CdZnTe平面探测器对低能X/γ射线的光谱响应

基于3片不同条件下生长的CdZnTe晶片制备出平面电极(Planar)探测器CZT1、CZT2及CZT3.分析室温下3个探测器在不同场强作用下对低能X/γ射线的光谱响应,并结合相应晶体材料的载流子迁移特性和掺杂剂的浓度以及存在状态,归纳影响探测器分辨率的原因.掺杂In浓度高的探测器CZT1,由于材料中存在的深能级缺陷Cd2+i,作为电子的俘获中心,影响了载流子的收集效率,进而降低了探测器的能量分辨率;掺杂In浓度低的探测器CZT2对不同能量X/γ射线均具有较好的能量分辨率;而Al掺杂探测器CZT3,由于Al间隙原子Ali的存在作为电子的散射中心,最终影响了收集效率及能量分辨率.     

三级GEM气体探测器性能的实验研究

GEM探测器是一种新型微型气体探测器(Micro-Pattern Gas Detector), 在粒子物理实验及低能X射线成像系统中有着较大的应用前景. 文章研制了一种适用于低能X射线成像和带电粒子径迹测量的三级GEM气体探测器. 使用放射源⁵⁵Fe对其气体放大特性、电荷传输效率及能量分辨本领等性能进行了实验研究, 重点研究了传输区电场对气体有效增益和能量分辨本领的影响. 实验结果表明, 三级GEM探测器的暗电流和噪声较小, 有效增益能够达到10⁵以上并稳定地工作, 对5.9keV的X射线能量分辨率可达24%, 传输区电场强度大于3000V/(cm.atm)时, 能量分辨率基本稳定在30%左右.     

叠层碲锌镉探测器制备及γ能谱特性测试

实验制备了单层和叠层(双层)碲锌镉探测器,并利用241Am@59.54 keV和57Co@122 keV γ射线源测试了其γ能谱特性。相比单层探测器,对于较高能量的57Co@122 keV γ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。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。     

双层并联碲锌镉探测器制备及性能测试

实验采用并联方法制备了叠层(双层)碲锌镉探测器,并利用241Am@59.54 keV和57Co@122 keV γ射线源测试了其γ能谱特性。相比单层探测器,对于较高能量的57Co@122 keV γ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。叠层CZT探测器较之单层探测器,能谱分辨率发生轻微恶化。实验初步表明,通过并联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。     

Si-PIN与CdTe探测器应用于X射线荧光能谱测量的研究

半导体探测器具有优异的性能因而被广泛应用于能量色散X射线荧光测量,以传统型Si-PIN半导体探测器与复合型CdTe半导体探测器为研究对象,分别从材料属性、探测效率、能量分辨率等方面对两种探测器进行对比,重点分析探测器灵敏区厚度、入射X射线能量、后级电路成型时间等因素对其性能的影响,并对由逃逸峰、空穴拖尾效应所导致的X射线荧光能谱的差异进行分析;同时,针对探测器空穴收集不完全的问题,基于FPGA设计了带有上升时间甄别功能的数字多道脉冲幅度分析器,能够有效消除空穴拖尾的影响,提高能量分辨率。从实验结果可知:对能量低于15keV的射线,Si-PIN与CdTe探测器的探测效率基本相当;对能量大于15keV的射线,CdTe探测器的的探测效率明显占优;Si-PIN探测器的最佳成形时间约为10μs,CdTe探测器的最佳成形时间约为2.6μs,因而CdTe探测器更适用于高计数率条件;对于不同能量的X射线,Si-PIN探测器的能量分辨率优于CdTe探测器;CdTe探测器具有明显的空穴拖尾效应,将CdTe探测器与带上升时间甄别功能的数字多道脉冲幅度分析器配合使用,其能量分辨率显著提高。     

