（粒子物理与原子核物理专业论文）cdte核辐射探测器及其脉冲信号处理方法.pdf

c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 摘要： c d t e 核辐射探测器是上世纪6 0 年代发展起来的很有潜力的一种半导体核辐射探测 器。c d t e 具有较高的原子序数( z = 5 2 ，4 8 ) 和较高的密度( 6 2 9 c m 3 ) ，所以它对x 射 线、y 射线的阻止能力高，吸收能力强，本征探测效率就高；同时，c d t e 又有较大的 禁带宽度( e 。为1 5 e v ，3 0 0 k ) ，而且呈现非常高的阻抗( 1 0 9 - 1 0 1 1qc m ) ，使得c d t e 核 辐射探测器可以在较大的温度范围内工作。因此，c d t e 核辐射探测器已被大量生产并 应用到多个研究领域，在空间物理、宇宙飞船、天文学、高层大气物理、反恐、防恐、 反走私中对特殊材料的检查控制、核保障和核材料生产加工处理、核医学、剂量监测等 方面有着重要应用，对人类社会的进步与发展、未知世界的探索起到不可估量的作用。 同时我们也应该看到，c d t e 化合物半导体探测器自身存在的缺陷：禁带相对较窄， 电子、空穴迁移率的不均衡导致电荷收集不完全；此外探测器输出的信号还受到电子线 路固有噪声，以及外来的各种干扰，如宇宙射线中的高能质子所产生的中予辐射、器壁 的本底辐射线的影响，这些干扰叠加在信号上，使得信噪比降低，这些都影响探测器的 能量分辨。为了提高c d t e 化合物半导体探测器的能量分辨，我们发展了一种新的数字 信号处理方法一根据最小残差值的模型匹配方法，消除平板型c d t e 探测器输出信号所 包含的噪音成分。 首先，讨论了c d t e 核辐射探测器的制备、结构、性能参数、平板型c d t e 探测器 y 射线输出信号的获取系统、电荷收集过程及其形成的脉冲波形，为脉冲处理方法的研 究打下理论基础。 其次，研究了不考虑消俘获效应的情况下的最小平均残差值法。根据最小残差值， 从参照波形中找出与此实际输出波形最相似的参考波形，作为此输出波形的平滑曲线。 通过这种信号处理，我们可以确定最初产生电荷的位置x ，这样我们就可以修正电荷收 集的损失，并且可以估计脉冲高度分布。 再次，通过不考虑消俘获效应的情况下获得的参照波形与实际波形相比，我们发现 实际波形的前沿与参照波形的前沿不是很好的吻合，这样电荷的消俘获效应不能忽略。 为此我们试着考虑电荷的消俘获效应，发展了“快部分模型匹配方法；同时我们根据 前沿波形上升时间点的变化，提出了平均残差值，消除了平板型c d t e 探测器的输出信 号前沿部分所包含的噪音成分。 最后，对本论文工作进行了总结，并对c d t e 核辐射探测器的脉冲信号处理方法的 研究方向进行了展望。 关键词：c d t e 核辐射探测器；脉冲信号处理方法；模型匹配；最小平均残差值；脉冲波 形 a b s t r a c t c d t en u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o rh a sb e c o m e h o p e f u ld e t e c t o rs i n c e19 6 0 c d t e s e m i c o n d u c t o r sh a v er e l a t i v e l yh i g ha t o m i cn u m b e r s ( 4 8f o rc da n d5 2f o rt e ) a n dh i g h d e n s i t yo f6 2 9 c m 3w h i c hp r o v i d eg o o ds t o p p i n ga b i l i t yf o rx - r a y sa n dg a m m a r a y s s ot h e y h a v eah i g h e rd e t e c t i o ne f f i c i e n c y ；al a r g ee n o u g hs e m i c o n d u c t o rb a n d g a pe n e r g y ( 1 5e v , 3 0 0 k ) a n dh i g hr e s i s t a n c e ( 1 0 9 - - 1 0 qc m ) p e r m i tr o o mt e m p e r a t u r eo p e r a t i o n t h e r e f o r e c d t en u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r sh a v eb e e np r o d u c e da n du s e di nm a n yf i e l d s s u c ha ss p a c e p h y s i c s ，s p a c ec r a f t ，a s t r o n o m y , h i g h - l a y e ra t m o s p h e r ep h y s i c s ，d e t e c t i o ns p e c i a lm a t e r i a li n t h ec