CN106249273A - 高灵敏度拼接式czt探测器及其灵敏度标定方法 - Google Patents

Abstract

高灵敏度拼接式CZT探测器及其灵敏度标定方法。本发明提供一种高灵敏度的碲锌镉(简称CZT)半导体探测器，包括由前盖、中筒和后盖依次固连而成的外壳、输出信号电路和CZT半导体组件组成。本发明主要解决晶体生长技术对CZT晶体尺寸的限制，增加脉冲辐射探测器的灵敏体积，扩展了探测器的灵敏度范围上限，并提出了标定CZT探测器灵敏度的方法。

Description

高灵敏度拼接式CZT探测器及其灵敏度标定方法

技术领域

本发明涉及一种辐射探测装置，具体涉及一种适于高强度脉冲伽马时间谱测量的电流型脉冲伽马辐射探测器。

背景技术

碲锌镉(CdZnTe，简称CZT)是一种新型室温化合物半导体材料，具有体积小、电阻率较高以及禁带宽度较宽等综合优势。体积小，使得CZT探测器在群探测中具有较强的兼容性，在空间探测中具有极大的优势；电阻率较高和禁带宽度较宽，使得CZT探测器在室温下具有较低的暗电流，突破了常用的Si、Ge半导体探测器的低温应用条件，有效降低了探测系统的复杂程度。基于CZT材料的辐射探测技术研究，可为医疗诊断、工业探伤以及空间辐射探测等领域提供新的探测技术途径。目前，CZT探测器在能谱测量方面已获得广泛应用，在脉冲辐射探测方面，有望提供一种具有快时间响应(ns量级)、高信噪比的室温半导体探测器，具有极大的研究价值和应用前景。

脉冲辐射测量中，灵敏度和时间特性是CZT探测器的关键特性，与晶体质量和晶体尺寸存在密切关系。一方面，受到晶体生长技术的限制，CZT晶体内不可避免的存在缺陷，缺陷对载流子的俘获和去俘获效应严重影响探测器辐射探测性能；另一方面，在现有晶体生长技术条件下，为降低缺陷对CZT探测器性能的影响，常采用较薄的晶体(厚度在mm、μm量级)。采用薄厚度的晶体，是由于相同灵敏面积的晶体越薄，晶体内载流子完成输运过程所需要的时间越短，一定程度上降低缺陷对载流子的影响，提高探测器时间响应特性。但是，采用薄的晶体，使得射线在晶体内的沉积能量降低，造成探测器灵敏度上限降低。

晶体质量对材料体积的限制，使得大尺寸单晶CZT材料极难获取，限制了CZT探测器灵敏度范围。因此，亟需探索可行技术途径，克服晶体质量对CZT探测器灵敏体积的限制，扩展探测器的灵敏度范围。

发明内容

为克服晶体生长技术瓶颈对CZT探测器灵敏度上限的限制，本发明提供了一种适用于高强度快脉冲伽马测量的高灵敏度拼接式CZT半导体探测器。

本发明的技术解决方案是：

一种高灵敏度拼接式CZT探测器，包括探测器本体和信号输出电路，上述探测器本体包括外壳和固定在外壳内的CZT半导体组件；

其特别之处在于：

上述CZT半导体组件包括基板、设置在基板上的若干个CZT单晶和分别设置在每个CZT单晶的前后两个端面的高压电极层和收集电极层；上述CZT单晶与高压电极层和收集电极层之间均为欧姆接触；

上述若干个CZT单晶采用阵列方式拼接为一层，且相邻CZT单晶之间均设置有绝缘间隙；

上述若干个CZT单晶的前后两个端面之间的厚度一致；

上述信号输出电路为加法电路，设置在基板上；上述加法电路的各同相输入端的匹配电阻满足R₁＝R₂＝···＝R_N＝R_f，且R₁||R₂||···||R_N||R’＝R_f||R；其中，R₁、R₂、···、R_N是同相输入端匹配电阻；R_f是反馈电阻；R’是平衡电阻；R是附加电阻；

