碲锌镉探测器的特性研究及其前端核信号链设计

摘要

碲锌镉(CdZnTe，CZT)半导体探测器是国际上最近研究出来的一种新型射线探测器，它具有分辨率高、吸收系数大、探测效率高、使用方便、体积小等特点，且能在常温条件下工作。在5keV～2MeV的能量探测范围内无极化现象，而且易于加工，配合上低噪声的电荷灵敏放大器，可做成紧凑、高效、高分辨率的伽马射线探测装置，广泛的用于安检、医学诊断、工业探伤、核素识别和天体X射线望远镜等领域。
　　目前，国内对碲锌镉晶体已有较为成熟的生长技术，能够较为容易的获得满足各种测量条件的碲锌镉晶体，从而制作成具有特定功能的碲锌镉探测器。而对碲锌探测器的应用研究还处于起步阶段，在很多领域还没有成熟的应用解决方案，完全自主开发并成功应用于产品的核信号链设计较少见报道，较多是采用国外Amptek、Canberra等公司的电荷灵敏放大器与数字多道脉冲幅度分析器获取实验室级别的核脉冲信号与谱线，尤其是能够克服碲锌镉探测器空穴捕获拖尾效应而设计的数字多道脉冲幅度分析器在国内未见有报道。因此，本文开展了对碲锌镉探测器的特性测试实验，并根据探测器的实测性能参数，设计了优化的前端信号读出电路及其前端数字核信号链，为碲锌镉探测器在高分辨率X射线探测器、X荧光测井、核素识别中的应用提供了参考依据。
　　本文的主要研究成果有:
　　1、搭建了碲锌镉探测器的测试平台并完成了主要参数的测试工作。以西北工业大学（西工大）研制的4mm×4mm×2mm的准半球结构探测器和美国eV公司4mm×4mm×2mm的CaptureTM plus结构探测器为例，在不同温度下测试了这两款探测器的漏电流随所加偏压的关系以及其结电容随偏压之间的关系。实验表明，西北工业大学研制的探测器在相同温度和相同偏压下的漏电流低于美国eV公司，并且其结电容也小于美国eV公司。
　　2、考虑到探测器的结电容、漏电流等参数以及探测器与场效应管(JFET)的匹配、PCB布局等问题，本文采用典型的折叠型结构设计了低噪声的电荷灵敏放大器(CSA)，该电荷灵敏放大器在常温23℃下的零电容噪声为615个电子，噪声斜率为5.45电子/pF;制冷到-32℃时的零电容噪声为391个电子，噪声斜率为4.51电子/pF。
　　3、以高效率、高开关频率的开关电源芯片MAX668为核心，结合倍压整流电路，设计了效率高、体积小、纹波低的偏压电源，该偏压电源的输出电压最高可达800V，在输出偏压350V时，输出电流大于400μA，纹波小于6mV。
　　4、选择了合适的电制冷器件TEC，并采用温度负反馈的方式设计了高效率的控制电路给碲锌镉探测器和CSA制冷，以降低探测器和CSA工作时的噪声，提高分辨率。采用西北工业大学研制的探测器测量241Am源，将探测器和CSA制冷到-20℃，在未采用上升时间甄别时，分辨率从室温的7.87％提高到了7.12％，采用了上升时间甄别时，分辨率从室温的3.42％提高到了3.11％，由此可见低温对提高系统分辨率具有一定的效果，为碲锌镉探测器在X荧光测井中的应用提供了研究基础。
　　5、碲锌镉探测器的空穴载流子寿命通常在1μs左右，小于空穴的收集捕获时间，使得脉冲信号幅度变小，全能峰左移，形成拖尾，导致能量分辨率下降。为了减小电荷捕获效应引起的系统能量分辨率下降，本文设计了数字式的上升时间甄别器，将电荷收集不完全的信号甄别掉。系统采用了上升时间甄别后，分辨率得到了明显的提高。采用西北工业大学研制的探测器，在室温下测量241Am源时的分辨率从7.87％提高到了3.42％，测量137Cs源时的分辨率从2.11％提高到了0.96％。因此，采用上升时间甄别可以显著的提高碲锌镉探测系统的分辨率，为制作高分辨率X射线探测器提供了参考依据。
　　6、本文结合西北工业大学和美国eV公司的碲锌镉探测器，设计了低噪声的电荷灵敏放大器、低噪声的偏压电源、电制片(TEC)的控制电路、数字式的上升时间甄别器等模块，搭建了完整的数字化碲锌镉能谱采集系统。测试对比了国内（西工大）和国外（美国eV公司）探测器的漏电流、结电容、能量分辨率等性能指标。测量了241Am源和137Cs源在不同温度、是否采用上升时间甄别时不同探测器的能量分辨率。最后给出了西工大的探测器在未采用上升时间甄别时测量152Eu源、226Ra源和60Co源所得的结果，通过测试结果分析可知，碲锌镉探测器可用于中低能的伽马射线测量系统，可作为核素识别仪的探头。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 选题意义

1．2 研究现状

1．2．1 碲锌镉探测器的晶体生长方法

1．2．2 碲锌镉探测器的电极制备方法

1．2．3 碲锌镉探测器的应用研究

1．3 本文主要研究内容

第2章 碲锌镉探测器的工作原理及其结构

2．1 碲锌镉探测器的工作原理

2．2 空穴捕获效应的产生原理和解决办法

2．3 碲锌镉探测器的结构

2．3．1 平面型电极结构的碲锌镉探测器

2．3．2 共平栅结构的碲锌镉探测器

2．3．3 弗里希栅格结构的碲锌镉探测器

2．3．4 准半球型结构的碲锌镉探测器

2．3．5 像素型结构的碲锌镉探测器

2．4 碲锌镉探测器的噪声

2．5 本文选取探测器的结构和制作工艺简介

第3章 碲锌镉探测器的主要参数测试

3．1 碲锌镉探测器漏电流测试

3．2 碲锌镉探测器结电容的测试

第4章 碲锌镉探测器核的信号链设计

4．1 电荷灵敏放大器

4．1．1 电荷灵敏放大器的原理图设计

4．1．2 电荷灵敏放大器的PCB布局

4．2 电制冷片的供电与温度控制

4．3 超低纹波偏压电源设计

4．4 数字上升时间甄别器的设计

4．5 数字式多道脉冲幅度分析器简介

第5章 系统测试

5．1 电荷灵敏放大器的测试

5．1．1 输出波形

5．1．2 电荷灵敏度

5．1．3 等效噪声电荷

5．2 偏压电源的测试

5．2．1 偏压电源的噪声

5．2．2 偏压电源的稳定度

5．2．3 偏压电源的带负载能力

5．3 数字式上升时间甄别器的测试

5．3．1 系统对Am-241的能谱测量

5．3．2 系统对Cs-137的能谱测量

5．4 低温实验

第6章 碲锌镉探测器在核素识别仪中的应用

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果