CZT探测器.doc

CZT探测器1 CdZnTe 探测器的工作原理I2 CdZnTe探测器结构II3 CdZnTe的基本特性II4 CZT探测器发展趋势IVCZT的全称是CdZnTe也就是碲锌镉。CdZnTe 晶体是近年发展起来的一种性能优异的室温半导体核辐射探测器新材料,闪锌矿结构,空间群为F43M。CdZnTe 晶体是由于CdTe 晶体的电阻率较低,所制成的探测器漏电流较大,能量分辨率较低,在CdTe中掺入Zn后,其禁带宽度增加,发展成为一种新材料。1 CdZnTe 探测器的工作原理CdZnTe 晶体可以在室温状态下直接将X射线和射线光子转变为电子。CdZnTe 探头的表面是很薄的金属电极,这些电极在偏压作用下,在探测器内部产生电场.当有电离能力的射线和CdZnTe 晶体作用时,晶体内部产生电子和空穴对,并且数量和入射光子的能量成正比。带负电的电子和带正电的空穴朝不同的电极运动,最终被收集起来。形成的电荷脉冲经过前放转换成电压脉冲,其高度和入射光子的能量成正比。从前端出来的信号通过成形放大器转换为高斯脉冲,被再次放大。这些信号可以通过标准的计数器来识别或者用多道分析器形成入射光子的能谱。整个探测器谱仪系统的结构如图1所示。图1 CZT探测器原理2 CdZnTe探测器结构 CZT探测器通常有平面型、俘获电极型、共平面栅型、电容弗里希栅 (Frish grid) 型、半球型及像素型等结构类型。在制备CZT射线探测器时常用Pt、Au、In和Al 等4种金属,纯度要求为6(4N5N)作为电极材料。CZT探测器常见结构如图2所示。图2 常见的CZT器件类型MSM探测器是最简单的平板CZT探测器,目前一般采用Au、In和Pt等金属作为探测器的金属层,现在已获得稳定性很好的探测器,结合脉冲整形电路可用作光谱仪。由于未能很好地解决低能量尾迹,目前还无法用于射线光谱探测。为了解决空穴收集特性相对较差带来的能量分辨率和电荷收集率差的问题,研究人员通常采用电学方法和设计各种探测器结构来提高能量分辨率和电荷收集率。电学方法通常包括脉冲整形辨别和电荷补偿;通过改变探测器电极形状来提高能量分辨率的各种方法有一个共同的特点,那就是收集到的电荷主要依赖于阳极附近的电子运动从而使收集到的感应电荷与空穴运动以及电子-空穴对产生的深度无关,这些器件被称为单极型器件。由P1N1Luke于1994年秋提出的共面栅技术获得了良好的能量分辨率以及接近全体积的光峰效率,具有良好的发展前景。CZT像素阵列探测器常用于成像系统,其基结构如图2(c)所示。阳极由一系列尺寸极小方形金属电极构成,每个像素电极上收集的信号包含了与位置有关的信息,将所有像素的信号整便可得到探测对象的图像。3 CdZnTe的基本特性CZT晶付环口CdTe晶体都属于化合物半导体材料。由于它们的原子序数高，禁带宽度大，电阻率高，非常适合探测l0keV-500keV能量的光子，同时又可在室温下很好地工作。目前的生产工艺可制备12 cm3的大体积CZT(CdTe)单晶，可探测能量达到1Mev以上。用它们制成的探测器在X射线、射线能谱测量方面具有广泛应用前景。CZT晶体中Zn离子的掺入加宽了禁带能宽，提高了电阻率，减小了室温下暗电流，因此具有比CdTe晶体更好的电子,图3显示了RITEC公司生产的67个半球形大体积CZT探测器的性能参数分布。从图中看到，大体积CZT探测器的峰康比在4.0左右，最高可达5.0;FWHM 对于662keV的平均值为25keV，最好达到16.5keV以下。