CN105842726A - 一种充氮气半导体制冷的碲锌镉x射线探测器 - Google Patents

一种充氮气半导体制冷的碲锌镉x射线探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器，碲锌镉探测器外部设有屏蔽罩，屏蔽罩上设有孔，双面不透光的镀铝膜覆盖孔，屏蔽罩内部设有半导体制冷片，半导体制冷片通过外部的制冷片恒定低温驱动电路进行制冷，屏蔽罩内部的碲锌镉探测器接收到X射线后转换为电荷信号，通过复位型电荷灵敏放大器放大后获得理想的核脉冲信号。本发明的有益效果是消除了放电电阻带来的电流噪声，提高了信噪比，有效提高了系统的能量分辨率。

Description

一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器
技术领域
本发明属于探测器技术领域，涉及一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器。
背景技术
X射线由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，现已广泛应用于医疗、地质、采矿、选冶、石化、建材、环保、商检、考古等多个领域。目前如何测量得到高分辨率的X射线能谱是大家共同关注的问题。
在近10年左右的时间里，三元化合物半导体CdZnTe晶体探测器迅速发展成为一种常温工作的X射线探测器，CdZnTe(20％ZnTe,80％CdTe)晶体具有电阻率高(约1011Ω.cm)、原子序数大(Cd原子序数为48,Te原子序数为52)、禁带宽度较大等特点。CdZnTe晶体的化学表达式为Cd1-xZnxTe，其下标x为ZnTe在CdTe中的混合比例，通常x＝0.04～0.2。随ZnTe含量的不同，CdZnTe晶体禁带宽度从1.4eV(近红外)至2.26eV(绿光)连续变化。这样使得它制成的探测器漏电流小，本征探测效率高，对温湿度不敏感，在室温下对X射线、伽马射线能量分辨率好，能量探测范围在10keV到6MeV，无极化现象。CdZnTe晶体的空穴寿命明显短于电子的寿命，文献中通常给出的电子寿命为100ns，而空穴为50～300ns。与其他常规的的化合物探测器相比较，CdZnTe晶体的极化效应、温度特性和抗辐射性能都要好一些。
半导体致冷器(Thermoelectric Cooler/TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。P型和N型半导体交替连接构成X对电偶，上、下两端面为绝缘陶瓷材料，电路中有电流时，上端面吸热致冷；下端致热，产生温差。TEC具有体积小，制冷效果好等特点，故对碲锌镉可采用TEC进行制冷，使碲锌镉探测器工作在低温条件下，降低噪声，提高碲锌镉探测器的能量分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器，解决了常规碲锌镉探测器采用非复位型电荷灵敏放大器而带来较大噪声、常规碲锌镉探测器能量分辨率低的问题。
本发明所采用的技术方案是碲锌镉探测器外部设有屏蔽罩，屏蔽罩上设有孔，双面不透光的镀铝膜覆盖孔，屏蔽罩内部设有半导体制冷片，半导体制冷片通过外部的制冷片恒定低温驱动电路进行制冷，屏蔽罩内部的碲锌镉探测器接收到X射线后转换为电荷信号，通过复位型电荷灵敏放大器放大后获得理想的核脉冲信号。
进一步，所述复位型电荷灵敏放大器包括JFET场效应管，转换的电荷信号经过JFET场效应管进入后级放大电路放大，得到输出信号，同时后级放大电路输出信号提供给反馈电容，反馈电容两端电压达到预设电压后，通过复位电容和碲锌镉探测器的寄生电容实现对输出信号的复位处理，使得输出信号为固定脉宽的脉冲信号。
进一步，所述寄生电容为碲锌镉探测器自身存在晶片寄生电容，寄生电容与反馈电容串联，反馈电容连接后级放大电路信号输出端，复位电容连接在碲锌镉探测器的阴极与后级放大电路信号输出端。
进一步，所述反馈电容的制作方法为：在TEC的陶瓷底座上，粘接两片相邻薄铜片，通过调节铜片间的距离来获得不同大小的电容。
进一步，所述镀铝膜表层与底层分别镀铝，厚度均为0.15um；中间层采用PET衬底。
进一步，所述屏蔽罩内部充一个大气压的氮气。
本发明的有益效果是消除了放电电阻带来的电流噪声，提高了信噪比，有效提高了系统的能量分辨率。
附图说明
图1是屏蔽罩结构示意图；
图2是本发明探测器内部封装结构示意图；
图3是本发明探测器的原理示意图；
图4是实施例1的探测器电路连接原理图。