o u r s eo ff i g h t i n ga g a i n s tt e r r o f i s ma n ds m u g g l e ，p r o d u c t i o na n dp r o c e s s i n go f n u c l e a r m a t e r i a l , n u c l e a rm e d i c i n e ，t h es u p e r v i s i o na n dm e a s u r eo fd o s a g e c d t en u c l e a rr a d i a t i o n d e t e c t o r sp l a ya v e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t ya n dt h ee x p l o r a t i o n o f u n k n o w nw o f l d h o w e v e r , t h el o wb a r r i e rh e i g h ta n dt h e c h a r g e c o l l e c t i o n p r o p e r t i e s ( t h e l i f e t i m e - m o b i l i t yp r o d u c to ft h ee l e c t r o n si sa b o u tt e nt i m e sl a r g e rt h a nt h a to fh o l e s ) i nc d t e r e s u l ti nt h ec h a r g el o s s e s ；e l e c t r o - c i r c u i tn o i s ea n da l lk i n d so fs u r r o u n d i n gr a y s ( n e u t r o n s p r o d u c e df r o mh i g h e n e r g yp r o t o n si nc o s m i cr a y s ，a l p h ap a r t i c l e sa n db e t ap a r t i c l e se m i t t e d f r o ms h i e l dm a t e r i a l s ) d i s t u r bt h es i g n a li n f o r m a t i o np r o d u c e df r o mc d t e n u c l e a rr a m a 石o n d e t e c t o r s ，i n f l u e n c et h ee n e r g yr e s o l u t i o no fd e t e c t o r s w ed e v e l o p e dan e w d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gm e t h o d p a t t e mm a t c h i n gm e t h o di no r d e rt oi m p r o v et h ee n e r g yr e s o l u t i o no f c d t en u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r s ，a n de l i m i n a t en o i s ec o m p o n e n t si n c l u d e di nl e a d i n ge d g e p a r t so fo u t p u ts i g n a l sf r o mp l a n a rc d t cd e t e c t o r s f i r s t l y , t h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , s t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e c r y s t a lc d t e ， a c q u i s i t i o ns y s t e mo fg a m m ar a yo u t p u ts i g n a l sf r o mp l a n a rc d t c d e t e c t o r s ，c h a r g ec o l l e c t i o n c o r r s ca n dp u l s ew a v e f o r r n sw e r ed e s c r i b e d , a n dp r o v i d e dt h e o r e t i cb a s i sf o rt h e s t u d yo f p u l s ep r o c e s s i n gm e t h o d s s e c o n d l y , w ed e v e l o p e dp a t t e r nm a t c h i n gm e t h o di nt h ec a s et h a tt h ec h a r g