CZT成像探测器设计与性能测试研究-Indico
叠层碲锌镉探测器制备及γ能谱特性测试
第30卷第3期强激光与粒子束V o l.30,N o.3 2018年3月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S M a r.,2018叠层碲锌镉探测器制备及γ能谱特性测试*席发元,宋凤军(西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室,四川绵阳621010)摘要:实验制备了单层和叠层(双层)碲锌镉探测器,并利用241A m@59.54k e V和57C o@122k e Vγ射线源测试了其γ能谱特性㊂相比单层探测器,对于较高能量的57C o@122k e Vγ射线,叠层碲锌镉探测器表现出较高的探测效率和光峰值效率,较好地改善了康普顿连续统一体,表现出与整块等厚度碲锌镉探测器类似的性能;但光生载流子收集效率变差,能谱峰位向低道区偏移;能量分辨率未得到改善㊂实验初步表明,通过叠加方法制备叠层碲锌镉探测器是可行的,并可推断制备更大厚度的叠层探测器将有利于中高能γ射线能谱测量㊂关键词:叠层;碲锌镉;探测器;制备;测试中图分类号: T L816文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201830.170315多年来,N a I闪烁体和H P G e半导体探测器是两种测量γ谱最常用的探测器㊂N a I探测器使用方便㊁价格便宜,但能量分辨率较差;H P G e探测器能量分辨率高,但低温90~100K的使用要求(液氮冷却)限制了它的应用㊂近年来出现的化合物半导体C d Z n T e探测器,与硅(Z S i=14)和锗(Z G e=32)相比,由于它原子序数高(48,30,52)㊁密度大(5.81g/c m3),对X射线㊁γ射线的本征探测效率高,适合探测能量范围10k e V~1.5 M e V的光子;同时,它的禁带宽度大,易于控制热生电流,可以在室温下使用;阻抗高(109~1011Ω㊃c m),漏电流小,噪声低;电子运输特性好,能量分辨率较高;加之对湿度不敏感㊁体积小等特点,使得C d Z n T e探测器成为比较理想的X射线和γ射线探测器,可广泛应用于核安全㊁环境监测和医学成像等领域[1]㊂当前,C d Z n T e 探测器的研究是处于一个迅速发展阶段的很有意义的课题[1-15]㊂C d Z n T e探测器以大尺寸的高质量晶体材料及其探测器件的结构和电极接触界面的制备技术为关键[4]㊂由于生长技术的困难,单晶尺寸大于1c m的高品质碲锌镉整块晶体成本较高,对于更大尺寸单晶则不易获得㊂而晶体探测X射线和γ光子的效率由晶体的厚度决定,如厚1mm的C d Z n T e探测器对60k e Vγ射线的光电吸收效率为97.4%,而对100k e Vγ射线则降为58.3%;当探测器厚度增加到4mm时,对100k e Vγ射线的光电吸收效率才增至97.07%,但对能量较高的662k e Vγ射线,其探测效率又有明显的下降[7]㊂这使得C d Z n T e探测器对X射线和γ光子的探测局限于中能低能范围(10~600k e V),难以实现对高能光子的高效探测㊂徐慧超等[8]研究结果表明,减小探测器的灵敏体积,增加厚度可以减小探测器的电流和电容噪声,从而改善分辨率,并且厚度的增加可以显著提高探测器在高能区域的探测效率㊂艾宪芸等[1]认为,采用较厚的C d Z n T e晶体阵列(至少6mm)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㊂为了解决大块碲锌镉晶体生长困难和高成本的不足,本工作旨在通过叠层方法制备多层㊁体阵列大厚度碲锌镉探测器,实现对γ光子的高效率探测,拓展碲锌镉探测器在核辐射探测领域尤其是γ射线探测领域的应用范围㊂事实上,关于多层叠加的堆积结构构成的高效率㊁高能量分辨的高能γ射线探测器和谱仪早在2004年丁洪林[3]就曾提及㊂本文主要考察叠加方法制备多层碲锌镉探测器的可行性及物理规律,开展了双层5mm ˑ5mmˑ2mm碲锌镉单晶片的研究实验工作㊂1探测器制备及γ能谱特性测试1.1单层平面C Z T探测器制备及I-V特性测试首先,将生长态C d0.9Z n0.1T e的晶锭定向切割出尺寸为5mmˑ5mmˑ2mm的单晶片;晶片再依次经过抛光㊁制作双平面电极(A u)㊁表面钝化;然后将处理好的探测器封装到P C B板上(图1)㊂其次,对所制备单层C Z T探测器进行I-V特性测试㊂*收稿日期:2017-08-11;修订日期:2017-11-01基金项目:四川省教育厅资助科研项目(15Z A0106);核废物与环境安全国防重点学科实验室预研基金项目(15y y h k12)作者简介:席发元(1972-),男,博士,从事核辐射探测器研究;x i f y66@163.c o m㊂036005-1036005-2F i g .1 S i n g l e l a y e rC Z Td e t e c t o r a f t e r b e i n g e n c a p s u l a t e d 图1 封装后的单层C Z T 探测器1.2 单层C Z T 探测器γ能谱特性测试分别采用241A m@59.54k e V 和57C o @122k e V γ射线源照射单层C Z T 探测器,并记录能谱数据和全能峰峰区计数率㊂测试过程中控制放射源与探测器阴极面距离为1c m ,偏压500V ,即探测器中电场强度为250V /mm ㊂1.3 叠层(双层)平面电极C Z T 探测器制备 从P C B 板上拆下上述单层C Z T 探测器,并重新制作单平面电极㊂再选取一枚相同规格(5mm ˑ5mm ˑ2mm )且性能几乎一致的晶片,采用导电银胶将两枚探测器粘接在一起,并封装在P C B 板上㊂封装后探测器如图2所示㊂F i g .2 D o u b l e -l a y e r e dC Z Td e t e c t o r a f t e r b e i n g e n c a p s u l a t e d (r e d p o i n t i nm i d d l e p i c t u r e i sG N D )图2 封装后的双层C Z T 探测器(图中红点为G N D )1.4 叠层(双层)碲锌镉探测器γ能谱特性测试 测试方法同1.2节单层C Z T 探测器γ能谱特性测试㊂为便于与单层探测器对比研究,排除不同电场强度F i g .3 I -V c h a r a c t e r i s t i c s o f t w o s i n g l e -l a y e r e dC Z Td e t e c t o r s f o r s p l i c i n g 图3 用于拼接的两枚单层C Z T 探测器的I -V 特性图的影响,偏压采用1000V ,即探测器中电场强度同样控制为250V /mm ㊂2 测试结果及讨论2.1 I -V 曲线图3为用于拼接的两枚单层C Z T 探测器的I -V 曲线图㊂从图中可以看出,随外加偏压增大,漏电流呈线性增加,表现出很好的耐压性能㊂2.2 γ能谱特性图4㊁图5为单层及叠层C Z T 探测器分别对241A m@59.54k e Vγ射线和57C o @122k e Vγ射线的能谱响应图㊂表1则是对图4㊁图5中γ能谱分辨率和全能峰峰区计数率的汇总对比㊂从三个方面对上述测试结果进行讨论㊂首先,从单㊁双层探测器对同一射线源响应能谱的全能峰峰位对比角度分析㊂从图4中可以看出,双层探测器对241A m@59.54k