共面栅碲锌镉探测器的性能优化与阵列探测器研究

发布时间：2020-10-22 06:26

　　 碲锌镉(Cd_(1-x)Zn_xTe)晶体自从上世纪末出现以来,就以其良好的性能而成为颇具吸引力的室温化合物半导体高能射线探测器材料。近年来,随着碲锌镉探测器的不断发展,它已逐渐应用于X/γ射线能谱和成像探测的多个领域,如中国规模最大的科学装置“上海光源”、惯性约束聚变(ICF)领域的“神光”系列原型装置、核医学领域的正电子发射断层扫描成像(PET)与单光子发射体层成像(SPECT)系统、天文观测领域的“高能X射线成像观测望远镜”(EXIST)和“和环境探测领域的智能化个人辐射定位系统”(IPRL)等。因此,在实际的应用中,研究同时具备高能谱分辨和空间分辨能力的高性能碲锌镉探测器,具有十分重要的意义。在不同结构的碲锌镉探测器中,共面栅(Coplanar-Grid)探测器的单极性是最好的,因此更易于得到更好的能谱分辨能力。然而,由于权重势分布的不均匀性和载流子俘获等因素,探测器的信号会随着作用点位置的变化而发生涨落,导致共面栅探测器的能量分辨率变差,大幅偏离理论值。另外,对共面栅探测器的应用长期以来受到了极大的限制,目前仍局限于能谱探测,而尚未涉及到PET和SPECT等X/γ射线成像领域。这是因为传统的共面栅探测器在阳极面上只包含单个共面栅像元(由相互交叉的收集栅和非收集栅组成),因而不具备空间分辨能力。如果要用于成像,就需要在阳极面上制成由多个共面栅像元组成的阵列结构。但是,一方面,单个共面栅像元的尺寸受到多个物理过程(如电荷收集、共享和表面电荷损失等)的影响,如何确定最佳的电极尺寸仍有待研究;另一方面,随着共面栅像元数目的增加,读出电路的复杂程度急剧增大。因为采用传统的信号读出方式,单个共面栅像元需要两路前置放大电路分别读出收集栅和非收集栅上的信号,所以共面栅阵列探测器的电路复杂程度将是具有相同像元数量的像素阵列探测器的两倍。这不仅增大了电路成本,而且引入了更多的电路噪声,极大地限制了探测器的性能。针对上述问题,在国家自然科学基金委员会-中国工程物理研究院联合基金项目(No.10876044)、国家自然科学基金项目(No.61274048)和重庆市基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA90010)的资助下,本文开展的主要研究工作如下:(1)为了对共面栅探测器的能谱性能进行优化,使其更加趋于理论值,研究了探测器性能一致性的评价因素。针对由权重势分布的不均匀性和载流子的俘获效应分别导致的共面栅探测器的响应在径向和深度方向的不一致性,分别利用品质因数(FOM)和电荷感生效率(CIE)进行量化分析,从而对电极结构的设计和载流子俘获的补偿提供依据。利用FOM对探测器的响应在径向的一致性进行表征,定量分析了在电极结构的设计中,外围保护栅的宽度wsg、次外围收集栅的宽度woc以及非收集栅宽度wonc对权重势分布均匀性的影响;根据对权重势的积分推导了CIE更为简便的计算公式,并利用CIE对探测器的响应在深度方向的一致性进行表征,定量分析了载流子的迁移率寿命积(μeτe、μhτh)、探测器两端的偏置电压Vb以及相邻收集栅的中心距p对CIE的影响。(2)为了拓展共面栅碲锌镉探测器的应用范围,探索了将共面栅探测器应用于X/γ射线成像的可行性。经过对电荷收集理论、表面电荷损失效应和电子云模型的深入分析,以及对权重势分布的有限元仿真,优化设计和制备了同时具备良好的能谱分辨能力和固有空间分辨能力,从而适于X/γ射线成像的共面栅阵列碲锌镉探测器。探测器的总体尺寸为7×7×5 mm3,单个共面栅像元的尺寸为2.3×2.3 mm2,固有空间分辨率达到了3.3 mm,与早期应用于PET的像素阵列碲锌镉探测器相当。此外,我们搭建了数字能谱系统,对探测器的信号进行了读出和深度校正。对于662 keV的γ射线,四个共面栅像元的能量分辨率分别为2.7%,3.6%,3.1%和3.9%。(3)为了改善共面栅像元的可扩展性,以及共面栅碲锌镉探测器应用于X/γ射线成像的实用性,对单电极读出方法进行了改进,并据此设计和制备了一个只需要从收集栅读出信号的共面栅阵列碲锌镉探测器,从而极大地降低了其读出电路的复杂程度,使其达到与像素阵列探测器相当的水平。我们首先从理论上建立了最优化的相对增益系数G和收集栅宽度wc之间的关系,于是根据载流子的平均漂移距离(λe、λh)就可预先确定单电极读出的共面栅探测器电极结构(收集栅与非收集栅的最佳宽度wc和wnc)。此外,搭建了模拟能谱系统,对该共面栅探测器的性能进行了测试。在固有的空间分辨率不变的前提下,对于662 keV的γ射线,四个共面栅像元的能量分辨率分别为3.7%,4.1%,4.4%和4.7%。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL814
【部分图文】：

