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碲锌镉像素核辐射探测器原理及实验特性研究重庆大学博士学位论文学生姓名: 王玺指导教师:肖沙里教授专业: 光学工程学科门类:工学重庆大学光电工程学院二 O一三年三月 Principle and Experimental Characteristics of Pixellated CdZnTe Detector for Nuclear Radiation A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Doctor ’ s Degree of Engineering By Wang Xi Supervised by Prof. Xiao Shali Specilaty : Optical Engineering College of Opto -electronic Engineering of Chongqing University, Chongqing, China March , 2013 中文摘要 I 摘要近年来,半导体核辐射探测器的发展相当迅速。这类探测器已经广泛地应用于核物理学、 X 射线和伽玛射线天文学,以及核医学等诸多领域。与气体探测器和闪烁体探测器相比,半导体探测器的成像性能更为优异,能谱分辨能力也更强, 同时还可以使整个探测系统的结构更为紧凑。特别是最近三年来, “神光- III 原型”及“LAMOST”等国家大型科学装置的落成,为我国核物理学、高能物理学和天体物理学等诸多研究提供了新平台,开拓了新领域,提供了新契机,为取得进一步重大科研成果奠定了坚实的基础。因此,已经形成了以大科学装置为基础的一系列后续科研课题,产生了对高能射线能谱探测及成像诊断技术的新需求。 CdZnTe 晶体材料对硬 X射线和伽玛射线的截止能力和探测量子效率都很高, 适合探测范围 10 keV~ MeV 能量的光子,特别是在 10~100 keV 能量范围内, 其能量探测效率可以达到 90% 以上。不断成熟的晶体生长方法与工艺,不断优化的探测器结构以及不断完善的信号处理技术,都使得 CdZnTe 探测器的性能越来越优异,在核辐射探测领域起着越来越重要的作用,成为现在室温半导体辐射探测领域的热点,受到世界各国的高度重视。目前,国内外 CdZnTe 像素核辐射探测器的研究存在很大差距。国内相关研究工作还处于起步阶段,研究单位也相对较少,主要的研究集中在 CdZnTe 晶体生长工艺和表面处理技术方面;国外相关研究主要针对新型探测器电极结构的设计、探测器脉冲信号电子学处理技术的改进、以及载流子俘获的物理机制等。虽然在提高 CdZnTe 探测器能量分辨率的研究方面取得了很大进展,但是 CdZnTe 像素核辐射探测技术的相关研究领域内,还存在若干问题亟待解决。为了完善像素 CdZnTe 像素核辐射探测器在核辐射能谱探测及成像探测领域的结构体系,拓展其在粒子探测领域的应用范围,面向“神光 III”等国家大科学装置对 X 射线及 Gamma 射线诊断的需求, 以及核医学、天文物理等研究领域的需求, 开展了“像素 CdZnTe 探测器研究”这一课题的研究工作。研究得到了国家自然科学基金面上项目( ,) 中央高校基本科研业务费资助项目(No. CDJXS11122219) 的资助。围绕所提出的科学问题,按照改进 CdZnTe 探测器能量分辨率及成像探测性能的主旨,主要研究工作如下: (1) 讨论入射光子与 CdZnTe 晶体相互作用的物理机制,分析了几种不同作用机制与光子能量的关系。基于权重势理论,分析了信号产生与收集原理,对单极性探测器的工作原理进行了讨论。对像素探测器的读出系统进行了总体归纳与设重庆大学博士学位论文 II 计。(2) 模拟了 X射线或伽玛射线在探测过程中的主要物理过程,以将模拟结果用于探测器的优化设计。首先采用 MCNP 代码建模,包括光子与晶体的主要作用机制,比如光电吸收,康普顿散射,电子偶产生以及瑞利散射等。其次利用 Matlab 电场有限元分析软件工具包对电荷在晶体中的俘获与扩散建立了模型。分析讨论了不同尺寸的电极结构对权重势分布的影响。最后基于 Shockley -Ramo 理论建立了像素探测器信号感生模型,并给出了不同辐照源的能谱结果。(3) 根据对电极材料与表面处理工艺的研究,制备了不同规格像素探测器。并首先对这些探测进行了漏电测试,得到了不同偏压下像素探测器的漏电流分布, 随后根据不同的探测器结构设计进行了进一步研究,内容包括: (a) 研究了不同条件下,探测器的能谱分辨率。(b) 对像素探测器中间隙处的电荷共享与损失进行