碘化汞探测器

HgI2探测器,张德龙16722137,1,2,3,4,碘化汞及其探测器简介,发展历史,应用领域,工作原理及特点,HgI2及其探测器简介,碘化汞晶体,碘化汞有两种变体。一种是红色碘化汞，四方晶体。一种是黄色碘化汞，正交晶体。不溶于水，溶于甲醇、乙醇、氯仿、丙酮等溶液。可用于医药，并用作化学试剂。碘化汞晶体有剧毒，如果泄漏将引起环境危害。碘化汞在自然界中以极其罕见的碘汞矿的形式存在。HgI2晶体制备通常采用气相法沉积和溶液法。近几十年来，国内外对于溶液法生长碘化汞的研究比较重视,-HgI2晶体的晶胞模型,碘化汞探测器的实验制备,从生长的样品中选取出结构致密、分布均匀、位错密度小于103cm- 2的多晶HgI2晶片, 沿垂直(001)方向对长晶面进行机械粗抛光, 接着进行细抛光。对经过机械抛光的多晶HgI2晶片, 初测其厚度, 以达到预定的要求。根据制备探测器的要求, 晶片厚度在1501500m比较适宜。将机械抛光好的实验样品, 用10%KI 溶液在室温300 K下进行约2 min 的化学腐蚀抛光, 然后立即用去离子水反复清洗, 在清洁的气氛中晾干后在抛光面蒸镀金电极(100 nm)。,多晶HgI2探测器结构图,对于作好了电极的多晶碘化汞晶片, 同时在两电极(面电极为金, 底电极为ITO)上用胶体石墨粘接直径约30 m的钯丝引至外电路;最后, 晶片蒸涂上一层聚对二甲苯为保护膜, 并用硅橡胶粘接安装在聚四氟乙烯基座上, 再密封安装在带窗口的铝盒内。探测器的结构如图所示。,工作原理及特点,工作原理,HgI2 探测器的工作原理与其他半导体探测器相似。当带电粒子或X，射线进入HgI2耗尽层时, 它以光电吸收截面把射线能量转换成电荷, 激发产生电子-空穴对并使晶体具有导电性。在探测器上加足够高的电压, 以产生较强的电场(104-105V/cm), 尽可能完全地收集这些电荷。电子-空穴对在外电场作用下, 分别被收集到正、负极, 并产生输出脉冲。 此脉冲的高度正比于所产生的电子-空穴对数目, 即正比于入射射线的能量。输出脉冲经低噪声前置放大器和脉冲放大器整形输出，记录在多道脉冲分析器上。因此, 由收集电荷的多少或脉冲幅度的高低可确定入射射线能量, 而由单位时间的脉冲数可确定入射射线强弱。,碘化汞的特点,碘化汞(HgI2)单晶直接跃迁宽带隙的- 族化合物半导体，是优异的光电导材料，它具有较大的平均原子序数(有效原子序数62 , 密度6.40 g/cm3 )，禁带宽度很大，为2.13eV，电阻率高为1013cm，这些比CdTe，锗等半导体材料还大。碘化汞探测器与人们熟知的CdZnTe和CdTe探测器相比,HgI2具有更高的探测效率, 更高的电阻率, 更好的室温操作性能。而且由HgI2探测器构成的高分辨率 X,射线谱仪，对低能光子的探测，其探测效率也大大优于Si和Ge探测器。,此外，HgI2晶体是半绝缘体, 其探测器的漏电流很小。而且其探测器电离效率高，能量线性高，能量分辨率高，经高辐射剂量照射后探测器的灵敏度不变(抗辐射性能好、无极化效应)，也具有很好的温度特性，可以工作在200-400下。另外用HgI2制备的探测器具有使用寿命长、耐气候变化、低功耗，计数率高，体积小、重量轻、致密性好以及电子学噪声低等特点。由于其具有诸多特性，所以在制备室温核辐射探测器时，碘化汞是一种很好的备选材料。,发展历史,国外,Chepur于1956年首先发现HgI2晶体具有优异的核辐射敏感特性。Willig和Roth于1971年首次提出采用HgI2制作室温核辐射探测器的设想。对于HgI2材料探测器的研究，国际上最重要的组织和个人有以色列 Real Time Radiography(RTR)公司和以色列 Hebrew大学(HU)。以Schieber为代表，他们多年来一直从事HgI2方面的研究，1997年开始转入多晶HgI2厚膜的沉积、特性及 X 射线透视成像和工业无损检测方面的应用。,美国 Varian Ginzton 技术中心，Zentai 及其同事从2002 开始一直从事大面积HgI2多晶探测器的研制以及 X 射线透射成像、实时成像和无损检测方面的应用。美国 Constellation 技术公司，Lodewijk 等人从 1991年开始从事 HgI2单晶 X 和 射线探测器的研制和材料性能的研究；加利福尼亚Photon Imaging 公司和密西根大学也进行了较多的研究。其它在这方面也做了一定研究的组织有美国田纳西州 Fisk 大学，日本的 Tohoku 大学，韩国 Inje 大学，釜山国立大学，乌拉圭大学,巴西圣保罗大学等。,国内,国内研究碘化汞的主要机构有：四川大学材料系，也是国内研究最早的，文章发表于 1986 年到 2001 年间，主要研究HgI2原料的提纯，单晶的生长以及核辐射探测器的制作。上海大学从 2004 年开始研究碘化汞多晶，采用 PVD 法生长多晶 HgI2，并对其光电特性做了研究，随后作出了HgI2多晶核辐射探测器，并对能量分辨做了测试。西北工业大学近几年来在研究高纯多晶HgI2的制备。HgI2作为一种性能优异的室温高能核辐射(X, 射线)探测器材料，已经有三十余年的研究历史了，在多年的HgI2探测器的研究历程里，由于它的优异性能，已经将其应用于多方面的领域中。,应用领域,应用,1）计数器由于HgI2晶体对X, 射线和 , 带电粒子等有较高的阻止本领, 将其做成的便携式计数器, 用以探测射线。这种计数器不需使用光电倍增管及高压电源, 只用一个周期性充电的高压电容器作为电源即可。它与闪烁计数器相比, 具有体积小、重量轻、漏电流小、灵敏度高和使用方便等优点。2）核医学HgI2计数器还广泛用于核医学。与气体电离室或硅结二极管医用探头相比,HgI2的原子序数高, 禁带宽度大, 工作在体温时具有低噪声、高灵敏度和高效率等优点。例如,把125I作为一个永久性洽疗源置入人体的癌变区时, 可用长4.3 cm , 外径0.9mm的针形HgI2探头来测量辐射剂量。,3)分光计用作分光计时, 在X 射线衍射、X 射线荧光分析和X 射线衍射天文学中可取代气体探测器和闪烁探测器。厚度为1.2cm, 体积约10cm3 的厚型HgI2射线分光计, 对1MeV 射线的能量分辨率小于10%, 对直到1.5M eV 射线的探测效率约为80%。4）光电探测器为探测带电粒子或射线的单脉冲, 人们利用HgI2的强光电效应, 把超低噪声高分辨率的HgI2光电探测器与高效率的闪烁体经光耦合构成电离辐射探测器来探测闪烁光。HgI2 PD 可用于正电子发射计算机断层照相(PECT), 与使用光电倍增管的一些闪烁探测器相比, 它有更高的能量分辨率和量子效率。此外还广泛应用于荧光分析，空间试验，国防、野外勘探、工业检测、无损检测、环境保护、天文学和高能物理等领域。,还需做的工作,发展方向集中在对碘化汞基础原