e Vγ射线响应能谱的全能峰峰位比单层探测器的全能峰峰位低了约1000道;同样图5也显示出,双层探测器对57C o @122k e Vγ射线响应能谱的全能峰峰位也比单层探测器的低了约2000道㊂全能峰的位置可以反映探测器对光生载流子的收集效率[9,13-14]㊂从单层到叠层探测器的能谱图中显示出的严重的峰位左偏移,即单光子激发载流子电荷脉冲的降低,可能是由于载流子的收集效率变差所引起的㊂则图4和图5表示双层探测器的载流子收集效率约为单层探测器的50%㊂对于平面型C d Z n T e 探测器的电荷收集效率η,可用下式表达[15]η(z )=λe d [1-e -(d -z )/λe ]+λh d(1-e -z /λh )(1)强激光与粒子束036005-3式中:d 为探测器厚度;z 为射线与C d Z n T e 探测器发生相互作用的位置(从阴极面开始计算);λe =μe τe E 与λh =μh τh E 分别表示电子与空穴的平均自由程,其中E 为C d Z n T e 探测器电极之间的电场强度;τe 与τh ,μe 与μh 分别代表电子和空穴的寿命与迁移率㊂从式(1)可以看出,探测器厚度d 的增加是本实验中双层探测器光生载流子收集效率变差的一个原因,事实上,厚探测器会有更多的电子丢失和陷获[12,15]㊂此外,光生载流子在通过两层碲锌镉单晶片之间的导电银胶时会有较大的损失,但导电银胶层对载流子输运的影响机制尚不明确㊂F i g .4 E n e r g y s p e c t r u mr e s p o n s e o f s i n g l e l a ye r a n d s t a c k e d C Z Td e t e c t o r s t o 241A m@59.54k e V g a mm a r a y 图4 单层及叠层C Z T 探测器对241A m@59.54k e V γ射线的能谱响应F i g .5 E n e r g y s p e c t r u mr e s p o n s e o f s i n g l e l a ye r a n d s t a c k e d C Z Td e t e c t o r s t o 57C o @122k e V g a mm a r a y图5 单层及叠层C Z T 探测器对57C o @122k e V γ射线的能谱响应表1 单、双层探测器γ能谱分辨率及全能峰峰区计数率对比T a b l e 1 C o m p a r i s o n o f g a m m a s p e c t r u mr e s o l u t i o n a n d c o u n t i n g r a t e a t f u l l e n e r g yp e a ka r e a f o r s i n g l e a n dd o u b l e l a ye r d e t e c t o r s n u m b e r of C Z Tl a ye r s γs p e c t r u m r e s o l u t i o n /%(241A m )c o u n t i n g r a t e a tf u l l e n e rg yp e a ka r e a /c p s (241A m )γs p e c t r u m r e s o l u t i o n /%(57C o )c o u n t i n g r a t e a t f u l l e n e r g yp e a ka r e a /c p s (57C o )28.931765 78015.501718 538 其次,从单㊁双层探测器对同一射线源响应能谱的全能峰峰区计数率对比角度分析㊂从表1可以看出,双层探测器对241A m@59.54k e Vγ射线响应能谱的全能峰峰区计数率(1765c p s )比单层探测器的(1718c p s )高,特别是双层探测器对57C o @122k e Vγ射线响应能谱的全能峰峰区计数率(780c p s )比单层探测器的(538c p s )高了约45%㊂相比于厚探测器而言,薄探测器的特性受到光子吸收效率的限制㊂提高探测器的厚度在光子吸收效率和光峰值效率上会有更好的能量特性[12]㊂如前所述,厚1mm 的C d Z n T e 探测器对100k e Vγ射线的光电吸收效率仅为58.3%,而当探测器厚度增加到4mm 时,对100k e V γ射线的光电吸收效率增至97.07%[7]㊂这种严重依赖于C d Z n T e 单晶生长技术的探测器厚度增加带来的探测效率提升,在本实验中则简单地通过叠层方法得到实现㊂上述双层探测器对241A m@59.54k e V γ射线响应能谱的全能峰峰区计数率(1765c p s )比单层探测器的(1718c p s )仅高了很小一部分(2.7%),是因为对于241A m@59.54k e Vγ射线入射C d Z n T e 探测器,绝大部分的能量沉积和电子-空穴对分布集中在距离阴极1mm 以内[15],因此双层(即加厚)探测器对提高探测效率的意义就微乎其微了;而对于能量较高的57C o @122k e Vγ射线入射C d Z n T e 探测器,C d Z n T e 对γ射线的半吸收厚度约2mm ,即单层探测器的厚度,则双层(即加厚)探测器对提高探测效率的意义就极其显著了㊂最后,从能谱能量分辨率及康普顿连续统一体角度进行分析㊂从图4及图5中可以看出,从单层到双层碲锌镉探测器,碲锌镉晶体厚度的增加改善了241A m@59.54k e Vγ射线能谱的康普顿连续统一体;而对于57C o @122k e Vγ射线,由于康普顿散射所起作用的增大,较厚的双层探测器显示出更高的灵敏度[12]㊂在低能范围,增加碲锌镉晶体的厚度可以改善康普顿连续统一体,但在能量分辨率上几乎不会有改善[12]㊂从表1中可以看出,从单层到双层碲锌镉探测器,241A m@59.54k e Vγ射线的能谱分辨率没有得到提高反而发生了下降,这主要是由于从单层到双层碲锌镉探测器载流子收集效率降低所致㊂而对于57C o @122k e Vγ射线,则由于全能峰峰区计数太小而不能得出分辨率数值㊂席发元等:叠层碲锌镉探测器制备及γ能谱特性测试强激光与粒子束3结论实验制备了单层及叠层(双层)碲锌镉探测器,并通过测试γ能谱对其特性进行了实验对比研究㊂在较高能区,叠层探测器比单层探测器表现出更好的探测效率和光峰值效率,康普顿连续统一体也得到了改善,具有与整块等厚度碲锌镉探测器相近的性能;但光生载流子收集效率变差㊂通过叠层方法制备多层碲锌镉探测器是可行的㊂叠层探测器光生载流子损失机制研究及提高载流子收集效率方法探讨将是下一步要开展的研究工作㊂致谢本实验是在陕西迪泰克新材料有限公司(咸阳)席守智㊁査钢强㊁申双喜等老师的全力支持下完成的,在此表示衷心感谢㊂参考文献:[1]艾宪芸,魏义祥.室温半导体C d Z n T e(C d T e)探测器性能综述[J].核电子学与探测技术,2004,24(3):325-329.(A iX i a n y u n,W e iY i x-i a n g.B a s i c c h a r a c t e r i z a t i o no fC d Z n T e(C d T e)d e t e c t o r s.N u c l e a rE l e c t r o n i c s&D e t e c t i o nT e c h n o l o g y,2004,24(3):325-329)[2]黄勇,杨磊,杨汝基,等.碲化镉(C d T e)探测器的原理及医学应用[J].