CZT探测器的漏电流和EZMS噪声电压随偏压增加而加大。图4显示了体积是500 mm3和1500 mm3的两个CZT探测器能量分辨率与高斯成形放大器成形时间常数的关系。通常便携式仪器只有1个或者2个时间常数，因此仔细研究并选择合适的时间常数是很关键的。从图中看出，大体积CZT探测器的最优成形时间常数在0.5到1.5。图3 CZT探测器基本性能参数图4 CZT探测器能量分辨率与成形时间常数的关系CZT探测器能量分辨率和峰康比随偏压的增加而提高，而同时漏电流和RMS噪声电压也随之增加，每种探测器的最佳工作偏压可以通过实验测得，例如:CZT/500探测器的工作偏压在5001000V（100200V/mm)之间，对于更大体积的探测器工作偏压甚至要提高两倍。CZT探测器的时间稳定性和温度稳定性都很好，峰位的温漂小于0.1 %/ 。表1：CZT材料特征及应用价值序号材料特性应用价值1禁带宽度大于1.5ev，且带宽随Zn原子的加入而增减可在室温工作，不依靠低温制冷提高性能2平均原子序数约为50，与伽玛射线的作用更强探测晶体厚度小，可克服电场和电流边缘效应3直接带隙跃迁，反应时间短，光量子效率高探测灵敏度高，像素面积小，空间分辨率更高4无极化效应，电场作用不随时间变化，能带结构稳定稳定性号，有利于简化信号采集和处理电路5电子迁移率高，电子寿命长，电子漂移和扩散长度较长电子输运性能号，电荷采集率高，探测效率高，能量分辨率高6电阻率可达100G，室温下热激发载流子浓度低漏电流小，本底噪声小，功耗小，更适合便携化要求7随着Zn原子的加入，机械性能和化学稳定性改善加工性能好，环境适应性强4 CZT探测器发展趋势目前，CZT探测器两个重要发展方向:多块大体积并行探测器(Bulk detectors)和像素阵列探测器(Pixel arrays detectors)。前者由多块体积大于1 cm3的CZT(CdTe)晶体阵列组成，例如2x2阵列。每块晶体采用独立电极(例如共面栅格电极)和前放电路，输出信号经成形放大器通过多路混合器进入多道分析器分析。这类探测器解决了单个探测器体积小，总探测效率低的缺点，大大缩短了测量时间，尤其适于便携式谱仪系统，可应用于环境、港口、铁路货物等的放射性监测。我们研制的反恐便携式Y谱仪可考虑采用这种模式。后者是由CZT晶体像素阵列组成，主要应用于核医学、天体物理等领域的成像探测。微电子光蚀刻技术实现CZT晶体的分段电极设计，在晶体上可以生成像素阵列，这些像素的电极再通过锢低阻焊接连接到读出芯片，晶体体积和像素的大小根据对空间和能量分辨率以及待测能量范围等具体要求而定。例如核医学成像中更关心空间分辨率，每个象素的尺寸约55。天体物理中要求较高的空间和能量分辨率，则需要综合考虑。例如硬X射线天文望远镜采用了四个体积是26.9mmx26.9mmx2mm的CZT探测器，每个探测器晶体被分割成64x64个330的象素，探测器空间分辨率达到1角分，能量分辨率达到2.3keV对于22.1 keV。采用这种小像素电极的大体积CZT阵列探测器，得到了非常好的能量分辨率。值得注意的是，这类探测器中存在“近场效应，感应电荷信号不仅跟载流子的输运距离有关，同时也受载流子与电极距离的影响。当像素尺寸大小适合时整个晶体的暗电流和电容被分配在多个电极上从而大幅度降低噪声。天文调焦望远镜CEA/Saclay就是基于这种“近场效应”制造的。另外，采用较厚的CZT晶体阵列(至少6mm)和小尺寸像素电极设计能同时得到好的能谱