，工作电压约为100～200V/mm，优选为200V/mm。

信号处理电路200包括：第一双极性放大整形电路201a，从第一阳极103接收第一感测信号并进行放大和整形；第二双极性放大整形电路201b，从第二阳极104接收第二感测信号并进行放大和整形；第一绝对值电路202a，从第一双极性放大整形电路201a接收第一感测信号并且计算第一感测信号的幅度的绝对值；第二绝对值电路202b，从第二双极性放大整形电路201b接收第二感测信号并且计算第二感测信号的幅度的绝对值；求和电路203，从第一绝对值电路202a接收第一感测信号的幅度的绝对值，以及从第二绝对值电路202b接收第二感测信号的幅度的绝对值，并对第一感测信号的幅度的绝对值和第二感测信号的幅度的绝对值求和；以及多道脉冲幅度分析器204，接收求和电路203的输出信号并对脉冲幅度分布进行分析。本领域技术人员应当明白，上文所述信号处理电路只是示意性的而非限制性的，任何当前已知或未来已知的能够满足上述信号修正处理原理的电路，均属于本发明所述范围之内。

根据本发明的辐射探测器100利用第一阳极103和第二阳极104提供两路感测信号。根据本发明的辐射探测装置1000利用信号处理电路200对双阳极的感测信号进行处理。在γ射线的探测过程中，第一阳极103作为电子收集电极，则在电子漂移过程中在第一阳极103上产生正感测信号，而在第二阳极104上产生负感测信号，将第一阳极103的感测信号减去第二阳极104的感测信号得到最终读出信号；反之亦然。若γ光子在探测器内发生多次康普顿散射，且产生的电子分别被两个阳极分别收集，则两阳极均产生正感测信号，将第一阳极103的感测信号与第二阳极104的感测信号相加得到最终读出信号。通过将第一阳极103的感测信号的绝对值与第二阳级104的感测信号的绝对值相加，可以针对上述任一情况获得最终读出信号。

图4是根据本发明一个优选实施例的辐射探测装置1000的模拟能谱图。本发明人认识到，通过上述信号修正处理可显著改善探测器的能量分辨率。根据本发明一个优选实施例的辐射探测装置1000，在半导体晶体101的尺寸约为10mm×10mm×10mm，第一阳极103和第二阳极的形状均为直径约3mm的圆形时，模拟计算得到的能量分辨率可达到1％662keV。

最后，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽地示出和描述了优选示例性的实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本申请公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (19)

1.一种辐射探测器，包括：

用于感测辐射的半导体晶体，所述半导体晶体包括顶部表面、底部表面和至少一个侧面；

位于半导体晶体的顶部表面的第一阳极；

位于半导体晶体的底部表面的第二阳极；以及

位于半导体晶体的至少一个侧面的阴极。

2.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中半导体晶体感测X射线或γ射线。

3.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中半导体晶体的形状为长方体，并且所述顶部表面和所述底部表面是长方体的任意两个相对表面，所述至少一个侧面是长方体的其余四个表面。

4.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中半导体晶体的形状为立方体，并且所述顶部表面和所述底部表面是立方体的任意两个相对表面，所述至少一个侧面是立方体的其余四个表面。

5.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中半导体晶体的形状为圆柱体，并且所述顶部表面和所述底部表面分别是圆柱体的顶面和底面，所述至少一个侧面是圆柱体的侧面。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射探测器，其中阴极连续覆盖半导体晶体的所述至少一个侧面。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射探测器，其中阴极分成位于半导体晶体的所述至少一个侧面的一部分并且共同连接在一起的多个区段。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射探测器，其中阴极完全覆盖半导体晶体的所述至少一个侧面。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射探测器，其中第一阳极和第二阳极分别覆盖半导体晶体的顶部表面和底部表面的至少一部分。

10.根据权利要求9中任一项所述的辐射探测器，其中第一阳极和第二阳极的尺寸为半导体晶体的顶部表面和底部表面之间的高度的1/5～2/5，并且小于半导体晶体的顶部表面和底部表面的尺寸。

11.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中第一阳极和第二阳极具有相同的形状，并且分别对称地设置在半导体晶体的顶部表面和底部表面的中心。

12.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中半导体晶体由选自HgI₂、GaAs、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI₂和AlSb中的一种组成。

13.根据权利要求1所述的辐射探测器，其中射线沿着半导体晶体的4π方向入射。

14.根据权利要求13所述的辐射探测器，其中射线沿着垂直于所述至少一个侧面中的一个侧面的方向入射。

15.一种辐射探测装置，包括：

根据权利要求1所述的辐射探测器；以及

信号处理电路，所述信号处理电路包括：

第一双极性放大整形电路，从第一阳极接收第一感测信号并进行放大和整形；

第二双极性放大整形电路，从第二阳极接收第二感测信号并进行放大和整形；

第一绝对值电路，从第一双极性放大整形电路接收第一感测信号并且计算第一感测信号的幅度的绝对值；

第二绝对值电路，从第二双极性放大整形电路接收第二感测信号并且计算第二感测信号的幅度的绝对值；

求和电路，从第一绝对值电路接收第一感测信号的幅度的绝对值，以及从第二绝对值电路接收第二感测信号的幅度的绝对值，并对第一感测信号的幅度的绝对值和第二感测信号的幅度的绝对值求和；以及

多道脉冲幅度分析器，接收求和电路的输出信号并对脉冲幅度分布进行分析。

16.根据权利要求15所述的辐射探测装置，还包括供电电路，在第一阳极、第二阳极与阴极之间提供工作电压。

17.根据权利要求16所述的辐射探测装置，其中根据半导体晶体的高度设置工作电压。

18.根据权利要求17所述的辐射探测装置，其中半导体晶体是尺寸为10mm×10mm×10mm的立方体，工作电压约为100～200V/mm。

19.根据权利要求18所述的辐射探测装置，其中工作电压约为200V/mm。