上海生物医学工程,2005,26(4):221-225.(H u a n g Y o n g,Y a n gL e i,Y a n g R u j i,e t a l.T h e p r i n c i p l e o f c a d m i u mt e l l u r i d e(C d T e)d e t e c t o r a n dm e d i c a l a p p l i c a t i o n.S h a n g h a i J o u r n a l o f B i o m e d i c a lE n g i-n e e r i n g,2005,26(4):221-225)[3]丁洪林,罗丛,张万昌.C d T e㊁C d Z n T 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c t s o f c h a r g e c a r r i e r t r a n s p o r t p r o p e r t i e s o n p u l s eXr a y r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s o fC d Z n T e c r y s t a l s.F u n c t i o n a lM a t e r i a l,2014,45(24):24078-24081)[14]王闯,查钢强,齐阳,等.C d Z n T e像素探测器的制备与表征[J].原子能科学技术,2015,49(7):1320-1324.(W a n g C h u a n g,C h aG a n gq i a n g,Q iY a n g,e t a l.F a b r i c a t i o na n d c h a r a c t e r i z a t i o no f C d Z n T e p i x e l d e t e c t o r.A t o m i c E n e r g y S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,2015,49(7): 1320-1324)[15]李杨,罗文芸,贾晓斌,等.平面型C d Z n T e探测器电荷收集效率对能谱测量的影响[J].上海大学学报,2016,22(2):231-237.(L iY a n g,L u oW e n y u n,J i aX i a o b i n,e t a l.I n f l u e n c e o f c h a r g e c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y o n e n e r g y s p e c t r u mf o r p l a n a r C d Z n T e d e t e c t o r.J o u r n a l o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2016,22(2):231-237)036005-4席发元等:叠层碲锌镉探测器制备及γ能谱特性测试F a b r i c a t i o na n dγs p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c t e s t o f a l a m i n a t e dC d Z n T e d e t e c t o rX i F a y u a n, S o n g F e n g j u n(F u n d a m e n t a l S c i e n c e o nN u c l e a rW a s t e s a n dE n v i r o n m e n t a lS a f e t y L a b o r a t o r y,S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,M i a n y a n g621010,C h i n a)A b s t r a c t: S i n g l e l a y e r a n d l a m i n a t e d(d o u b l e l a y e r)C d Z n T e d e t e c t o r sw e r e p r e p a r e d a n d t h e i r g a mm a s p e c t r u mc h a r a c t e r-i s t i c sw e r e t e s t e du s i n g241A m@59.54k e Va n d57C o@122k e V g a mm a r a y s o u r c e s.C o m p a r e dw i t h t h e s i n g l e l a y e r d e t e c t o r,f o r t h eh i g h e r e n e r g yg a mm a r a y s o f57C o@122k e V,t h e l a m i n a t e dC d Z n T ed e t e c t o r s e x h i b i t e dh i g h e r d e t e c t i o ne f f i c i e n c y a n d l i g h t p e a ke f f i c i e n c y,a n d i m p r o v e d t h eC o m p t o n c o n t i n u u m,s h o w i n g s i m i l a r p e r f o r m a n c e t o t h a t o f a s i n g l e-l a y e r e dC d Z n T ed e t e c t o r o f t h e s a m e t h i c k n e s s;b u t c h a r g e c a r r i e r s c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y b e c a m ew o r s e,a n d t h e p e a k p o s i t i o n o f t h e e n e r g y s p e c t r u ms h i f t e d t o l o w e r c h a n n e l a r e a;e n e r g y r e s o l u t i o nw a s n o t i m p r o v e d.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t i t i s f e a s i b l e t o p r e p a r e t h e l a m i-n a t e dC d Z n T e d e t e c t o r b y s t a c k i n g m e t h o d,a n d i t c a nb e i n f e r r e d t h a t t h e p r e p a r a t i o n o f s t a c k e d d e t e c t o r s o f l a r g e r t h i c k n e s sw i l l b eb e n e f i c i a l f o rm i d-a n dh i g h-e n e r g yg a mm a r a y s p e c t r o m e t r y.K e y w o r d s:l a m i n a t e d; C d Z n T e;d e t e c t o r;f a b r i c a t i o n;t e s tP A C S:07.85.F v;29.40.-n;29.40.W k036005-5。