每个CZT单晶的高压电极层均与高压电源连接；

每个CZT单晶的收集电极层分别与加法电路的其中一个同相输入端连接。

本发明高灵敏度拼接式CZT探测器还包括设置在绝缘间隙内的绝缘介质。

为了保护高压源，在上述高压电源与CZT晶体的高压电极层之间串接10MΩ的电阻，上述电阻与CZT晶体的高压电极层之间通过100nF电容接地；上述CZT单晶的收集电极层与加法电路同相输入端之间的导线长度一致。

上述若干个CZT单晶采用环形阵列方式或矩形阵列方式拼接；

本发明高灵敏度拼接式CZT探测器外壳为密封壳体，材料为Fe，其内抽真空或充惰性气体；上述高压电极层和收集电极层的材料为金，厚度为100nm±20nm。

本发明还提供了另外一种高灵敏度拼接式CZT探测器，它包括探测器本体和信号输出电路，上述探测器本体包括外壳和固定在外壳内的CZT半导体组件；

其特别之处在于：

上述CZT半导体组件包括基板、设置在基板上的若干个CZT单晶、分别设置在每个CZT单晶的前后两个端面的高压电极层和收集电极层；上述CZT单晶与高压电极层和收集电极层之间均为欧姆接触；

上述若干个CZT单晶为多层叠加，每层采用阵列方式拼接；相邻两层之间或上下相邻的CZT单晶之间设置有绝缘介质；每层相邻CZT单晶之间均设置有绝缘间隙；

每层若干个CZT单晶的前后两个端面之间的厚度一致；

上述信号输出电路为加法电路，设置在基板上；上述加法电路的各同相输入端的匹配电阻满足R₁＝R₂＝···＝R_N＝R_f，且R₁||R₂||···||R_N||R’＝R_f||R；其中，R₁、R₂、R_N是同相输入端匹配电阻；R_f是反馈电阻；R’是平衡电阻；R是附加电阻；

每个CZT单晶的高压电极层均与高压电源连接；

每个CZT单晶的收集电极层分别与加法电路的其中一个同相输入端连接。

本高灵敏度拼接式CZT探测器还包括设置在绝缘间隙内的绝缘介质；相邻两层之间或上下相邻的CZT单晶之间的绝缘介质为硬质绝缘板。

上述高压电源与CZT晶体的高压电极层之间串接有10MΩ的电阻，上述电阻与CZT晶体的高压电极层之间通过100nF电容接地；上述CZT单晶的收集电极层与加法电路同相输入端之间的导线长度一致。

每层若干个CZT单晶采用环形阵列方式或矩形阵列方式拼接；上述外壳为密封壳体，材料为Fe，其内抽真空或充惰性气体；上述高压电极层和收集电极层的材料为金，厚度为100nm±20nm。

本发明还提供了一种高灵敏度拼接式CZT探测器的灵敏度标定方法，包括以下步骤：

1)基于蒙特卡洛方法计算得到高灵敏度拼接式CZT探测器对射线能量在600keV以上的伽马射线的能量响应曲线，得到该曲线的拟合直线的理论斜率值k1；

用标准单能稳态源得到高灵敏度拼接式CZT探测器两个不同能点处伽马射线的灵敏度参数，将两个能点成一条直线，该直线的斜率为实验斜率值k2；

2)保持高灵敏度拼接式CZT探测器对1.25MeV射线灵敏度参数不变，在理论斜率值k1基础上乘以一个形状补偿系数k3，使得补偿后的理论斜率值满足k3×k1＝k2；

再保持补偿后的理论斜率值满足k3×k1＝k2时，给高灵敏度拼接式CZT探测器对1.25MeV射线理论灵敏度参数加上一个位置补偿系数k4，使其等于实验得到的探测器对1.25MeV伽马射线的灵敏度参数；