ed e t r a p p i n g e f f e c tw a si g n o r e d i nt e r mo ft h es m a l l e s tr e s i d u ev a l u e ，w eo b t a i n e dt h er e f e r e n c ew a r v e f b n n p a t t e r nw h i c h w a sm o s ts i m i l a rt oe v e r yo u t p u tw a v e f o r ma n du s e di ta st h es m o o t h i n gc u r v e o fa c t u a lw a v e f o r m a f t e rt h i sp r o c e s s ，w ec o u l dd e t e r m i n et h es i g n a lg e n e r a t i n g p o s i t i o nxi n t h ed e t e c t o r t h u sw ec o u l dc o r r e c tt h ec h a r g ec o l l e c t i o nl o s sa n de s t i m a t e dt h et r u ep u l s e h e i g h td i s t r i b u t i o n t h i r d l y , b e c a u s et h e “s l o w c o m p o n e n to fr e f e r e n c ew a v e f o r mw a sn o tf i tt ot h a to f m e a s u r e dw a v e f o r mw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ed e t r a p p i n ge f f e c t , w ec o n s i d e r e dt h ed e t r a p p i n g e f f e c t t h e r e f o r e ，w et r i e dt ot a k ea c c o u n to ft h ec h a r g ed e t r a p p i n ge f f e c t ，a n dd e v e l o p e dt h e 2 一竺! 里鏊塑塾堡型墨墨茎壁翌笪呈竺墨查鲨 一一 _ _ 一一 p 撒锄m a t c 岫m e t h o do f “f a s t c o m p o n e n ta n d t h ea v e r a g er e s i d u ev a l u ed u et os 锄p l m g p o 血d i 仃e 彻c eo fp u l s ew a v e f o r mi n o r d e rt oe l i m i n a t en o i s ec o m p o n e n t si n c l u d e dm l e a d i i l ge d g ep a r t so f a c t u a lo u t p u tw a v e f o r m sf r o mp l a n a rc d t ed e t e c t o r s a tl a s t 也ew 耐ko ft h et h e s i sw a ss u m m a r i z e d , a n df u t u r er e s e a r c hp l a n sh a db e e l l p r o s p e c t e df o rp a t t e r nm a t c h i n gm e t h o d o fc d t en u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r s k e yw o r d s ：c d t en u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r s ；p u l s e s i g n a lp r o c e s s i n gm e m o d ；p a t t e m m a t c h i n g ；t h es m a l l e s ta v e r a g er e s i d u ev a l u e ；p u l s ew a v e f o r m 3 c d t e 核辐射探测器及莫脉冲信号处理方法 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以 标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究 成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示感谢。 