CZT高能射线探测材料与器件研究
CZT探测器与闪烁体 探测器的对比
CZT SPECT
Discovery NM/CT 670
GE公司开发了全球首台采用半导体探头的SPECT：Discovery NM 530c及Discovery NM 570c（Discovery NM530c+128层CT），及采用CZT探测器的乳腺伽玛相机。
国内研究现状
国外研究现状
国外CZT材料技术
国外研究现状
CZT探测器被广泛应用在空间天文观测中
SVOM
SWIFT
ASTRO-H
INTEGRAL
国外研究现状 美国 NASA的Swift卫星搭载的 BAT 天文望远镜
性能 观察孔 探测面积 参数 编码掩模 5200 cm2
探测器
探测方式 视野
CdZnTe
光子计数 2 sr (部分编码)
3. 整机系统的设计与开发
便携式伽马谱仪
安检成像设备
医疗CT
根据不同的应用需求和CZT探测器产生的信号特点，设计与之 相匹配的电子学读出电路，不断探索新的探测方法和数据处理 方法，并开发出相应的应用软件。
15 0 0 10 0 0 500 0 -5 0 0 0 100 200 300 400 500 600
微观结构缺陷 点缺陷、位错、孪晶、Te沉淀、偏析
C h an n el n um ber
宏观功能特性与微观 结构缺陷的内在关联
阳离子占位 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷
微观结构与缺陷 测定与分析
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Channels
241Am@59.5
keV
基于CZT探测器的双能X线骨密度测量技术
基于 Ｃ Ｔ探测器 的双能 Ｘ线骨 密度测 量技 术 Ｚ
陈新文 。 一，杨坤 涛 。
（ ， 中科技大学 光电子工程 系，湖北 武汉 ４０ ７ ； Ｉ华 ３ ０４ ２ 鄂州大学 电子信息工程 系，湖北 鄂州 ４６ ０ ） ． ３ ００ 摘要 ： 出了一种应用碲锌４（ｄ ｎ ｅ Ｃ Ｔ ￣体探测器的骨矿密度测量方法。 提 ￣Ｃ Ｚ Ｙ 或 Ｚ ） 该方法通过对被
测对 象的定位，ｘ射 线扫描 ，应用 Ｃ Ｔ晶阵对被 骨组织吸收、衰减后的双能 Ｘ射线进行测量。 Ｚ
测量信号经分级处理后，实现 了骨矿密度定量测量和成像 。实验结果表明，Ｃ Ｔ探测器具有 良好 Ｚ
的工作性能，系统测量具有快速 ，高精度 ，高空间分辨率等特点。
CZT成像探测器设计与性能测试研究
（a）
（b）
图10 实验中采用的滤波放大器:（a）滤波放大器实物图（b）滤波放大器原理图
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3.3 滤波放大器
图11 实验中采用脉冲信号发生器对滤波器进行线性 刻度，经测试该滤波器的放大倍数约为9
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3.4 CZT阳极信号读出电路设计 A250前放 滤波放大器
图7 SEAF8信号转接电路版；（a） 64路阳极信号通过排针与后端电子学相连，反向 偏压通过-HV接线柱实施于晶体阴极表面。（b）SEAF8连接器与SEAM8连接器相连
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3.2 PC250前置放大器
图8 实验中采用的PC250:（a）PC250实物图（b）PC250原理图
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2.2 阳极电荷共享效应
图4 电荷共享FWHM为125μm大于100 μm的像素间隙
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2.3 阳极中心像素57Co能谱
（b）
图5 (a)照射单像素中心位置时，能量分辨率为6.8%@122keV,能量越大电子云越 大造成电荷丢失，因此能量越高能量分辨率越差.(b)照射间隙时，能量分辨率为 8%@122keV，由于 122keV电荷云较小，电荷丢失于间隙中造成分辨率较差。
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3.2 PC250测试
图9 输入信号为0 ~ 1.5V时输出信号与输入信号成良好的线性关系，此时输出信 号被放大了2.8倍，随着输出信号的继续增大，A250前置放大器的时间常数信息就 会显现出来，造成信号上升沿末端呈指数饱和的趋势，放大倍数相应的也会减小。
CdZnTe 像素探测器的制备与表征
CdZnTe 像素探测器的制备与表征王闯;查钢强;齐阳;郭榕榕;王光祺;介万奇【摘要】本文采用CdZnTe单晶制成像素探测器，并对其能谱响应特性及均匀性进行了系统表征。
通过I‐V和能谱响应测试，测定了晶体的电阻率和载流子迁移率与寿命的积，并用红外透过显微成像观察了晶体内Te夹杂的分布特性。
采用光刻、剥离和真空蒸镀技术，在CdZnTe晶片上制备了8×8的像素电极，用丝网印刷和贴片技术通过导电银胶实现像素电极与读出电路的准确连接，制备出CdZnTe像素探测器。
对像素探测器的测试表明，－300 V下单像素最大漏电流小于0.7 nA ，对241 Am 59.5 keV的能量分辨率可达5.6％，优于平面探测器。
进一步分析了晶体内Te夹杂等缺陷对探测器漏电流和能谱响应特性的影响规律，结果表明，Te 夹杂的聚集会显著增加漏电流，并降低探测器的能量分辨率。
%The CdZnTe single crystal was fabricated into a pixel detector and its energy spectroscopic response and uniformity were systematically characterized .The resistivity and product of carrier mobility and lifetime were calculated by I‐V and energy spectro‐scopic response test .The distribution of Te inclusions was observed with IR transmis‐sion imaging .A 8 × 8 pixel electrode was fabricated employing photolithography ,lift‐off and electrode deposition techniques .Then ,the detector was bonded tothe readout PCB board with conductive silver adhesives using stencil printing and patching techniques .The tes‐ting results show that the maximum leakage current of single pixel is less than 0.7 nA .The energy resolution for 241 Am 59.5 keV is up to 5.6% ,which is better than that of planar detec‐tor .The analysis of the influence of Te inclusions on leakagecurrent and energy spectroscopic response predicts that the aggregation of Te inclusions will increase the leakage current and in consequence reduce the energy resolution of the detector .