3)加上位置补偿系数后的理论灵敏度参数，即可构成高灵敏度拼接式CZT探测器对中高能伽马射线的实际的能量响应曲线。

上述两个不同能点为0.662MeV和1.25MeV；上述标准单能稳态源为稳态铯源¹³⁷Cs和稳态钴源⁶⁰Co。

本发明有益效果：

1.本发明通过采用阵列拼接方法，形成高灵敏体积的CZT探测器，增加脉冲伽马CZT探测器的灵敏体积，扩展探测器灵敏度上限。在脉冲辐射场测量中具有高灵敏度、快时间响应特性。单晶探测器灵敏度在10^-16C·cm²/MeV数量级，时间响应特性参数(上升时间、脉冲半宽和衰减时间常数)为ns数量级。

2.本发明在扩展探测器灵敏度上限的同时，对探测器时间响应特性的影响可以忽略，实现克服晶体生长技术不足对探测器灵敏度范围上限的限制。

3.本发明标定方法包括利用蒙特卡洛方法获得CZT探测器的能量响应曲线和利用单能稳态源获得CZT探测器的灵敏度，分析位置补偿系数和形状补偿系数，从而得到CZT探测器实际的能量响应曲线。

4.本发明同样适用于其它半导体探测器，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是CZT探测器结构示意图。

图2是加法电路。

图3是环形阵列拼接方式示意图。

图4是高压电源和晶体高压电极层之间的电路。

图5是阵接拼接方式示意图。

图6是阵列拼接探测器灵敏度刻度曲线。

图7是阵列拼接探测器脉冲响应曲线。

附图标记如下：1-前盖，2-中筒，3-后盖，4-铜柱，5-基板，6-封胶，7-阵列CZT，8-单晶CZT，9-平面电极，10-绝缘介质。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示为本发明高灵敏度拼接式CZT探测器结构示意图，包括由前盖1、中筒2和后盖3依次固连而成的密封外壳和固定在外壳内的CZT半导体组件。密封外壳的材料为Fe，其内抽真空或充惰性气体。

该CZT半导体组件包括基板5、通过封胶6固定在基板5上的若干个CZT单晶8和分别设置在每个CZT单晶8上的平面电极9，该平面电极的材料为金，其面积与CZT单晶灵敏面积一致，厚度为100nm±20nm，平面电极9包括高压电极层和收集电极层，高压电极层和收集电极层分别设置在CZT单晶8的前后两个端面；CZT单晶7与高压电极层和收集电极层之间均为欧姆接触；欧姆接触为金属和半导体的接触，本发明中即是CZT单晶7半导体与金平面电极的接触。CZT单晶7的前后两个端面的厚度相等。

该若干个CZT单晶8采用环形阵列或矩形阵列方式拼接为一层，相邻的CZT单晶之间均设置有绝缘间隙；或该若干个CZT单晶采用多层叠加，每层采用环形阵列或矩形阵列方式拼接，相邻两层之间或上下相邻的CZT单晶之间设置有绝缘介质10，每层相邻CZT单晶之间均设置有绝缘间隙。在上述的绝缘间隙内填充有绝缘介质10；

阵列拼接中，CZT单晶的排布满足a.单晶之间应该尽可能靠近，提高探测器等效灵敏面积；b.阵列的每一层CZT单晶前端面都应处在同一个平面内。采用阵列拼接方法，形成高灵敏体积的CZT探测器，在脉冲辐射场测量中具有高灵敏度、快时间响应特性。

本发明高灵敏度拼接式CZT探测器还包括设置在基板5上的信号输出电路，信号输出电路为如图2所示的加法电路，该加法电路的各同相输入端的匹配电阻满足R₁＝R₂＝···＝R_N＝R_f，且R₁||R₂||···||R_N||R’＝R_f||R；其中，R₁、R₂、···、R_N是同相输入端匹配电阻；R_f是反馈电阻；R’是平衡电阻；R是附加电阻；

每个单晶CZT 8的高压电极层均通过铜柱与高压电源连接；如图4所示，高压电源与CZT晶体的高压电极层之间串接有10MΩ的电阻，电阻与CZT之间有一个100nF电容接地，实现保护高压源。