学位论文作者签名：日期： 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权辽宁师范大学， 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文可以在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 5 8 日期： c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 第一章引言 1 1 选题的科学意义和根据 化合物半导体，按化学组份分类，是由两种或两种以上元素以确定原子配比形成的 化合物，并具有确定的禁带宽和能带结构等半导体性质。通常所说的化合物半导体多指 晶态无机化合物半导体。主要是二元化合物，其次是三元和多元化合物及某些稀土化合 物。目前已经得到实用的二元化合物半导体材料只有部分一v 族、i i 一族、族及 族化合物等。三元无机化合物半导体材料迄今在工业上得到应用的还很少。 v 族化合物半导体是元素周期表中i a 族元素硼( b ) 、铝( a 1 ) 、镓( g a ) 、铟 ( h 1 ) 和v a 族元素氮( n ) 、磷( p ) 、砷( a s ) 、锑( s b ) 所形成的化合物半导体材料， 如g a a s 、i n p 、g a n 、g a p 、l n s b 和g a s b 、i i l 久$ 及它们所形成的若干种固溶体。 族化合物半导体材料指元素周期表中i ib 族元素锌( z n ) 、镉( c d ) 、汞( h g ) 与v i a 族元素氧( o ) 、硫( s ) 、硒( s e ) 、碲( t e ) 所形成的二元化物半导体材料，如 c d t e 。 族化合物半导体材料指元素周期表中a 族元素锗( g e ) 、锡( s n ) 、铅( p b ) 与v i a 族元素氧( o ) 、硫( s ) 、硒( s e ) 、碲( t e ) 所形成的部分二元化合物。 在化合物半导体中，用于核辐射探测器的化合物半导体材料是共价性化合物。形成 这种化合物半导体的条件是材料中存在s p 3 或p 3 键。 上世纪6 0 年代，在探测器领域占主导地位的是s i 、g e 探测器，但是由于s i 探测 器对y 射线吸收系数小，探测效率低；g e ( l i ) 探测器需要持续的低温( 7 7 k ) ，因而整 个y 射线探测器系统体积大而笨重，即使用h p g e 探测器，它虽比g e ( “) 探测器优越， 但仍不可在室温环境下存放。为了克服这些缺点，实现能在常温下工作而且能量分辨又 好的目的，人们把目光投向了化合物半导体探测器，希望寻找的化合物半导体材料具备 以下物理特性： 1 、较高的原子序数( 平均值) ，确保对y 射线有较高的阻止本领，从而保证探测器 具有较高的探测效率。 2 、较大的禁带宽度，保证探测器在室温下工作时，具有较高的电阻率和较低的漏 电流。 3 、良好的工艺性能，容易制得纯度高、完整性好的单晶体，同时具有优良的机械 性能和化学稳定性，便于进行机械加工，容易制作成势垒接触或欧姆接触。 4 、优异的物理性能，能耐较高的反向偏压，反向漏电流小，正向电流也小。同时材 料中载流子的迁移率和寿命的乘积( 即l lt ) 要大，这样可除去俘获效应，确 保探测器具有良好的能量分辨率。 1 9 7 1 年召开的c d t e 国际会议上首次公布了h g l 2 探测器。由于h g l 2 平均原子序数 c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 较高，禁带宽度大，载流子的传输性能又很好，h g l 2 材料及其探测器的研制与应用引起 人们极大的兴趣。h g l 2 探测器很适合作为x 射线荧光分析和低能x 射线能谱分析；到 了8 0 年代，仅有g a a s 、c d t e 、h g h 三种材料制备的核辐射探测器在室温下对y 射线取 得了较好的能量分辨；1 9 9 1 年开始研究c d z n t e 材料，并且由于其高分辨率潜质以及可 以在室温下操作( 工业标准锗晶体需要冷却到极低温操作) 的显著特性，曾引起过业界 的轰动。1 9 9 6 年，美国研制的c d z n t e 探测器已初步开始投入使用，但由于很难获得大 块完整高阻的单晶体，因此使其大多数c d z n t e 探测器在- - 3 0 左右工作，还未达到室 温水平。自那以后，c d z n t c 基质探测器几乎没有什么突出的进展，只能做成小型，效 率大大降低，随后许多研究者提出了改进的h b 、v b 等晶体生长方式和脉冲信号数字处 理方法，逐步获得了高电阻率、性能好的化合物半导体晶体。目前c d t e 、c d z n t e 、h g l 2 等核辐射探测器己被大量生产并应用到多个研究领域。下面简要介绍一下化合物半导体 探测器在核科学和核技术应用发展中的作用和地位。 在空间物理、宇宙飞船、天文学等领域应用的c d t e 、c d z n t e 探测器。探测器制造 技术的发展为空间粒子辐射的探测和测量，揭示人们以前不知道的一系列新天体、新过 程开辟了广阔的前景。但是空间辐射的探测对探测器的要求较高，如在空间飞行中对空 间环境中不同类型的辐射剂量的监测要求探测器小巧坚实耐长时间空中飞行，要求探测 器受磁场的影响小，要求探测器材料的原子序数较高，材料密度大，这些条件使得c d t e 、 c d z n t e 探测器成为空间应用的较理想的探测器。