【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】5页(P1320-1324)【关键词】CdZnTe;像素探测器;能量分辨率【作者】王闯;查钢强;齐阳;郭榕榕;王光祺;介万奇【作者单位】西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072;陕西迪泰克新材料有限公司，陕西西安 710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TL814CdZnTe(CZT)是一性能优异的室温核辐射探测材料[1]，具有原子序数高、禁带宽度较大，并可在室温下工作的特点。
中科院科技成果——基于CZT探测器的X光能谱分析设备
中科院科技成果——基于CZT探测器的X光能谱分析设备项目简介
碲锌镉（CZT）探测器是一种新型半导体探测器，具有高原子序数、宽禁带、高密度（有效原子序数50、密度5.81g/cm3、Eg=1.6eV）等优点，有利于低能X射线和γ射线的探测分析。
我所研制的CZT探测器可以工作在室温下，且具有较好的能量分辨率，如对55Fe的59.5keV的能量分辨率可达2.2keV的半高宽，并且具有非常好的长期稳定性。
应用领域
可广泛用于工业探伤、医学成像、反恐及核安全检测设备中，还可用于同步辐射的束流控制、元素成分分析、镀层测厚等检测设备中。
CZT探测器研究背景意义及现状
CZT探测器研究背景意义及现状1研究的背景和意义 (1)2国内外研究现状 (2)1研究的背景和意义X射线和伽玛射线能谱探测和成像探测技术是空间科学、原子核科学、材料科学和生物医学科学的关键技术手段，它在核能利用、辐射防护、生物医学、安全检测、环境监测、材料分析、微纳加工和天文探测等方面都有重要应用。
特别是在当前国际合作和交流中，便携式核安全检测是国防安全的一个重要方面，迫切需要高性能的辐射探测器，而碲锌镉（CdZnTe）面元像素阵列探测器正是近年兴起的核探测技术之一。
早期的核辐射探测器采用气体雪崩电离室、超临界液体气泡室、光电子倍增管和固体闪烁体等探测方法，这些探测方法要么体积大、集成度低，要么探测效率和时间响应仍不能满足应用需求，比如光电倍增管存在能耗高、噪声大等问题，而固体闪烁探测器则存在光散射和能量分辨率低等缺点。
因此，提高探测器性能的关键是提高能量转换效率、信号处理速度和系统集成度。
由于集成电路技术的发展，半导体探测器在这方面显示出有较大优势和潜力。
常见的几种半导体辐射探测器，与闪烁晶体相异，半导体辐射探测材料要求载流子迁移率大以实现快速响应，同时又要求半导体禁带宽度大以减小热电流，实现室温探测。
为此，要求半导体材料同时具有较宽的能带和能隙，一般来说，只有在高原子序数的半导体材料中才能实现。
同时，由于伽玛射线与原子的作用通常随原子序数的增加而增强，高原子序数的半导体材料也会具有更高的探测效率。
硅材料具有的原子序数较低，因而适合低能射线的探测，用作高能射线探测则探测器材料的厚度必须大于厘米量级才能保证探测效率；高纯锗和砷化镓具有中等大小的原子序数，因而可以用于高能射线的探测，但探测材料的厚度也要达到厘米量级；碲化镉（CdTe）和碲锌镉（CdZnTe）具有较高的原子序数，因而探测材料的厚度可以达到毫米量级；至于碘化钠、碘化汞和碘化铅，则由于原子序数相差较大，载流子的迁移率非常低，因而是闪烁晶体的候选材料，不太适合做半导体光电子探测器。
CZT探测器工作原理与性能分析
CZT探测器工作原理与性能分析1 CZT晶体性能分析...................................................................... .. (1)2 CZT工作原理...................................................................... . (2)3 CdZnTe探测器的类型 ..................................................................... (3)4 CZT国内外研究现状及发展应用趋势 ..................................................................... . (4)4.1 国内外研究现状 ..................................................................... . (4)4.2 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，其禁带宽度增加。
发展成为一种新材料。
CdZnTe(20,ZnTe，80,CdTe)晶体电阻率高(约1110,cm)、原子序数大(48,52)，禁带宽度较大。
医疗CT中碲锌镉(CZT)探测器的工作原理
气体电离探测器
常用气体：氙气； 工作原理：
第一步 第二步 第三步
在氙气探 测器上施 加高压电 厂和气压， 使之处于 电离饱和 状态。
所有自由电 荷都垂直于 X射线方向 收集。
从而形成信号 电流，直接反 映探测器接受 X射线的情况。
半导体探测器（CdTe/CdZnTe）
在医学成像器件上， CZT探测器常被制成由许多 单元探测器组成的阵列，单 片一维阵列，单片二维阵列， 像素探测器。 图5 CdZnTe探测器示意图
结构： 多个探测器
特点： 扫描速度慢，易 单帧影像扫描时 产生运动伪像。 间缩短到20秒 左右,但对腹部 来说仍嫌太长。
以X射线的磁偏 结构： 转代替了原来X 在第三CT机的 X射线管和探头 基础上增加探测 射线管的偏转, 作为一个整体, 大大缩短了扫描 器的数目(约 使用宽角度扇形 420~1500个), 时间,使单帧扫 X射线束,包围患 布满整个360° 描时间缩短0.1 者断层 而成一个环形圈. 秒,从而提高了 扫描时探测器静 对快速活动的器 特点： 进一步提高了扫 止不动,仅X射线 官的诊断能力。 管旋转,使单帧 描速度,将单帧 扫描时间减到了 扫描时间进一步 缩短到2秒以下。 2~3秒。
图6 CdZnTe探头电路设计图 CZT探头采用8路脉冲实现数 据采集，其中每一路均有一片 4 ㎜ ×4 ㎜ × 2㎜的晶片组成。
3、CZT探测器在医用CT中应用的优势
空间分辨率 CT图像质量 的参数 密度分辨率（能量分辨率 ） 探测效率
图7：CdTe探测器与其它常用探测器性能比较
高能量分辨率
使用环境
第三代CT的工作原理
图4
第三代工业CT 的工作原理