每个单晶CZT 8的收集电极层均通过铜柱分别与加法电路的其中一个同相输入端连接；CZT单晶的收集电极层与加法电路同相输入端之间的导线长度一致。

本发明CZT探测器灵敏度在10^-16C·cm²/MeV数量级，时间响应特性参数(上升时间、脉冲半宽和衰减时间常数)为ns数量级。

本发明所提出的高灵敏CZT探测器设计方法，具体描述如下：

1)测试，选取质量较好的小尺寸单晶

a.电流-电压(I-V)特性曲线测试

测试CZT探测器在不同工作电压下的暗电流，分析I-V特性曲线及其所遵循的规律，选择金属与半导体之间为欧姆接触方式的单晶用于阵列拼接；

b.灵敏度

测试CZT探测器对单能伽马射线的灵敏度，分析探测器响应曲线随时间的变化规律，选取响应曲线不发生过冲现象、灵敏度不确定度较低、灵敏度为10^-16C·cm²/MeV量级的单晶用于阵列拼接；

c.时间响应

测试CZT探测器的时间响应特性，分析探测器时间响应特性参数，选取不发生明显后沿拖尾现象的单晶用于阵列拼接。

2)设计CZT探测器屏蔽和支撑结构

CZT探测器外壳材料为Fe，外观尺寸为Φ88mm×50mm，探测器前、后端面厚为2mm，筒壁厚为4mm。封装后的CZT材料固定在电路板上，利用四个铜柱实现电路板的定位。

3)阵列拼接方式

拼接要求：a.单晶之间应尽量靠近以增加CZT探测器有效灵敏体积；b.阵列的每一层晶体单元的前端面都处在同一个平面内。

4)输出信号电路

高压电源与CZT单晶之间串10MΩ的电阻，电阻与CZT之间有一个100nF电容接地，实现保护高压源。不同CZT单晶信号输出端接加法电路，加法电路中满足R₁＝R₂＝···＝R_N＝R_f，且R₁||R₂||···||R_N||R’＝R_f||R，经加法电路处理后的信号直接输入示波器某通道。

5)阵列拼接探测器灵敏度标定、时间响应实验结果展示

在高强度钴源上开展阵列拼接式CZT探测器单能稳态灵敏度标定，在脉宽为纳秒量级的重复频率硬X射线发生器装置上开展阵列拼接式探测器时间响应实验，得到大面积探测器的灵敏度刻度曲线和脉冲响应曲线分别见图6和图7。图6中采用四个尺寸为5×5×2mm³和一个尺寸为8×8×2mm³的单晶构建大面积CZT探测器，在300V工作电压条件下，对单能伽马射线(1.25MeV)的灵敏度参数接近10^-15C·cm²/MeV量级，而单个晶体相同测量条件下的灵敏度为10^-16C·cm²/MeV量级，扩展了探测器的灵敏度范围上限；图7中采用3×3阵列拼接方式，单个晶体尺寸为10×10×2mm³，在300V工作电压条件下，大面积探测器时间响应特性参数为上升时间(4.7ns)，脉冲半宽(27.2ns)，衰减时间(43.4ns)，单个CZT单晶相同测量条件下的时间响应参数分别为上升时间(3.0ns)，脉冲半宽(36.1ns)，衰减时间(31.5ns)，时间响应特性参数发生一定程度的展宽，但随着工作电压的升高，展宽可逐渐被克服。

6)CZT探测器的灵敏度标定方法

理论上，利用蒙特卡洛方法计算得到CZT探测器对伽马射线的能量响应曲线，当射线能量在600keV及以上范围时，能量响应较为平坦，曲线近似为直线，其斜率值为k1；实验上，在标准稳态源(¹³⁷Cs，⁶⁰Co源)上，得到CZT探测器不同能点(0.662MeV，1.25MeV)伽马射线的灵敏度参数，两点成一条直线，斜率值为k2，实验上无法获得完整的能量响应曲线。

为获得CZT探测器对伽马射线的实际的完整能量响应曲线，提出了形状补偿系数和位置补偿系数，其目的和实施分别为：形状补偿系数是为了使CZT探测器在能量响应平坦的范围内具有相同的理论斜率和实验斜率，可通过保持探测器对1.25MeV射线灵敏度参数不变，在k1基础上乘以一个形状补偿系数k3，使得补偿后的理论斜率值k3×k1＝k2；位置补偿系数为了使CZT探测器的理论和实验能量响应参数具有一致的量值，可通过保持补偿后的理论斜率值k3×k1＝k2，给CZT探测器对1.25MeV射线理论灵敏度参数加上一个位置补偿系数k4，使其等于实验得到的探测器对1.25MeV伽马射线的灵敏度参数。