采用c d t e 、c d z n t e 像素探测器或多 层堆积结构，可为宇宙和空间探测研究提供很好的星载探测器和谱仪。 在高层大气物理利用c d z n t e 探测器构成高能聚焦望远镜，h e f t ( h i g he n e r g yf o c u s t e l e s c o p e ) 为空间物理提供了很好的实用谱仪，测量的能量范围很宽，对质子2 0 5 0 0 m e v ，对中子l 1 0 m e v ，对y 射线o 1 3 m e v ，用a c r o r a d 提供的c d t e 阵列探测 器，用于h e f t 中，既有较好的能谱性能又有较好的空间分辨和角分辨。 在反恐、防恐、反走私中对特殊材料的检查控制方面，c d t e 、c d z n t e 探测器的研 制开发为特殊核材料的控制监测提供了更灵便的谱仪，而且是目前唯一可以在室温条件 下能检测到被铅或不锈钢屏蔽的2 3 5 u 、2 3 8 u 、2 3 9 p u 放射性核材料的手持式谱仪。 在核保障和核材料生产加工处理中，利用大体积( c p g 、c f g 或堆积) c d t e 、c d z n t e 探测器，既可构成固定安装的仪器又可构成便携式的y 射线探测仪。探测仪对核材料加 工处理浓缩到2 0 的铀样品已测得很好的能谱响应。 在环保和生态学方面的核辐射探测器的应用。c d t e 、c d z n t e 探测器x 射线荧光分 析仪，便携式高分辨c d t e 、c d z n t e 探测器x 射线荧光分析仪，对于检测h g 、t i 、p b 等有毒有害物质有很高的灵敏度，所能测定的量可远远低于允许的安全量，在1 5 - - ，1 6 秒内便可精确测定涂料中仅为0 1 1 m g c m 2 的铅。而且这种便携式x 射线荧光分析仪 还可进行元素分析、宝石、贵金属的检查监测和真伪鉴定。 2 c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 g a a s 光电导探测器可以作为电流型探测器，它广泛用于核武器试验、激光、粒子 束惯性约束聚变、x 光机可控热核反应、脉冲反应堆等强脉冲射线源的测量。 成像核辐射探测器在工业c t ( 无损伤) 方面有很好的应用。工业c t ( i n d u s t r i a l c o m p u t e dt o m a g r a p h y ) 是成像核辐射探测器在工业领域应用的典型代表，主要用于航 空航天等高科技领域，以及钢铁、机械、制造、电子、军事工业、石油工业领域的无损 伤检测。c d t e 、c d z n t e 线性阵列探测器，是属于目前正在开发的由电流型成像向第二 代计数型成像的优选的成像阵列探测器，它的优点是探测器有效区与死区间隔尺寸的比 可达8 ：1 ，探测器的宽度可以小到0 2 m m ，可实现高密度的组合，它是直接转换型，信 号较强。目前，c d t e 、c d z n t e 线性阵列探测器是用于石油成像的最佳的成像探测器， 也是核医学成像中替代目前常用的n a i ( t 1 ) b g o 成像的s p e c t 和p e t 成像的最佳成 像探测器。另外，在机场、车站、码头、港口对集装箱和行李包的检查，从环保的角度， 最佳的探测器是c d t e 、c d z n t e 线性阵列探测器。 2 0 0 2 年10 月l7 日发射的i n t e g 黜也卫星( i n t e r n a t i o n a lg a m m a r a ya s t r o p h y s i c s l a b o r a t o r y ) 上的i b i s 成像系统就是由1 6 ，0 0 0 像素的c d t e 阵列( 总面积约2 6 0 0c m 2 ) 和4 0 0 0 像素的碘化铯阵列( c s i ：总面积约3 0 0 0c m 2 ) 加编码孑l 板所组成，其中单元 c d t e 的尺寸为4 4 x 2m m 3 ( 长宽厚) ，探测能段范围为0 0 1 5 1 0 m e v ，1 0 0 k e v 处能量分辨本领约为8 。最新发射成功的s w i f t 卫星上的b a t ( b u r s ta l e r tt e l e s c o p e ) 则由2 5 6 1 2 8 像素的c d z n t e 阵列加编码孔板组成，面积更大，约5 2 0 0c m 2 ，单元c d z n t e 的尺寸为4 4 2n m 1 3 ( 长宽厚) ，探测能段范围为1 5 1 5 0 k e v ，6 0 k e v 处能量分 辨本领约为5 。 c d t e 核辐射探测器已被用来构成手工操作而又非常灵敏的医用核探针。这种探针 可帮助外科医生在外科手术期间高精度地确定肿瘤或患病细胞的位置。它解决了在实际 操作期间用标准的x 射线照相( 透视) 和核医学用的y 照相骨扫描仪进行精确定位的困 难。医用核探针将在外科手术中得到普及。同时，核辐射探测器在核医学领域的应用很 广，如利用c d t e 、g a a s 、h g l 2 、c d z n t e 探测器做成骨密度扫描仪的探头；利用c d t e 、 c d z n t e 探测器对肺、肾、心脏、肠、胃等器官功能进行监控；核听诊器；牙科x 射线 照相；由g a a s 核辐射探测器组成的y 射线刀等等。 