扫描方式：被扫描物体要适合于探测器视图范围，每 成一层像X射线—探测器系统要旋转一次，然后以层 宽为基础对被测物进行重新定位。 优点：时间短 缺点：生成图像中的固有光圈
基于CZT的频率细化方法的FPGA实现
基于CZT的频率细化方法的FPGA实现
王磊磊;陈潜
【期刊名称】《制导与引信》
【年(卷),期】2010(031)001
【摘要】在短持续信号的频谱分析中,由于受到采样时间及处理速度的影响,提高频率分析精度一直是工程实现的应用难题之一.文章给出了一种基于FPGA硬件平台的线性调频Z变换(CZT)的实现方案.试验结果表明:该方案与传统使用DSP实现方案相比,具有参数调整灵活、计算速度快的特点,具有较高的工程应用推广价值.【总页数】5页(P29-32,60)
【作者】王磊磊;陈潜
【作者单位】上海无线电设备研究所,上海200090;上海无线电设备研究所,上海200090
【正文语种】中文
【中图分类】TN958.3
【相关文献】
1.基于NiosⅡ的CZT频谱细化算法仿真实现 [J], 朱怀毅
2.CZT和ZFFT频谱细化性能分析及FPGA实现 [J], 马可;张远安;张开生
3.基于FPGA的数字频率计VHDL软件实现方法 [J], 曾光;冯锐
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基于CZT探测器的双能X线骨密度测量技术陈新文
第33卷第11期 光电工程V ol.33, No.11 2006年11月 Opto-Electronic Engineering Nov, 2006文章编号：1003-501X(2006)11-0065-04基于CZT探测器的双能X线骨密度测量技术陈新文1，2，杨坤涛1( 1. 华中科技大学光电子工程系，湖北武汉 430074；2. 鄂州大学电子信息工程系，湖北鄂州 436000 )摘要：提出了一种应用碲锌镉(CdZnTe或CZT)晶体探测器的骨矿密度测量方法。
该方法通过对被测对象的定位，X射线扫描，应用CZT晶阵对被骨组织吸收、衰减后的双能X射线进行测量。
测量信号经分级处理后，实现了骨矿密度定量测量和成像。
实验结果表明，CZT探测器具有良好的工作性能，系统测量具有快速，高精度，高空间分辨率等特点。
关键词：CdZnTe探测器；密度测量；骨质密度；骨质疏松中国分类号：TN773 文献标识码：AMeasuring technique of dual energy X-rag bone densitybased on CZT detectorCHEN Xin-wen1,2，YANG Kun-tao1( 1.Dept. of Optoelectronics Eng, Huazhong Univ. of Sci. & Tech, Wuhan 430074, China;2. Dept. of Electronic Information Eng, Ezhou Univ, Ezhou 436000, China )Abstract：A new method to measure the density of bone mineral by using the CZT crystal detector was put forward in this paper. Measurements such as locating the objects, X-ray scanning, CZT crystal lattice were employed to measure the double energy X-ray absorbed and attenuated by the osseous tissue. The stage treatment of measuring signal realized the quantificational measure and imaging of the osseous density. Results show that the CZT detector works well; and the system measurement is characterized by fast speed, high-precision, and high spatial resolution etc.Key words：CdZnTe detector; Density measurement; Bone density; Osteoporosis引 言骨质密度(BMD)的测量是判断人体是否患有骨质疏松症这种慢性疾病的有效检测方法和根据。
基于NiosⅡ的CZT频谱细化算法仿真实现
基于NiosⅡ的CZT频谱细化算法仿真实现朱怀毅【摘要】文中介绍了线性调频Z变换(CZT)的原理,针对工程中对CZT频谱细化算法实现难的问题,提出了一种嵌入式处理器(NiosⅡ软核)设计方法,结合Nios IDE平台,在FPGA开发版上进行仿真实验,实现了在指定频率范围内对某电力基频信号的CZT频谱细化分析.实验表明,该方法具有设计简单、可靠性高、实现效果好等特点,具有一定的实用价值.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2017(030)004【总页数】3页(P76-78)【关键词】线性调频Z变换;NiosⅡ软核;Nios IDE;FPGA【作者】朱怀毅【作者单位】长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙410000【正文语种】中文【中图分类】TP301.6频谱细化[1]是信号分析中的重要手段之一。
它能以指定的、足够高的分辨率分析频率轴上任一窄带内信号的频谱结构。
直接在细化频带内致密取值，增加频率点数，并计算出相应的频谱值，这就是具有代表性的基于线性调Z变换(Chirp Z Transform,CZT)的频谱细化算法。
由于在FPGA[2]中不能处理小数综合，被处理的数据必须是整数，近年来如文献[3]在FPGA上实现CZT频谱细化算法一般都是采用Altera公司自带的IP核，以IP核为主要设计方案建立CZT算法的核心步骤，但CZT算法中会遇到很多小数，所以用IP核的设计方式必须把小数量化成整数来处理，采用量化定点方式会引起很多误差，加大运算量，精确度也有所下降。
故此设计采用SOPC Builder建立NiosII软核的方式，再在Nios IDE中运用C语言以便进行小数运算。
通过CZT算法得到频谱细化值后将结果送入TFT LCD800×600的彩屏上显示，从而直观的查看仿真结果。
此设计所使用的软件为：QuartusII9.0和NiosII IDE 9.0。
开发平台为LTE-SOPC-02FD EDA/SOPC实验箱，所用FPGA芯片为Altera公司的EP3C80F780C8。
光电成像探测系统的性能预测方法