一种聚焦型X射线探测器在轨性能标定方法

X射线探测器是X射线天文观测及脉冲星导航的核心器件,受发射振动、高能粒子辐射损伤及元器件老化等影响,X射线探测器空间观测性能会逐渐变化,X射线探测器在轨标定有利于观测天体X射线辐射信息的准确获取及精确建模.研究利用了脉冲星辐射能谱标定X射线探测器性能的方法,能较好地消除探测器本底及空间环境噪声的影响,通过处理脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1卫星)的Crab脉冲星观测数据,评估了我国首款聚焦型X射线探测器的在轨性能.计算结果表明,XPNAV-1卫星上聚焦型X射线探测器的有效面积在0.6-1.9 keV能段内优于2 cm~2,其中在0.7 keV能量处取得最大值3.06 cm~2,探测效率约10%;有效面积随着探测能量增大而减小,在2—3.5 keV能段内有效面积约为1 cm~2,而大于5 keV能段的有效面积约为0.1 cm~2,且此能段估计精度明显受光子统计误差影响.同时研究了考虑能量响应矩阵的探测器有效面积标定新方法,利用地面性能测试中五个特征能谱处的能量分辨率重构其能量响应矩阵,重新标定了聚焦型X射线探测器有效面积,发现该能量响应矩阵对结果影响较小.最后建议观测某些超新星遗迹监测能量分辨率及能量线性等指标的变化.     

基于CdZnTe像素阵列探测技术的伽玛源成像

根据高能射线针孔成像理论,采用CdZnTe像素阵列探测器建立了直接成像探测模式的伽玛源针孔探测系统。测试分析了CdZnTe像素阵列探测器的能量分辨力及峰值效率,讨论研究了针孔成像探测系统的调制传递函数和附加噪声特性,测试获得直径5mm137Cs源的探测图像,采用Lucy-Richardson迭代算法得到了137Cs源的复原图像。实验结果表明:CdZnTe探测器对662keV137Cs源的能量分辨力为6.25%～7.50%,峰值效率65.0%～72.5%;成像系统探测图像存在一定扩散现象,所采用的Lucy-Richardson迭代复原算法能较好地修正图像扩散,提高探测图像中心区域细节分辨力;估算所得137Cs源尺寸误差约0.5mm,所建立的CdZnTe针孔成像探测系统能有效得到小尺寸伽玛源的辐照强度分布及尺寸信息。     

空间硬X射线编码孔成像望远镜样机的研制及初步实验结果

介绍了研制的一台空间硬X射线编码孔成像望远镜样机, 使用的位置灵敏探测器为CdZnTe半导体阵列探测器, 面积50mm×50mm, 位置分辨1.6mm. 码板材料为钨铁镍合金, 厚度0.7mm, 码元素尺寸3.2mm×3.2mm. 介绍了码板的编码技术、光学设计和图像重建方法. 实验室测定了样机的性能, 探测器对59.54keV(²⁴¹Am)的能量分辨率为11.6%. 成像实验对单个伽玛射线源的定位 精度为0.12°, 双源角分辨好于0.42°.     

公共格栅像素CdZnTe探测器的能谱特性

使用同一块CdZnTe晶体设计制作了像素大小不等的4×4公共格栅像素CdZnTe探测器。通过能谱测定实验及权重势和电场仿真,研究了公共格栅像素CdZnTe探测器中的小像素效应和引导效应。结果表明:由于小像素效应较弱,较大的像素不能有效消除"空穴拖尾",能谱特性较差;由于晶体内部以及像素和公共格栅间隙表层的电荷损失,较小的像素能谱特性也较差。在像素宽度为0.8 mm时,得到了对662keV的137Cs放射源的最佳能量分辨率3.80%和峰谷比5.65。适当增大公共格栅偏压可以引导电子向阳极像素运动,促进电荷的完全收集,改善探测器的能谱特性。过大的偏压则会造成像素和公共格栅间表面漏电流的增加,探测器的能谱特性也会恶化。在像素宽度为0.8mm时最佳偏压为-60V。     

