碲锌镉探测器对低能X射线的探测_张岚

探测器

　第29卷　第3期　2009年　5月核电子学与探测技术

NuclearElectronics&DetectionTechnology

Vol.29　No.3　May.　2009　　

碲锌镉探测器对低能X射线的探测

张　岚1,李元景1,朱维彬1,郑晓翠1,罗　丛1,毛绍基1,李元景2,邓智2

(1.同方威视技术股份有限公司,北京　100084;2.清华大学,北京　100084)

摘要:介绍了碲锌镉探测器对低能X射线的探测,并在不同温度下测试了其性能变化,包括电子学　　

噪声,能量分辨率和漏电流的变化。同时研制了低噪、性能稳定的厚膜电路用于单路信号的读出,对

241

Am的60keV能量峰的能量分辨率达到了4%。关键词:CdZnTe;CdTe;半导体探测器

中图分类号:　TL812.1　　文献标识码:　A　　文章编号:　0258-0934(2009)03-0517-04

　　碲锌镉半导体探测器的高探测效率,室温下的高能量分辨率已为人熟知。对于较高能量的X射线和伽玛射线,碲锌镉探测器的探测效率主要由其厚度决定,如厚1mm的CdZnTe探

测器对60keV的伽玛射线的光电吸收效率为97.4%,而对100keV的光电吸收效率降为58.3%,当CdZnTe探测器厚度增加到4mm时,对100keV的光电吸收效率才增至97.07%。但对能量较高的662keV伽玛射线,其探测效率有明显的下降,在探测器厚度增至15mm时,光电吸收的效率只达到23.6%(图1)。

所以适当厚度的CZT探测器可以高效探测的光子能量高端在200keV到300keV。这个能量范围正是医学成像和空间探测所需的X射线能区。同时医学成像和空间探测要求一定的低能射线探测能力,如医学成像中的乳腺检查,X射线能量在30keV以内

[1]

子的探测能力进行了研究,通过大量的实验和计算给出了相应的结果。

1　不同温度对CdZnTe探测器的性能影响

主要影响CZT探测器低能光子探测能力的是由禁带宽度决定的热噪声大小。CZT的禁带宽在1.5-2.2eV,确定了CZT探测器的室温可操作性。同时前端电子学的噪声也是影响它能量分辨率能力的一个主要因素。我们首先从这两个方面进行了实验研究。

采用美国Yinnel公司的CZT晶体,我们制备了两枚平面金电极的CZT探测器:10mm×10mm×1mm和5mm×5mm×1mm两种尺寸,在室温和其它温度下测试其性能变化,包括漏电流、噪声和对55Fe5.9keV射线的能量分辨率(图2,图3,图4)。温度循环是先在室温下进行性能测量,逐步升到30℃,然后缓慢降至室温后,再逐步降到-19℃。

在室温时,我们同时也测试了两种尺寸的CZT探测器对241Am60keV伽玛射线的能量分辨率,分别为4.3%和5.5%,达到了国际水平,

55

在此基础上进行Fe5.9keV射线的测试。由于铁源较强,引起了能量峰高能端的信号堆积,影响了能量分辨率的值,实际值应优于现有的测量值,但它们随温度的变化趋势是相似的。

,而空间探测

的低能X射线更需要对几十keV和几keV的

X射线进行高能量分辨率的探测[2]。因而CZT探测器对低能X射线的探测决定了它应用领域的扩展。本文对CZT探测器对低能光

收稿日期:2008-11-03

作者简介:张岚,高级工程师,主要从事辐射探测技术及其应用方面的研究。

探测器

图1　不同厚度的CZT探测器对不同能量光子的辐射响应

a.厚度为1mm的CZT探测器对不同能量光子的光电吸收比例　b.不同厚度的CZT探测器对100keV光子

的光电吸收比例　c.不同厚度的CZT探测器对662keV

光子的光电吸收比例

图2　不同温度下两种尺寸的CZT探测器漏电流变化

　　对低能射线的探测需注意的一点是射线入射面电极层的厚度,由于电极层通常用金或铂

金电极,它们对低能射线具有一定的吸收。我们用蒙卡模拟计算得出,约20nm厚的金或铂金电极层对5keV的X射线光电吸收几率为2.8%,而当电极厚度增加到1μm时,吸收几率升至71.9%。但对30keV的射线,约1μm厚的金或铂金电极层的光电吸收几率只有5.1%。所以对于低能射线的探测,需根据能量要求,把电极层的厚度要控制在微米量级内。2　用于单路读出的厚膜电路