光电成像探测系统的性能预测方法徐保树;史泽林【期刊名称】《计算机工程》【年(卷),期】2012(038)003【摘要】This paper proposes a performance prediction method of photoelectric imaging detection system. It designes the detection system model including the sensor and processor. Likelihood ration test detector is designed under minimum error probability which is based on signal detection theory. Analytical expression of false probability is derived based on central limit theorem. Experimental results show that detection error rate drops with the quantitative digits improving, and calculation error rates and simulation error rates are basically the same.%提出一种光电成像探测系统的性能预测方法.介绍包含传感器、处理器的探测系统模型.根据信号检测理论,以最小错误概率准则设计似然比探测器,利用中心极限定理计算错误率.实验结果表明,随着量化位数的增大,系统错误率逐渐减少,且计算错误率与仿真错误率趋于一致.【总页数】2页(P7-8)【作者】徐保树;史泽林【作者单位】中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳110016;中国科学院光电信息处理重点实验室,沈阳110016;辽宁省图像理解与视觉计算重点实验室,沈阳110016;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院光电信息处理重点实验室,沈阳110016;辽宁省图像理解与视觉计算重点实验室,沈阳110016【正文语种】中文【中图分类】TP301.6【相关文献】1.光电成像系统的性能优化 [J], 韩昌元2.载体运动对光电成像系统性能的影响分析 [J], 朱华征;范大鹏;马东玺;张文博3.光电成像制导系统干扰与抗干扰的性能评估 [J], 刘松涛;周晓东;陈永刚4.水下光电成像探测系统的性能建模分析 [J], 孔捷;张保民5.强辐射背景下光电成像探测性能计算方法 [J], 苗旺;李翰山因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
蒙特卡罗方法在CZT探测器测量乏燃料组件燃耗中的应用
蒙特卡罗方法在CZT探测器测量乏燃料组件燃耗中的应用郑玉来;李建华;赵永刚;金惠民;朱留超;陈彦【摘要】The γ spectrum detecting system with CdZnTe (CZT) detector is one of effective methods for burnup measurement of spent fuel assembly. The detector efficiencies of the full energy peak for 137Cs and 134Cs were calculated with Geant4. The direction biasing sample method of source particle was used to improve calculation efficiency. The results provide a theoretical guide for the further burnup measurement.%利用碲锌镉(CZT)探测器组成的γ谱探测系统是一种测量乏燃料组件燃耗的较有效的方法.本文利用蒙特卡罗方法,借助于Geant4软件包计算在两种测量方式、多个准直高度条件下组件中137Cs和134 Cs的全能峰探测效率,对测量结果的正确评价分析具有一定意义.另外,采用偏倚抽样方法确定源粒子发射方向,极大提高了CZT探测器全能峰探测效率.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2012(046)011【总页数】4页(P1368-1371)【关键词】蒙特卡罗方法;燃耗;碲锌镉;Geant4【作者】郑玉来;李建华;赵永刚;金惠民;朱留超;陈彦【作者单位】中国原子能科学研究院,北京102413;中国原子能科学研究院,北京102413;中国原子能科学研究院,北京102413;中国原子能科学研究院,北京102413;中国原子能科学研究院,北京102413;中国原子能科学研究院,北京102413【正文语种】中文【中图分类】TL385乏燃料燃耗的非破坏性测量方法主要有契伦柯夫辉光探测、总γ射线探测、无源中子探测、高分辨γ能谱探测等分析方法［1－3］。
CZT像素核辐射探测器读出电路的设计
CZT像素核辐射探测器读出电路的设计潘银松;刘凤琳;杨帅举【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2012(031)006【摘要】As a new material for nuclear radiation detector in room temperature, CZT has wide application range. So.it' s important to design an effective readout circuit for CZT pixel nuclear radiation detector. CMOS technology is adopted to design a high resolution, low power consumption readout circuit for CZT pixel nuclear radiation detector. This readout circuit consists of charge sensing pre-amplifier, shaping filter network, amplified stage. The operational amplifier adopts PMOS input folded cascade structure and the filtering network uses simple RC-CR structure. The result simulated in the GPDK 0.18 μm CMOS technology show that the sensitivity of this circuit is 0.3 mV/keV,detected energy range is 20~200keV,the power consumption for each channel is 1 mW.%CZT作为一种新型室温核辐射探测器材料,适用范围广泛,设计一种有效的CZT读出电路意义重大.采用CMOS技术设计了一种高分辨率、低功耗的CZT像素核辐射探测器读出电路.该读出电路包括电荷敏感型前置运放、整形滤波网络、放大级.运放采用PMOS输入折叠共源共栅结构,滤波网络采用简单的RC-CR结构.在GPDK0.18 μm CMOS工艺下进行的仿真,表明该读出电路的灵敏度为0.3mV/keV,探测能量范围为20-200 keV,单信道功耗为1 mW.【总页数】3页(P125-127)【作者】潘银松;刘凤琳;杨帅举【作者单位】重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400030;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400030【正文语种】中文【中图分类】TN492;TN402【相关文献】1.百万像素硅像素探测器数据获取系统设计 [J], 李洋;季筱璐;沈炜2.适用于像素CZT辐射探测器ROIC的高精度S/H电路 [J], 潘银松;李向全;汪瑛;张流强3.基于像素型CZT探测器的深度灵敏与能量校正技术研究 [J], 吴俊;姜小盼;章志明;汪超;向宇;李岩;曾国强4.CZT像素阵列核探测器的噪声分析 [J], 蒋建;肖沙里;蔡欣;张流强;陈宇晓;曹玉琳5.室温核辐射CdZnTe像素阵列探测器的研制 [J], 李霞;褚君浩;李陇遐;戴宁;张福甲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