(1)单晶探测器灵敏度标定方法

以尺寸为8mm×8mm×2mm和20mm×20mm×2mm单晶CdZnTe探测器为例，分析位置补偿系数和形状补偿系数，理论结果和实验结果见表1和表2。

表1CdZnTe探测器对0.662MeV和1.25MeV伽马射线理论灵敏度

表2CdZnTe探测器对0.662MeV和1.25MeV伽马射线实验灵敏度

理论模拟得到这两个探测器对0.662MeV和1.25MeV单能γ射线的理论灵敏度参数比值均约为1.4，而实验得到具有相同尺寸电流型CdZnTe探测器的值大于4，即实验上得到灵敏度参数之比约为理论模拟结果的3倍。在工作电压为100V条件下，为保持理论能量响应曲线与实际曲线形状一致，需要将相对灵敏度参数比值乘以形状补偿系数，约为3.5；利用理论模拟得到的尺寸为8mm×8mm×2mm单晶电流型CdZnTe探测器能量响应曲线反推出CdZnTe探测器实际曲线，需要减去位置补偿系数，约为5.0×10^-16C·cm²/MeV。从表2还可看出，随着CdZnTe探测器工作电压升高和探测器灵敏面积增大，形状补偿系数降低，认为射线在晶体内沉积能量产生的电子空穴对的数量以及电子空穴对的收集效率是影响这一比值的重要因素，可采用增加平行板晶体内电场强度或增大晶体灵敏面积提升探测器对射线的探测效率的方式，使得实验结果与理论预期相符。

(2)阵列拼接探测器灵敏度标定方法

表1给出了拼接式电流型CdZnTe探测器在不同工作电压下对0.662MeV和1.25MeV伽马射线的实验灵敏度参数。为分析拼接式CdZnTe探测器灵敏度特性，表3列出了不同工作电压下，拼接式探测器对0.662MeV和1.25MeV伽马射线实验灵敏度参数及形状补偿系数。

表3拼接式CdZnTe探测器绝对灵敏度线性及规律分析结果

分析结果表明：随着电压升高，CdZnTe探测器对0.662MeV和1.25MeV伽马射线灵敏度参数的比值变小，接近软件模拟给出的理论值1.4，验证了灵敏度标定实验中所提出的补偿系数参数随工作电压增加而降低的变化规律。

Claims (10)

1.一种高灵敏度拼接式CZT探测器，包括探测器本体和信号输出电路，所述探测器本体包括外壳和固定在外壳内的CZT半导体组件；

其特征在于：

所述CZT半导体组件包括基板、设置在基板上的若干个CZT单晶和分别设置在每个CZT单晶的前后两个端面的高压电极层和收集电极层；所述CZT单晶与高压电极层和收集电极层之间均为欧姆接触；

所述若干个CZT单晶采用阵列方式拼接为一层，且相邻CZT单晶之间均设置有绝缘间隙；

所述若干个CZT单晶的前后两个端面之间的厚度一致；

所述信号输出电路为加法电路，设置在基板上；所述加法电路的各同相输入端的匹配电阻满足R₁＝R₂＝…＝R_N＝R_f，且R₁||R₂||…||R_N||R’＝R_f||R；其中，R₁、R₂、…、R_N是同相输入端匹配电阻；R_f是反馈电阻；R’是平衡电阻；R是附加电阻；

每个CZT单晶的高压电极层均与高压电源连接；

每个CZT单晶的收集电极层分别与加法电路的其中一个同相输入端连接。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度拼接式CZT探测器，其特征在于：