在粒子物理学中常用g a a s 核辐射探测器来测定q 、b 、y 射线以及高能介子， g a a s 较高的电子迁移率( 1 t 。为7 8 0 0 - - 一8 6 0 0 c m 2 v s ) 和较好的抗辐射性能，使得它可以 探测高速粒子和进行快速信号处理。 g a a s 基量子阱红外探测器得到了重要应用。在民用方面，可以用于工业生产中的 设备故障探测，材料和部件的无损探测，起火点的红外寻找，人体病变的病毒寻找以及 非接触探雷等；在军事应用方面，以下列出几种应用实例：美国海军航母上的舰载战斗 机f 一1 4 d 装备了两波段f l i r 系统采用g a a l a s g a a s 量子阱红外传感器，其响应波段 3 c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 为8 1 2 岫或3 5 岬，据说图像质量优于碲镉汞探测器。美国对双色中长波2 5 6 x 2 5 6 g a a l a s g a a s 量子阱红外光电探测器( q w i p ) 焦平面阵列在作战坦克、轻型作战车辆、 黑鹰直升飞机等进行野外测试，结果表明明显地提高了系统的目标探测和识别能力。美 国喷气式推进实验室( j p l ) 研制的s n 佩一1 dq w i p 热像仪已成为第一个进入太空的 g a a l a s g a a s 量子阱红外焦平面热像仪，其核心组件是3 2 0 x 2 4 0g 赳s g a a s 量子阱 红外探测器等等。 c z t 晶体被广泛用作红外探测器h g c d t e 的外延衬底和室温核辐射探测器等i l 】。作 为最重要的红外探测器材料h g c d t e ( m c t ) 薄膜的异质外延衬底材料，c z t 成为m c t 大面积焦平面阵列的发展基础。通过调整c z t 中z n 的组分能够实现与m c t 晶格相匹 配的外延生长，特别是c d o 9 6 z n o 0 4 t e 的衬底与截止波长1 0i lm 的h g o 7 8 c d 0 2 2 t e 的晶格 相匹配，对红外探测器的应用有重要的意义。目前最高质量的m c t 外延膜就是在c z t 衬底上得到的【撕j 。 c d t e 等其它化合物半导体探测器可用于核电站广量程气体监测系统，用来测量在 事故情况下溢出的放射性物质的总量和排放进入大气中的放射性。剂量仪系统和数据分 析系统技术开发的结果表明，使用化合物半导体探测器特别是c d t e 核辐射探测器，对 y 射线和带电粒子在较大能量范围内得到了接近细胞组织等效剂量的结果，这些技术已 用在细胞组织等效y 射线剂量测定系统和载入空间飞行期间整个空间飞行剂量系统。 目前，由于化合物半导体探测器可在室温条件下运行这一显著特点，它已广泛应用 于多个领域，对人类社会的进步与发展、未知世界的探索起到不可估量的作用。但是值 得注意的是，射线进入探测器后在探测器外回路产生的感应电流信号，必须要转化成能 够测量的电压信号，才能对其进行直接分析处理，一个简单的探测系统脉冲计数信号链 如图1 1 所示。 图1 1 简单的探测系统脉冲计数信号链 f i g 1 1e l e m e n t so fat y p i c a ls i g n a lc h a i nf o rp u l s ec o u n t i n g 4 c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 这样所测的信号，一方面由于化合物半导体中两种载流子的迁移率般相差很多， 这就导致了一种电荷载流子被俘获的几率比另一种电荷载流子多得多，载流子的这种不 平衡性，使得产生的电荷不能完全收集，降低了能量分辨；号一方面受到电子线路固有 噪声的影响，而且亦受到外来的各种干扰，如宇宙射线中的高能质子所产生的中子辐射、 器壁的本底辐射线、交流市电多次谐波耦合等等都不同程度地削弱了源信号的真实性。 这些干扰叠加在信号上，使得信噪比降低，严重时甚至无法使用信号中的信息。为了更 准确的获得波形信息，许多研究者希望通过各种途径提高化合物半导体探测器的能量分 辨，消除不必要的噪音，以获得更加真实、准确的信号波形。因此，从1 9 9 0 年许多工 作者开始从事研究以减少干扰的影响。传统的方法是采用各种滤波器( 模拟器件) ，但 在实际工作中受到工作条件和环境变化的限制。目前解决这一问题的有效方法之一是采 用脉冲信号处理方法，脉冲信号处理方法具有巨大的实用价值，对其进行深入研究，不 断提出新的信号处理方法，有着重要的意义。而脉冲信号处理方法与探测器的发展是分 不开的，下面简要介绍化合物半导体探测器和脉冲信号处理方法的发展进程。 1 2 化合物半导体探测器的国内外进展 化合物半导体探测器的发展主要是因为它具备了在室温条件下应用的物理性质。它 的研究主要在以下几个方面：化合物元素的选择，即v 族、族、族及 族中如何选择元素，使得组成的化合物半导体具有高的原子序数、较大的禁带宽度 等物理性质；改进化合物半导体材料的生长方式，如h b 、v b 法，更有利于获得直径 大、电阻率高的晶体；改变探测器的形状、体积、结构，以提高能量分辨和探测效率； 化合物半导体探测器的应用领域和前景。 