CZT探测器工作原理与性能分析

1、CZT探测器工作原理与性能分析1 CZT晶体性能分析12 CZT工作原理23 CdZnTe探测器的类型34 CZT国内外研究现状及发展应用趋势44.1 国内外研究现状44.2 CZT发展应用趋势4碲锌镉(CZT)探测器是目前倍受关注的半导体核辐射探测器之一，与其他常用探测器相比，它有较多优点，下面进行对CZT晶体和探测器工作原理作相应的介绍。1 CZT晶体性能分析 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

2、加。发展成为一种新材料。CdZnTe(20ZnTe，80CdTe)晶体电阻率高(约1011cm)、原子序数大(48,52)，禁带宽度较大。且随Zn含量的不同，禁带宽度从1.4 eV至2.26 eV连续变化，所制成的探测器漏电流小，本征探测效率高，对湿度不敏感，体积小，在室温下对X射线、射线能量分辨率好，能量探测范围在10keV6MeV，无极化现象，非常适合探测器能量10500 keV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体积为12cm3，的CdZnTe单晶体，探测能量达到1MeV以上。表1 CdZnTe晶体和CdTe晶体的基本性能项目CdTeCdZnTe原子数48，5248，

3、30，52密度（g/cm3）6.065.95.95禁带宽度（eV）1.471.571.64电阻率（）约109（15）10100.120.891100.112CdZnTe晶体通常采用高压布瑞吉曼生长技术制备，CdTe晶体通常采用移动加热方法制备。由于生产工艺不同，CdTe晶体相对CdZnTe晶体更适合于大量生产，具有较好的一致性和可重复性，价格也相对便宜；而CdZnTe晶体中Zn离子的掺入加宽了禁带宽度，提高了电阻率，减小了室温下暗电流，因此具有比CdTe晶体更好的电子输运性能。CdZnTe晶体和CdTe晶体性能接近，一般可从具体任务所要求的晶体数量、单晶大小、成本和一致性等方面综合考虑进行选择

4、。表1是CdZnTe和CdTe晶体的基本性能。2 CZT工作原理辐射探测器的工作原理基于粒子与材料的相互作用。当粒子通过某种材料时，这种材料就吸收其部分或全部能量而产生电离或激发作用。若粒子是射线或 X射线，则先经过一些中间过程，产生光电效应、康普顿效应或正负电子对，把能量部分或全部传给物质的轨道电子,再产生电离或激发。此类探测器接收到入射粒子后，立即给出相应的电荷信号，经过后续电子线路放大并处理，便可以进行记录和分析，CZT探测器即为该类探测器。CdZnTe探测器晶体表面是很薄的金属电极，这些电极在偏压作用下，在探测器晶体内部产生电场。当有电离能力的射线和CdZnTe晶体作用时，晶体内部产生

5、电子和空穴对，并且电子空穴对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变成电压脉冲，其高度和入射光子的能量成正比。从前放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。其工作示意图如图1所示。图1 CZT工作原理示意图3 CdZnTe探测器的类型目前国际上比较常见的CdZnTe器件类型有：金属半导体金属(MSM)探测器、共面栅探测器和像素阵列探测器。(1)MSM探测器：是最简单的平板CdZnTe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

6、，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低能X射线能谱探测器。由于未能很好地解决低能能量尾迹，目前还无法用于 射线能谱探测。(2)共面栅探测器：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电极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。而通过改变探测器电极结构来提高能量分辨率的各种方法有一个共同的特点，即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图2 CZT共面栅电极示意图空穴运动以及电子空穴对的产生深度无关，这些器件被称为单极型器件。由Luke PN于1994年秋

7、提出的共面栅技术获得了良好的能量分辨率以及提高了光峰效率，具有良好的发展前景。(3)像素阵列探测器：CdZnTe像素阵列探测器常用于成像系统，其基本结构是阳极由一系列尺寸极小的方形金属电极所构成，每个像素电极上收集的信号都包含了与电极对应位置有关的信息，将所有像素的信号整合便可得到探测对象的图像。4 CZT国内外研究现状及发展应用趋势4.1 国内外研究现状CdZnTe 射线探测器现已被广泛应用于工业测量与控制、医学成像与诊断、核材料非破坏分析等领域。随着核技术的不断发展，研制常温条件下高分辨率和高效率的 探测器具有重要意义。美国研制的CdZnTe探测器已初步开始投入使用。但很难获得大尺寸的完整

8、CdZnTe晶体，并且在室温下正常工作。四川大学用改进的布里奇曼法，生长出了Zn含量在1020范围的大块高阻CdZnTe单晶体，并研制成室温CdZnTe核辐射探测器，在室温下获得了Am241 59.5 keV的能量吸收谱，目前还在继续研究之中。美国布鲁克海文国家实验室(BNL)最近在CdZnTe晶体探测技术方面取得了突破性进展，有可能大大改进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CdZnTe晶体内的“死区”，造成晶体结构内大量碲沉积，大大降低射线分辨率。以CdZnTe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。BNL的科学家发

9、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CdZnTe基质核辐射物质探测器。现在，BNL的发现能进一步改善CdZnTe晶体，使得有可能制作更大型CdZnTe探测器。虽然CdZnTe探测器的分辨率尚不能与锗探测器相比，但却大大高于碘化钠探测器。BNL下一步计划修改CdZnTe晶体生长工艺，以降低最终产品中的碲沉积。根据最近对高低两种碲沉积CdZnTe晶体样品的测量，BNL坚信一定能生产出高性能的探测器，并称“这个发现是一重大突破”。4.2 CZT发展应用趋势目前，CdZnTe探测器两个重要发展方向是：多块大体积并行探测器和面元阵列探测器。前者由多块体积大于1 cm3的C

10、dZnTe晶体阵列组成，例如22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。后者是由CdZnTe晶体面元阵列组成，主要应用于核医学、天体物理等领域的能谱成像。微电子光蚀刻技术实现了CdZnTe晶体的分段电极设计，在晶体上可以生成面元阵列，这些面元的电极再通过铟低阻焊接连接到读出芯片，晶体体积和面元像素的大小根据对空间和能量分辨率以及测量能谱范围等具体探测要求而定。例如，核医学成像中更关心

11、空间分辨率，每个面元像素的尺寸约55，而天体物理中要求较高的空间和能量分辨率时则要综合考虑。例如，硬X射线天文望远镜InFOCS采用了4个体积是26.9 mm26.9 mm2 mm的CdZnTe探测器，每个探测器晶体被分割成64×64个330的面元像素，探测器空间成像分辨率达到1'能量分辨率达到2.3keV对于22.1 keV)，采用这种小像素面元电极的大体积CdZnTe晶体阵列探测器，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。当像素面元尺寸大小适合时，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CEASaclay就是基于这种“近场效应”制造的。另外，采用较厚的CdZnTe晶体阵列(至少6 mm)和小尺寸像素面元电极设计能同时得到好的能谱特性和高空间分辨率，这也是CdZnTe半导体探测器值得注意的发展方向。在科学研究方面，CdZnTe探测器在高能物理学方面有很大的应用前景，例如它可用于高能粒子的加速系统。化合物