前端电子学噪声是影响CZT探测器低能射线探测能力的另一个主要因素。我们采用了两种前端读出芯片,并对其温度性能进行了测试(图5)。在实验的基础上我们研发了单路低噪的前端读出厚膜电路(图6),并用日本Acrorad公司制备的CdTe探测器(4mm×4mm×1mm)对其性能进行了测试(表1)。长条形的厚膜电路加CZT探测器可制为笔形的伽玛或X射线

探测器

表1　三个厚膜前端电路的性能测试

厚膜编号

123

基线偏置-1.7V-1.28V-1.14V

噪声119e115e119e

对241Am的能量分辨率

4%

4%4%

3　讨论

从不同温度下CZT探测器的性能变化可

图3　不同温度下两种尺寸的CZT

探测器电子学噪声变化

以看出虽然CZT是室温下可操作的化合物半导体探测器,但是通过温度对热噪声产生的电荷的影响,CZT探测器的性能还是有所变化的。

(1)低温时漏电流和电子学噪声都较低,因而呈现了较好的对低能光子的能量分辨能力;

(2)除漏电流在整个温度范围内,随温度的明显变化外,只有在10℃以上时电子学噪声和能量分辨率才会随温度有较快变化,而在低温时变化缓慢;

(3)没加CZT探测器时,系统的电子学噪声为126e,当有CZT探测器时,噪声增至151e

图4　不同温度下两种尺寸的CZT探测器对55Fe5.9keV

射线的能量分辨率变化

(5mm×5mm×1mm的CZT)和184e(10mm×10mm×1mm的CZT),说明了CZT探测器的电容和热噪声对系统的噪声贡献。

(4)实验同时得到的结果是,对于性能好的CZT晶体,温度循环不会对探测器性能有太大影响,而性能略差的晶体在温度循环后,性能有所下降。

由美国一家公司生产的前端芯片A250通常是用来与低噪的半导体探测器配合使用的,我们测试了两种前端芯片的温度性能,它们都在低温时呈现较好的噪声特性,但与探测器尺寸引起的噪声差异相比,两种前端芯片的性能差异并不大。

图5　两种芯片在不同温度下的噪声展宽

探测器,与可携多道组成便携式能谱测试系统

。

4　结论

通过一系列的实验和分析,说明从各个环节上控制相关制备参数和前放的噪声,碲锌镉半导体探测器的低能探测能力可满足4keV以

图6　单路读出的厚膜前端电路

(尺寸:8mm×5mm×32mm)

上的光子。同时在低温下使用时,由于CZT热噪声和电子学噪声的双双降低,碲锌镉半导体探测器具有更优的低能性能,可测到3keV以下。

探测器

参考文献:

[1]M.H.dePaulaetc..Microcontrolledpyro-electric

instrumentformeasuringX-rayintensityinmam-mography[J].MedicalandBiologicalEngineering

andComputing,2005,43(6).

[2]V.Arefieva,M.Pavlinskya,etc..HardX-raycon-centratorexperimentforSpectrum-X-Gammamis-sion[J].Proc.ofSPIE2006,626662663L-1.

DetectionofCdZnTeDetectorstoLowEnergyPhotos

ZHANGLan1,LIYuan-jing1,ZHUWei-bin1,ZHENGXiao-cui1,

LUOCong,MAOShao-ji,LIYuan-jing,DENGZhi

1

1

2

2

(1.NuctechCompanyLimited,Bebijing,100084;2.TsinghuaUniversity,Bebijing,100084)

Abstract:ThepaperintroducesthedetectionofCZTdetectorstolowenergyphotos.TheperformancevariationofCZTdetectorsunderdifferenttemperaturesaremeasuredi …… 此处隐藏：3753字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……