[82-87]中，共同研制的装载在AtlasV-401运载火箭上的EXIST原型样机如图1.1(a)所示。原型样机包含三个主要的天文望远镜（HET，SXI和IRT），其中探测高能X/γ射线的HET天文望远镜由大量碲锌镉晶体拼接而成的阵列组成，如图1.1(b)所示。总探测面积为4.5 m2，共包含约12.5M像素，空间分辨率为0.6 mm。单块晶体的尺寸为20×20×5 mm3，包含32×32像素阵列，探测能量小于600 keV的X/γ射线。在探测60 keV和511 keV的X/γ射线时

(c)图 1.2(a) MRI 兼容 SPECT 系统的示意图，包括（1）非磁性支架，（2）MRI 钻孔，（3）病床，（4）非磁性探测器支架，（5）8 个 ERPC 碲锌镉探测器及其读出电路，（6）准直孔，（7）射频线圈，(b) MRI 兼容 SPECT 系统的横截面示意，(c) ERPC 原型探测器示意图，包含 8 块拼接而成的碲锌镉像素探测器，总探测面积 4.4×4.4 cm2Fig. 1.2(a) Schematic diagram of the MRI-compatible SPECT system, which consisting of thefollowing components: 1) a non-magnetic gantry, (2) MRI bore, (3) patient-bed, (4) non-magneticdetector holder, (5) 8 ERPC CdZnTe detectors with front-end readout PCBs, (6) collimationapertures, (7) RF coil, (b) Cross-section of the SPECT /MRI system, (c) A prototype ERPC detectormade up of 8 pixellated CdZnTe detectors, with the total detection area of 4.4×4.4 cm2对于共面栅碲锌镉探测器，研究主要集中在粒子物理领域和单能谱探测领域。为了测试中微子的双β衰变（0νββ-decay）及其半衰期，并以此为依据研究中微子的Majorana特性和绝对质量，德国的汉堡大学和德累斯顿工业大学等机构共同在意大利格兰萨索地下实验室（LNGS）开展了COBRA（CdZnTe 0-Neutrino Double-Beta

14.8×14.7×9.2 mm3的共面栅探测器制成了一个小型的γ射线能谱仪样机，如图1.3所示[102]，可以在用户或计算机的控制下探测和存储γ射线能谱，在662 keV的γ射线入射时能量分辨率为2.78%。类似的，由eV公司生产的商用便携式eV-CPGTM探测器包含一个大体积（1 cm3、15×15×7.5 mm3或更大）的共面栅碲锌镉探测器及其读出电路，如图1.4所示。当探测器的体积为1 cm3时探测的能量范围为30~13000 keV，在662 keV的γ射线入射时能量分辨率小于2%~4%。(a) (b)图 1.3(a) 小型能谱系统使用的共面栅碲锌镉探测器，(b) 小型能谱系统的内部照片，包含上侧的数字板和下侧的探测器与模拟板Fig. 1.3(a) The coplanar-grid CdZnTe detector used in the pocket-size spectrometer, (b) Inside viewof the pocket-size spectrometer，consisting of the digital board (at the top) and the detector as well asthe analog board (at the bottom)在国内
【引证文献】

相关博士学位论文 前1条

1 傅楗强;碲锌镉探测器若干关键技术研究[D];清华大学;2017年

相关硕士学位论文 前1条

1 朱岳;质子对碲锌镉的辐照损伤及质子屏蔽的计算机模拟[D];吉林大学;2018年

本文编号：2851226