不同厚度像素CdZnTe探测器的性能测试和评估-论文.pdf

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1、第２６卷第３期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３２０１４年３月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＭａｒ．，２０１４不同厚度像素犆犱犣狀犜犲探测器的性能测试和评估沈敏１，３，肖沙里１，张流强１，曹玉琳２，陈宇晓２（１．重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆４０００３０；２．中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳６２１９００；３．重庆工商职业学院，重庆合川４０１５２０）２４１１３７摘要：碲锌镉材料（ＣｄＺｎＴｅ）是目前探测Ｘ射线和γ射线的最好材料之一。将Ａｍ和Ｃｓ辐射源作用于像素ＣｄＺｎＴｅ探测器，通过实验和仿真分别得到

2、能量谱估计、能量分辨率和峰值效率。由实验和仿真结果得出：在６６２ｋｅＶ的高能量下，厚度较大的ＣｄＺｎＴｅ探测器可获得更高的能量分辨率和峰值效率，但在５９．５ｋｅＶ低能处会出现拖尾升高和电荷损失的现象；厚度较薄的探测器在低能处的特性反而更好。关键词：碲锌镉；探测器；能量谱；能量分辨率；峰值效率中图分类号：ＴＬ８１７文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０３４００１近十年，随着晶体生长技术和设备制造技术的不断创新，人们对于高原子序数犣的室温半导体的兴趣不［１３］断攀升。在这些半导体材料中，碲锌镉材料被认为适合于制作成Ｘ射线和伽马射线探

3、测器。由于具有高原子序数（犣）、高密度（／ｃｍ３）和宽带隙（犈），因而碲锌镉探测器具有高量子效率、良ｍａｘ＝５２ρ＝５．７６ｇｇ≈１．６ｅＶ好的室温特性和高Ｘ射线和伽马射线阻止能力。基于这些优点，使得在多光谱和低流量场合下使用碲锌镉探［４５］测器成为可行。实际上，碲锌镉探测器在诸如神光Ⅲ原型激光装置和同步加速器辐射等高能场合下也有其潜在的应用能力。由于电子和空穴的传输特性的不同，这意味着探测器的性能主要由漂移寿命较差的粒子决定。对于碲锌镉材料，最大的缺陷就是空穴的传输特性差。这个特点也限制了探测器的厚度，从而极大地降低了探测器所能使用的能量范围。［６］

4、为了克服空穴的传输特性，研究者们研制了只收集电子的单电荷载流子探测器，例如弗里希栅、共面［７］［８］［９］栅、微条和像素结构探测器。在这些单电极结构中，像素结构被认为是最能提高电子运动到阳极时所产［９１０］生的感应电荷并可以将空穴的影响降低到最小。在室温环境下，像素碲锌镉探测器表现出良好的能量和空间分辨率。此外，优化探测器几何尺寸可改善被检测信号的光谱特性，使得像素探测器达到最大效率和能量［１１１２］［１３１４］分辨率。一些研究者已经构建了碲锌镉半导体探测器的电子运输和感应电流模型。但是对于整个设备而言，空穴的影响还是不能完全消除。再者，由于探测器杂

5、质和结构缺陷引起的电子的陷获，总的感应电［５，１５１６］流取决于粒子传输中产生一个带有明显陷获拖尾的脉冲高度光谱处的距离。在本项目以前的研究中，［１７１８］课题组使用像素阵列探测器成功构建了伽玛源成像系统、针孔成像系统。为了提高探测器的性能，也进一［１９］步探究了极化效应的形成机制及其减小该效应的方法和措施。本文通过实验与软件仿真相结合的方式，对比了不同厚度的碲锌镉探测器在低能处与高能处的特性。１实验为了研究碲锌镉探测器的响应，我们用蒙特卡罗程序仿真了２４１１３７Ａｍ和Ｃｓ的光谱，并与通过放射源实验所获得数据进行对比。对比结果主要在于评估特性参数，例如

6、能量分辨率和峰值分辨率。其目的在于找到在５９．５ｋｅＶ和６６２ｋｅＶ能量下不同尺寸探测器中较折中的探测器厚度。这种折中的厚度适合于惯性约束聚变（ＩＣＦ）中的针孔和半孔成像。实验中测试了不同厚度的像素碲锌镉探测器。试验中所用的探测器是从用布里奇曼加速坩埚旋转技术生［１７］长出的碲锌镉单晶制作的。每一个探测器的表面尺寸是１０ｍｍ×１０ｍｍ，厚度分别为１，２，３和５ｍｍ。阳极表面由排列成４×４阵列的１６个像素组成。在像素阵列周围加有一保护环用以降低漏电流和边缘效应的影响。阵列中的每个像素在垂直和水平方向上嵌在２．３８ｍｍ的凹槽内：１．５２ｍｍ为像素的尺寸，０．８

7、６ｍｍ为沟收稿日期：２０１３０６０８；修订日期：２０１３１１０８基金项目：国家自然科学基金项目（１０８７６０４４／Ａ０６）作者简介：沈敏（１９８０—），女，博士研究生，主要从事核辐射方面的研究；ｓｉｍｉ＿ｘｕａｎ＠１２６．ｃｏｍ。０３４００１１强激光与粒子束道的尺寸。阴极为覆盖整个探测器表面的平面电极。阳极和阴极的表面由金溅射而成。探测器的像素阳极通过预留测试孔和垫子与印制电路板粘接起来。当像素长度犔远大于像素尺寸犃时，小像素效应将发挥作［９］用。实验中，像素间距犠与像素长度犔之比可准确的反应探测器的空间分辨率，因此犠／犔可考虑为２．３８０，２

8、４１１３７１．１９０，０．７９３和０．４７６。实验用Ａｍ和Ｃｓ两个