还包括设置在绝缘间隙内的绝缘介质。

3.根据权利要求1或2所述的高灵敏度拼接式CZT探测器，其特征在于：

所述高压电源与CZT晶体的高压电极层之间串接有10MΩ的电阻，所述电阻与CZT晶体的高压电极层之间通过100nF电容接地；所述CZT单晶的收集电极层与加法电路同相输入端之间的导线长度一致。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度拼接式CZT探测器，其特征在于：

所述若干个CZT单晶采用环形阵列方式或矩形阵列方式拼接；

所述外壳为密封壳体，材料为Fe，其内抽真空或充惰性气体；所述高压电极层和收集电极层的材料为金，厚度为100nm±20nm。

5.一种高灵敏度拼接式CZT探测器，包括探测器本体和信号输出电路，所述探测器本体包括外壳和固定在外壳内的CZT半导体组件；

其特征在于：

所述CZT半导体组件包括基板、设置在基板上的若干个CZT单晶、分别设置在每个CZT单晶的前后两个端面的高压电极层和收集电极层；所述CZT单晶与高压电极层和收集电极层之间均为欧姆接触；

所述若干个CZT单晶为多层叠加，每层采用阵列方式拼接；相邻两层之间或上下相邻的CZT单晶之间设置有绝缘介质；每层相邻CZT单晶之间均设置有绝缘间隙；

每层若干个CZT单晶的前后两个端面之间的厚度一致；

所述信号输出电路为加法电路，设置在基板上；所述加法电路的各同相输入端的匹配电阻满足R₁＝R₂＝…＝R_N＝R_f，且R₁||R₂||…||R_N||R’＝R_f||R；其中，R₁、R₂、R_N是同相输入端匹配电阻；R_f是反馈电阻；R’是平衡电阻；R是附加电阻；

每个CZT单晶的高压电极层均与高压电源连接；

每个CZT单晶的收集电极层分别与加法电路的其中一个同相输入端连接。

6.根据权利要求5所述的高灵敏度拼接式CZT探测器，其特征在于：

还包括设置在绝缘间隙内的绝缘介质；相邻两层之间或上下相邻的CZT单晶之间的绝缘介质为硬质绝缘板。

7.根据权利要求5或6所述的高灵敏度拼接式CZT探测器，其特征在于：所述高压电源与CZT晶体的高压电极层之间串接有10MΩ的电阻，所述电阻与CZT晶体的高压电极层之间通过100nF电容接地；所述CZT单晶的收集电极层与加法电路同相输入端之间的导线长度一致。

8.根据权利要求7所述的高灵敏度拼接式CZT探测器，其特征在于：

每层若干个CZT单晶采用环形阵列方式或矩形阵列方式拼接；所述外壳为密封壳体，材料为Fe，其内抽真空或充惰性气体；所述高压电极层和收集电极层的材料为金，厚度为100nm±20nm。

9.权利要求1所述高灵敏度拼接式CZT探测器的灵敏度标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)基于蒙特卡洛方法计算得到高灵敏度拼接式CZT探测器对射线能量在600keV以上的伽马射线的能量响应曲线，得到该曲线的拟合直线的理论斜率值k1；

用标准单能稳态源得到高灵敏度拼接式CZT探测器两个不同能点处伽马射线的灵敏度参数，将两个能点成一条直线，该直线的斜率为实验斜率值k2；

2)保持高灵敏度拼接式CZT探测器对1.25MeV射线灵敏度参数不变，在理论斜率值k1基础上乘以一个形状补偿系数k3，使得补偿后的理论斜率值满足k3×k1＝k2；

再保持补偿后的理论斜率值满足k3×k1＝k2时，给高灵敏度拼接式CZT探测器对1.25MeV射线理论灵敏度参数加上一个位置补偿系数k4，使其等于实验得到的探测器对1.25MeV伽马射线的灵敏度参数；

3)加上位置补偿系数后的理论灵敏度参数，即可构成高灵敏度拼接式CZT探测器对中高能伽马射线的实际的能量响应曲线。

10.根据权利要求9所述灵敏度标定方法，其特征在于：

所述两个不同能点为0.662MeV和1.25MeV；所述标准单能稳态源为稳态铯源¹³⁷Cs和稳态钴源⁶⁰Co。