图中，1.屏蔽罩，2.镀铝膜，3.半导体制冷片，4.陶瓷底座，5.碲锌镉探测器，6.热敏电阻。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1和图2所示，碲锌镉探测器外部的屏蔽罩1上设有孔，双面不透光的镀铝膜2覆盖孔进行避光处理，以减小对X射线的吸收，屏蔽罩1内部设有半导体制冷片3，屏蔽罩1与TEC的陶瓷底座4构成一个封闭空间。半导体制冷片3为若干层安装在TEC的陶瓷底座4上。为了获得更好的效果，将JFET场效应管、反馈电容尽量的靠近碲锌镉探测器5，并同时制冷，以减小分布电容，获得较高的性噪比。JFET场效应管为裸晶圆，不同于常规的电荷灵敏放大器使用的是封装好的JFET场效应管。JFET裸晶圆的优点是JFET的栅极等效电容更低，而栅极等效电容越低，探测器输出信号的信噪比越高。半导体制冷片通过外部的制冷片恒定低温驱动电路进行制冷，屏蔽罩1内部的碲锌镉探测器5接收到X射线后转换为电荷信号，通过复位型电荷灵敏放大器放大后获得理想的核脉冲信号。
如图3所示为本发明的原理图。其中复位型电荷灵敏放大器包括JFET场效应管，转换的电荷信号经过JFET场效应管进入后级放大电路放大，得到输出信号，同时后级放大电路输出信号提供给反馈电容，反馈电容两端电压达到预设电压后，通过复位电容和碲锌镉探测器的寄生电容实现对输出信号的复位处理，使得输出信号为固定脉宽的脉冲信号。所述寄生电容为碲锌镉探测器自身存在晶片寄生电容，寄生电容与反馈电容串联，反馈电容连接后级放大电路信号输出端，复位电容连接在碲锌镉探测器的阴极与后级放大电路信号输出端。碲锌镉探测器通过测试电容连接测试设备，提供测试信号。反馈电容和测试电容均不是常规的电容，而是通过特殊工艺制作而成的电容。该电容的制作方法如下：在TEC的陶瓷底座4上，粘接两片相邻薄铜片，通过调节铜片间的距离来获得不同大小的电容；常规的电容无法做到0.045pF的大小，而且温度系数大，稳定性较差。而采用铜片制作的电容稳定性优异，且容值可调节到很小。在碲锌镉探测器中，反馈电容越小，噪声越低，信号的信噪比越高。
对屏蔽罩1进行封装传统方法为铍窗+真空封装，优点是：减小了空气对低能X射线的吸收，其缺点也是很明显的：1.对选用的透射窗要求严格，必须严格不透气，且强度够大，否则容易被外围大气压给挤破；传统方法选用铍片，而不透气、不透水的铍片价格高昂，焊接在管帽上难度大；2.管帽与管座的真空粘接难度大；3.不利于TEC对碲锌镉探测器5的降温，碲锌镉探测器5只能靠导热的硅胶将热量通过TEC传导到探测器外部；4.仍然存在漏气的可能性，一旦漏气则在TEC低温制冷时，探测器内部会结霜，导致碲锌镉探测器5的体电阻急剧下降而无法正常工作；本发明采用双面的镀铝膜2进行避光处理，表层与底层分别镀铝，厚度均为0.15um；中间层采用PET衬底，屏蔽罩1罩在管座上以后，内部充一个大气压的氮气，达到气压平衡的效果。半导体制冷片3还连接有热敏电阻6进行测温。
采用镀铝膜2封装需要考虑以下问题：1.相对于低能X射线吸收比铍片略大，但对于常规的合金分析、矿石分析场合，所分析的X射线能量都大于3keV，此时镀铝膜2对X射线的吸收与25um的铍片接近，因此整体性能是一致的；2.硬度不如铍片，容易被尖锐物体刺穿；3.对镀铝膜2工艺要求较高，不允许出现针眼漏光；4.氮气对低能X射线有轻微的吸收，但不影响使用。
采用镀铝膜2并充氮气具有以下优点：1.价格便宜，当内部填充氮气时不要求将镀铝膜焊接在管帽上，仅需要高强度的导电结构胶即可；2.氮气在标准大气压时，液化温度为-195.6℃，因此在本探测器中，制冷温度不会低于-60℃，可以满足要求，不会发生冷凝现象；3.氮气的存在对碲锌镉探测器和JFET场效应管的散热效果优于真空；
下面列举具体实施例对本发明进行说明。
实施例1：如图4所示，D1为碲锌镉探测器，反馈电容C2为0.045pF，采用铜片制作而成，JFET场效应管Q1采用裸晶圆，C1为碲锌镉探测器的寄生电容，C3为复位电容。在300V的偏压下，碲锌镉探测器就能正常工作了，当X射线进入碲锌镉探测器后，探测器将其转换为一定量的电荷信号，该电荷信号经过JFET场效应管Q1和后级的放大电路放大后得到相应的电压信号。本设计采用的电荷灵敏放大器是复位型的，得到的相应的电压信号可为阶跃斜坡信号，如图4所示。当输出阶跃信号上升到一定的预设电压后，复位电路将输出固定脉宽的脉冲信号，通过复位电容C3和探测器的寄生电容C1实现对输出信号的复位处理。复位型电荷灵敏放大器不同于常规的电阻放电型电荷灵敏放大器，复位型电荷灵敏放大器省去了反馈电容C2两端并联的电阻，从而减小了噪声。