CZT探测器电极制备工艺的研究的开题报告
CZT探测器电极制备工艺的研究的开题报告一、研究背景随着核医学技术的不断发展，CZT晶体作为一种高效性能的半导体材料越来越受到人们的重视。
CZT探测器是一种基于CZT晶体的射线探测器，具有高空间分辨率和能谱分辨率、高能量分辨率和探测效率等优点，在核医学、粒子物理、辐射环境监测等领域具有广泛应用前景。
CZT探测器主要由CZT晶体和电极组成，而电极则是决定CZT探测器性能的重要因素之一。
目前，CZT电极制备工艺主要包括蒸发金属、电化学沉积等方法。
然而，现有的制备工艺在金属镀涂均匀性、接触良好性、电信号穿透性等方面尚存在一定的局限性。
因此，对CZT探测器电极制备工艺进行优化研究，对提高CZT探测器的性能具有重要意义。
二、研究内容和目标本研究计划采用化学气相沉积（CVD）工艺制备CZT探测器的金属电极，通过优化CVD工艺参数，提高金属电极的均匀性和接触良好性。
同时，将比较不同金属电极对CZT探测器性能的影响，并探究电极厚度、电极材料与探测器性能的关系。
最终，达到提高CZT晶体探测器性能的目的。
三、研究方法1. 初步制备CZT晶体，并对其进行物性分析。
2. 采用CVD工艺制备CZT探测器金属电极，并优化CVD工艺参数。
3. 采用电学测试方法，对不同的金属电极进行比较，探究电极的均匀性、接触良好性等因素对探测器性能的影响。
4. 对比不同厚度和材料的电极对CZT探测器的性能进行测试。
四、预期成果1. 成功制备出均匀、接触良好的CZT探测器金属电极，并优化制备工艺；2. 对比不同材料和厚度的电极对CZT探测器性能的影响，建立电极参数与探测器性能之间的关系；3. 提高CZT探测器的能量分辨率、探测效率等性能。
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四、后期工作
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1 CZT晶体的性质
相对原子序数：50
晶体密度:5.85g/cm3
电 阻 率：100GΩ/cm 禁带宽度:大于1.5eV
图1 碲锌镉晶体分子结构图
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2.1 CZT阳极设计
图2 CZT晶体为20mm×20mm×5mm，阳极像素间距为600 μm (像素大小为500μm，间隙为100μm)，阴极为平面型。
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CZT成像探测器设计与性能测试研究
范亚明 王天泉 李英帼 黄川 尹永智
（兰 州 大 学 核 科 学 与 技 术 学 院）
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报告提纲
一、CZT晶体的性质
二、600μm像素化CZT探测器电荷共享效应 三、小像素探测器硬件设计及信号测试
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2.2 阳极电荷共享效应
图3 当122keV准直光束照射600μmCZT探测器A5和A4之间不同位置。在位置150μm到350μm的 散点图中看到电荷共享事件和单像素事件。 当准直光束到达阳极像素的中间时（位置0μm和 500μm），只能找到单像素事件。240μm和260μm散点图，中间弯曲说明有电荷丢失在间隙中。
图15 CZT探测器阴极对137Cs进行测试获取的能谱图
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四、后期工作计划
1. 探测器上升时间测量
2. 阳极电荷共享以及DOI信息获取
3.符合测试
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3.2 PC250测试
图9 输入信号为0 ~ 1.5V时输出信号与输入信号成良好的线性关系，此时输出信 号被放大了2.8倍，随着输出信号的继续增大，A250前置放大器的时间常数信息就 会显现出来，造成信号上升沿末端呈指数饱和的趋势，放大倍数相应的也会减小。
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3.1 CZT小像素探头
（ c）
图6 小像素晶体尺寸为10mm×10mm×10mm，像素为600μm× 600μm阵列为8×8 （a）晶体正面（b）背面SEAM8连接器转接SEAF8连接器（c）像素分布示意图
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3.1 CZT小像素探头
图7 SEAF8信号转接电路版；（a） 64路阳极信号通过排针与后端电子学相连，反向 偏压通过-HV接线柱实施于晶体阴极表面。（b）SEAF8连接器与SEAM8连接器相连
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3.2 PC250前置放大器
图8 实验中采用的PC250:（a）PC250实物图（b）PC250原理图
滤波-OUT
CZT -HV
A250-OUT
示 波 器
图12 CZT阳极1路信号读出示意图
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3.5 CZT探测器信号输出
图13 CZT阳极1路信号读出示意图
图14 CZT阳极1路与阴极经滤波板信号输出
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3.6 CZT探测器阴极能谱
3.3 滤波放大器
（a） （ b）
图10 实验中采用的滤波放大器:（a）滤波放大器实物图（b）滤波放大器原理图
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3.3 滤波放大器
图11 实验中采用脉冲信号发生器对滤波器进行线性 刻度，经测试该滤波器的放大倍数约为9
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3.4 CZT阳极信号读出电路设计 A250前放 滤波放大器
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2 阳极电荷共享效应
图4 电荷共享FWHM为125μm大于100 μm的像素间隙
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2.3 阳极中心像素57Co能谱
（b）
图5 (a)照射单像素中心位置时，能量分辨率为6.8%@122keV,能量越大电子云越 大造成电荷丢失，因此能量越高能量分辨率越差.(b)照射间隙时，能量分辨率为 8%@122keV，由于 122keV电荷云较小，电荷丢失于间隙中造成分辨率较差。