1 9 6 7 年，p r i n c e 和p o l i s h u k 6 j 第一次列出了适合于制作室温核辐射半导体探测器的 材料，并列出了这些材料的一些性质。同时还指出，c d t e 、g a p 和c d s e 是比较合适的 室温核辐射探测器材料，因为它们的禁带宽度大( 分别为1 5e v 、2 2e v 和1 7e v ) ，载 流子迁移率高( t = 3 0 0 k 时，c d t e ：l ae = 1 0 5 0 c m 2 s ，hh = 8 0 c m 2 n s ；g a p ：ue = 3 0 0 c m w s ， l ah = 1 5 0 c m 2 肌和c d s e ：l ae = 6 5 0 c m 2 v s ，l ah = 6 5 c m 2 v s ) 。 1 9 8 3 年，b u r g e r 等人【7 j 提出了室温c d s e 辐射探测器。制备出3 0 9 的c d s e 单晶， 用它制造的室温探测器，对1 0 - 6 6 0k e v 的y 源，呈现出长时间的稳定性和可靠性。他 们利用这种探测器进行了几种y 源的能谱测量。从实验结果看，其能量分辨还不高，但 是在1 0 - 6 6 0k e v 范围内，当使用的电场达到8 1 0 3 v c m 时，其计数效率达到饱和 ( 1 0 0 ) ，其漏电流是相当低的( 3 0 0 p a ) ，没有极化现象。 19 8 8 年，r a i s k i ne 等人【驯提出h p v b 法( h i g hp r e s s u r ev bm e t h o d 高压布里奇曼 法) ，与v b 法相似，不同的是把坩埚放入耐高压容器中，容器中充入高压( 1 0 - 1 5 0 a t m ) 惰性气体( 心) 。由于高压惰性气体使c d 、t e 2 蒸气分子平均自由程大大降低，可阻止 c d 、 r e 2 蒸气从熔体中挥发，保证了组份的化学计量比，可生长出大直径、高电阻率( 达 c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 1 0 1 1qe r n ) 的c d z n t e 晶体。 19 9 0 年，c h e u v a r tp 、e 1 h a n a n iu 等人f 9 j 提出h b 法( h o r i z o n t a lb r i g m a nm e m o d 水 平布里奇曼法) ，f i b 法的特点：生长界面不受液态重量的影响；利用径向温度梯度 使改变和控制界面形状成为可能；晶锭没有体积方面的限制，而如果体积受到限制在 生长和冷却阶段将在晶体内产生机械应力；可通过控制同固态和液态都接触的金属气 体压强，简单有效地控制化学计量比；容易使用籽晶。 同年，a z o u l a ym 【lo j 等人提出t h m ( t r a n s l a t i n gh e a t e rm e t h o d ，移动加热器法) 溶 液生长法，因为c d z n t e 晶体的熔点较高，给晶体生长带来很大困难。为了降低生长温 度，经常采用溶液生长法。常用t e 作为溶剂，可以得到高纯、高质量晶体。但此法生 长的晶体中含有较多t e 沉淀，c d 空位的浓度很高，因此一般通过掺杂补偿来获得高电 阻率晶体。 1 9 9 2 年，a u r o r a 技术公司的j e b u t l e r 等人【1 1 】制备的c d o 8 z n o 2 t e 探测器，1 2 2k e v 能量分辨率小于7 。无极化效应。 同年，d i g i r a d 制作了第一个c d z n t ey 射线光谱探测器。 1 9 9 3 年，c a s a g r a n d e l l 2 】提出了v b 法( v e r t i c a lb r i d g m a nm e t h o d 垂直布里奇曼法) ， v b 法操作简单，易实现程序化生长，并且可以把原料密封在坩埚内，减少了挥发造成 的影响，晶体成分容易控制。但v b 法的主要缺点是晶体与坩埚壁接触容易产生应力或 寄生成核，且生长过程不易直接观察，此外由于生长温度较高，晶体缺陷较难控制。 同年，a r i z o n a 大学【l3 】发展了c z t 阵列用于大脑成像的超高分辨的计算单光子发 射x 射线断层摄影术( s p e c t ) 系统。 1 9 9 5 年，p a l o s z 等人【1 4 】对p v t ( p h y s i c a lv a p o rt r a n s p o r t ，气相物理输运法) 进行 了较为系统的研究。p 法由于在低于晶体熔点温度( 9 0 0 1 0 5 0 ) 下生长，减少 了坩埚的扩散污染，并且晶体的完整性好，电阻率较高( 可达1 0 1 0 q c m ) 。晶体生长过 程同时也是一个气相输运提纯过程，因此可生长出超纯晶体。 同年，d i g i r a d 在北美的放射性学会上展示了使用像素c z t 探测器制成的y 相机。 19 9 8 年，s h i nh w a - y u h 等人【15 j 提出了t g s g ( t e m p e r a t u r eg r a d i e n ts o l u t i o ng ) 温 度梯度下的溶液生长法。 