但反馈电容C2上累积的直流电荷和交流电荷也就没有释放通路，故需要设计复位电路，复位电路检测到输出信号接近电源电压时，对反馈电容C2进行复位处理。由于碲锌镉探测器自身存在晶片寄生电容C1，而该电容与反馈电容C2串联，因此也就存在一个电荷释放通路。故本专利利用了这条通路将反馈电容上累积的电荷释放掉。复位电容C3连接在碲锌镉探测器的阴极与复位电路的输出端。复位电容能够将复位电路输出的电压脉冲信号变换为电荷信号，因此可事先计算好反馈电容上累积的总电荷量，从而求得复位电容C3的大小。复位电容C3能够将复位电容输入的电荷反向注入到反馈电容C2，从而将反馈电容上的电荷释放掉。由于采用的是电容复位，因此不会像电阻一样会对探测系统引来额外的噪声，从而提高了探测器的能量分辨率。
该方案的优点有以下两点：1.采用反馈电容代替了常规电荷灵敏放大器中的放电电阻，因此消除了放电电阻带来的电流噪声，提高了信噪比；2.该电路采用复位型的电荷灵敏放大器，其输出信号为阶跃信号，比传统输出为双指数信号的电荷灵敏放大器的信噪比高。
1.氮气充填与镀铝膜的封装方式替代传统真空铍片焊接。
2.采用了电制冷技术对碲锌镉探测器制冷。
3.设计了复位型电荷灵敏放大器替代传统电阻放电型电荷灵敏放大器。
本发明实施例1方案实现对射线探测的效果，分辨率明显优于常规的方案，针对241Am的59.5keV射线其能量分辨率优于2％。
本发明探测器的优点还在于：测量X射线的碲锌镉探测器不进行塑胶封装，直接采用裸露的探测器进行测量，由于裸露的探测器对自然光信号也比较敏感，因此碲锌镉探测器在测X射线要进行避光处理。同时还需考虑到X射线源发出的X射线穿过一定的距离后到达探测器的衰减情况。另外碲锌镉探测器的输出电荷量十分微弱，为了提高信号的信噪比，获得较为理想的输出脉冲信号，系统采用电制冷器给碲锌镉探测器制冷，并设计出合理的高分辨率的复位型电荷灵敏放大器将探测器输出的微弱电荷信号转换为电压脉冲信号。
采用镀铝膜进行避光，避免了传统采用铍窗避光价格昂贵、窗体易碎等缺点。探头内部充装氮气，避免了传统抽真空系统漏气、窗体易碎、焊接复杂等问题，降低了生产成本。采用两级TEC制冷器对探测器进行制冷，并将探测器、场效应管、反馈电容等一同封装在TEC制冷器上，以减小分布电容，提高信号的信噪比。由于碲锌镉探测器输出的电荷信号十分微弱，设计低噪声、低功耗、高分辨率的复位型电荷灵敏放大器将碲锌镉探测器输出的电荷信号转换为信噪比较高的电压信号。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器，其特征在于：碲锌镉探测器外部设有屏蔽罩，屏蔽罩上设有孔，双面不透光的镀铝膜覆盖孔，屏蔽罩内部设有半导体制冷片，半导体制冷片通过外部的制冷片恒定低温驱动电路进行制冷，屏蔽罩内部的碲锌镉探测器接收到X射线后转换为电荷信号，通过复位型电荷灵敏放大器放大后获得理想的核脉冲信号。
2.按照权利要求1所述一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器，其特征在于：所述复位型电荷灵敏放大器包括JFET场效应管，转换的电荷信号经过JFET场效应管进入后级放大电路放大，得到输出信号，同时后级放大电路输出信号提供给反馈电容，反馈电容两端电压达到预设电压后，通过复位电容和碲锌镉探测器的寄生电容实现对输出信号的复位处理，使得输出信号为固定脉宽的脉冲信号。
3.按照权利要求2所述一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器，其特征在于：所述寄生电容为碲锌镉探测器自身存在晶片寄生电容，寄生电容与反馈电容串联，反馈电容连接后级放大电路信号输出端，复位电容连接在碲锌镉探测器的阴极与后级放大电路信号输出端。
4.按照权利要求2所述一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器，其特征在于：所述反馈电容的制作方法为：在TEC的陶瓷底座上，粘接两片相邻薄铜片，通过调节铜片间的距离来获得不同大小的电容。
5.按照权利要求1所述一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器，其特征在于：所述镀铝膜表层与底层分别镀铝，厚度均为0.15um；中间层采用PET衬底。
6.按照权利要求1所述一种充氮气半导体制冷的碲锌镉X射线探测器，其特征在于：所述屏蔽罩内部充一个大气压的氮气。
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