CdZnTe核探测器的蒙特卡罗模拟的初步研究

摘要

Cd<,1-x>Zn<,x>Te核辐射探测器由于可在室温下稳定工作,并且对X、γ射线有较高的探测效率和较好的能量分辨,因此已广泛应用在核安全、环境监测、医学诊断、天体物理研究等领域;然而,目前所能制备的CZT材料其空穴迁移率要比电子低10倍左右,导致电荷的不完全收集,器件探测性能不佳.因此在器件设计上如何探索新型的器件结构,提高CZT器件的探测效率和能量分辨率是国际上研究的前沿性课题.然而这些器件的结构比较复杂,它们的行为仍还没有充分了解,器件设计较为困难,必须借助计算机模拟的有力工具.为此,本课题自行编写蒙特卡罗模拟软件,研究探测晶体内电荷的输运特性,探索材料参数、器件结构与探测器性能之间的内在联系及规律.本工作选用Visual C++作为平台,以Cd<,1-x>Zn<,x>Te核辐射探测器的工作原理为依据,探测器内与原子核发生反应的随机性和反应产生的电子空穴对数目的统计规律为物理模型,模拟大量的单个光子在Cd<,1-x>Zn<,x>Te探测器中的反应以及反应之后收集的电荷量的统计分布.在温度为300K、<'57>Co和<'241>Am等辐射源产生不同能量的γ光子覆盖整个电极(光子垂直阴极入射)并且均匀分布的条件下,依次计算入射光子的随机反应深度,判断其发生反应的类型,进而求得产生的电子空穴对数,最后利用Hecht公式计算出收集电荷量.由大量γ光子与晶体作用后,收集电荷数量的统计分布获得探测器对γ射线的响应能谱.据了解,目前国内还未见有关蒙特卡罗方法模拟CZT探测器的专用软件,也未见有关蒙特卡罗方法模拟CZT探测器能谱响应的文献的报道.采用自行编制的软件模拟上升时间为0.5μs、大小为3×3×2mm和3×3×5mm MSM结构的Cd<,1-x>Zn<,x>Te核辐射探测器,并将模拟能谱与实测能谱进行比较,发现相应的图谱的轮廓均很相似,各个全能峰的相对位置也相当接近;其中对<'57>Co和<'241>Am的能量分辨率分别为3.1KeV和2.38KeV,与实际测量结果基本一致,国外文献报道也较为吻合.文章还对模拟结果的可靠性、稳定性以及不足之处进行了分析讨论,以期在以后的工作中得到进一步的改进与完善.此外,文章还分析讨论了用于探测不同辐射源的器件厚度与探测效率的关系.

目录

文摘

英文文摘

说明

原创性声明和本论文使用授权说明

第一章前言

1.1蒙特卡罗模拟简介

1.1.1蒙特卡罗方法的历史

1.1.2蒙特卡罗方法的思想概述

1.1.3蒙特卡罗模拟的特点

1.1.4蒙特卡罗模拟的基本工具一一随机数

1.1.5蒙特卡罗模拟的主要应用范围

1.2 CdZnTe核物理探测器简介

1.2.1半导体探测器的发展

1.2.2 CdZnTe核辐射探测器

1.3课题目的与意义

第二章模拟的物理模型

2.1探测器的性能指标

2.1.1探测效率

2.1.2输出脉冲幅度大小

2.1.3分辨率

2.1.4线性响应

2.1.5稳定性

2.2 γ射线与物质的相互作用

2.2.1光电效应

2.2.2康普顿散射

2.2.3电子对效应

2.3脉冲幅度谱的获得机理

2.3.1光子引起电离的统计涨落

2.3.2能谱的形成

第三章蒙特卡罗模拟软件设计

3.1模拟计算主程序的设计

3.1.1光子与电极材料发生的反应——背散射的处理

3.1.2用于计算电荷收集量的Hecht公式的介绍

3.1.3反应深度的计算

3.1.4反应产生电子空穴对数目N0的计算

3.1.5模拟能谱道宽的确定

3.1.6模拟计算的总流程

3.2软件结构及操作界面简介

3.2.1软件结构框架

3.2.2工作窗口简介

3.2.3运行窗口

第四章CZT探测器模拟结果与讨论

4.1模拟结果与比较

4.1.1模拟结果

4.1.2模拟结果与实验结果的比较

4.1.3模拟结果与已发表文献中的模拟界比较

4.2模拟稳定性讨论

4.3探索器件参数与性能的关系

4.3.1器件厚度与探测效率的关系

4.3.2电场强度与器件能量分辨率的关系

第五章结论

参考文献

附录软件设计介绍

1概念

2.实现方法

3.Crun对话框类

4.数据作图的实现

致谢

硕士期间发表的论文