1 9 9 9 年，s c h l e s i n g e r t e 等人【l6 】使用改进的水平布里奇曼法生长出高质量的晶体材 料，单晶片尺寸可达4 0 m m x 3 8 m i n x 5 m m ，而且尺寸为2 0 m m x 2 0 m m 的晶片占晶体体 积的2 5 - 3 0 ，晶体的电阻率高于5 x1 0 9 q c m ，( 弘t ) e 值达到l 1 0 一c m 2 n s 。 2 0 0 2 年，c s a b as z e l e s 等人i1 。7 】采用e d g ( e l e c t r i c d y n a m i cg r a d i e n t ) 方法成功生长 出了直径为9 2 m m 的c d z n t e 晶体，晶体的电阻率高达1 0 9 q c m 一- 1 0 1 0 q c m ，( u ，r ) 。 值达到1 2x1 0 弓c m 2 v s 。 美国布鲁克海文国家实验室( b n l ) 最近在c d z n t e 晶体探测技术方面取得了突破性 6 c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 进展，有可能大大改进远距离探测核辐射物质的技术。该实验室的科学家最近使用国家 同步加速光源测试发现，以往未被注意到的c d z n t c 晶体内的“死区”，造成晶体结构内 大量碲沉积，大大降低丫射线分辨率。以c d z n t c 为基质的探测器目前已推向市场，但 仅限于小型便携式探测装置。b n l 的科学家发现，通过发现和去除“死区”能够提高分辨 率，从而制作出更大型、更精确的c d z n t c 基质核辐射物质探测器。 国内对化合物半导体探测器的研究也方兴未艾。代表性科研院所有：中国原子能科 学研究院( 重点在于c d z n t c 探测器结构的研制工作) 、四川大学( 侧重于改进化合物半 导体的生长方式布里奇曼法) 、昆明应用物理研究所( 制作出的平面型单元c z t 射线 探测器) 、上海技术物理研究所( 生长的c d l 嘱z n x t e 晶体主要作为h g c d t c 红外探测器衬 底材料) 、上海大学电子信息材料系( 对c d l - x z n x t c 晶体生长的研究) 等等。 1 9 8 0 年王效军等人l l8 】开展了扩散型c d t c 探测器的研制工作，所用材料是p 型c d t c ， 其电阻率为- - - 1 0 4 q c m ，迁移率为9 0 c m 2 v s ，材料直径为1 5 m m 。采用高温扩散技术， 将铟扩散到p 型材料中，制得扩散型探测器。制成的探测器厚度为0 8 , - - - 1 2 5 m m ，有效 面积为9 - - 2 5 m m 2 ，采用金沉积法制得良好的欧姆接触，接触电极为l - - 2 m m 2 。对1 7 0 t m 8 4k e v 的y 射线获得7 9k c v 的能量分辨率( f w h m ) 。 1 9 8 8 年，林革等人i l9 j 用控制镉和碲分压的升华法分别生长了接近化学计量比理论 值和偏离化学计量比( 含有大量镉空位) 的高纯碲化镉单晶。用扩散法在5 0 0 - 7 5 0 范 围内掺i n 得到不同i i l 浓度的c d t e 样品。霍尔测试结果表明，随i l l 浓度的增加，净载 流子浓度、电阻率、电子迁移率都发生了相应的变化，表明在单晶生长过程中可以控制 本征缺陷的浓度，用掺杂方法可以控制c d t c 的电学性质。 2 0 0 2 年，中国原子能科学研究院张万昌等人【2 0 】开展了c d z n t e 探测器的研制工作， 并取得了较好的结果。用美国y i n n e l 公司的材料研制成的电容栅结构的探测器对1 37 c s 6 6 2k e v 的能量分辨率达到了国际水平。 2 0 0 4 年，四川大学【2 1 l 用改进的布里奇曼( b r i d g m a n ) 法，生长出了z n 含量在1 0 2 0 范围的大块高阻c z t 单晶体，并研制成室温c z t 核辐射探测器，在室温下获得了 川a m 5 9 5k c v 的能量吸收谱。 同年，杨爱明等人 2 2 】用热壁外延法( h 、阮) 生长直径3 0 r r 吼的c d r c d z n t e s i 薄膜， 经x i m 测试说明它是晶面为( 1 11 ) 取向的立方闪锌矿结构。s e m 对s i 衬底、c d z n t e 缓冲 层和c d t c 薄膜三层分别测试，结果发现：s i 衬底表面结构糙，c d z n t e 缓冲层较s i 底表 面结构细致c d t e 薄膜较c d z n t e 缓冲层表面结构光滑细密，即缺陷较c d z n t e 缓冲层少很 多。通过对该片子照像看出其表面如镜面。由此说明大面积c d t e c d z n t e s i 薄膜可用 h w e 技术制备。 2 0 0 6 年，中国原子能科学研究所的郝晓勇完成了c d z n t c 化合物半导体探测器的设 计。采用甄别级的c d z n t c 材料经化学腐蚀、表面处理、电极制备等加工工艺处理后， 7 c d t e 核辐射探测器及其脉冲信号处理方法 得到了电极结构简单，具有较好能量分辨率的探测器。 同年，昆明应用物理研究所制作出的平面型单元c z t 射