直接解调方法在嫦娥一号卫星X射线谱仪地面验证实验数据分析中的应用

"嫦娥一号"卫星是我国的第一颗月球探测卫星,运行轨道高度为200 km,预计工作寿命为一年,其上配备的X射线成像谱仪具备了对月表进行X射线探测、成像和对太阳X射线进行监测的功能.该X射线谱仪由两个全同的探测器阵列组成,其中,为了实现对月表主要化学元素分布及其含量进行探测的科学目标,在每个探测器阵列还配备了2个低能探测器单元.这4路低能探测器单元的面积为25 mm2,采用的都是厚度为500 μm,具有优良探测性能的Si-PIN探测器,其探测能区为1～10 keV,能量分辨率为～5%@5.9 kev.文章主要介绍了嫦娥一号卫星X射线谱仪的地面验证实验,并且根据X射线谱仪的能量响应矩阵,利用直接解调方法和基本参数法对X射线谱仪地面验证实验中的探测数据,特别是对盲测样品中的Mg,Al,Si等元素进行了定性和定量分析.     

CdZnTe像素探测器的电输运性能

碲锌镉(CdZnTe)是一种性能优异的室温核辐射半导体探测器材料,广泛应用于核安全、核医学以及空间科学等领域.然而,传统的CdZnTe平面探测器受制于"空穴拖尾"效应的影响,探测性能有待改善.采用改进的垂直布里奇曼法生长的In掺杂Cd_(0.9)Zn_(0.1)Te单晶制备出单载流子收集的4×4像素阵列探测器,通过电流-电压(I-V)测试和γ射线能谱响应测试,研究了像素探测器的电学性能和载流子电输运性能,随之与相应的CdZnTe平面探测器进行了性能对比.结果表明,CdZnTe像素探测器的电阻率约为1.73×10~(10)?·cm,且施加100 V偏压后单像素点的最大漏电流小于2.2 nA;当施加偏压升高至300 V时,单像素点对~(241)Am@59.5 keV的γ射线的最佳能量分辨率可达5.78%,探测性能优于相同条件下制备的CdZnTe平面探测器.     

高剂量X射线辐照下碲锌镉探测器的深度极化效应

采用双向辐照的方法研究了碲锌镉晶体中的深度极化效应,实验结果表明,深度极化效应与直接辐照的X射线剂量无关。通过对晶体内电场分布的模拟,进一步分析了深度极化的形成机制,认为深度极化效应与极化效应一样,都是由于高浓度的堆积电荷使得晶体内电势畸变从而阳极不能收集信号,但它与通常极化效应有所不同,造成这种极化的高浓度空间电荷是从更高浓度的空间电荷区扩散而来的,发生深度极化的区域本身并没有受到X射线的强烈辐照。     

Investigation of the Imaging Polarization Effect Based on a Pixellated CdZnTe Detector

A pixel array CdZnTe imaging system, employing a 40 × 40× 5 mm^3 pixellated CdZnTe detector, is established. The imaging polarization effect in the CdZnTe pixellated detector for a collimated CS137 Gamma source is investigated in detail. The experimental results for different irradiated fluxes indicate that excessive irradiated flux indeed causes central pixels to be shut off completely. The imaging performance of the polarized detector is severely degraded. Polarized detector counts are simultaneously reduced to one-third of the non-polarized detector counts. A theoretical model of potential distribution is also proposed by solving the Poisson equation and, in turn, the electric potential distortion for high irradiated flux is discussed by comparison with the experimental results.     

Investigation of a CPG‐array CdZnTe γ‐ray imaging detector with single collecting electrodes readout

The single‐electrode readout method has been applied to a coplanar grid (CPG) array CdZnTe detector in order to halve the number of preamplifiers previously needed and to facilitate imaging applications of CPG detectors. A method of predetermining the width of the optimum collecting electrodes has also been proposed, using the calculated optimum relative gain factor G. Meanwhile, a detailed process for calculating the charge induction efficiency (CIE) is presented. To simplify the calculation process, the computational formula of the CIE was deduced through the integration of the weighting potential. For performance evaluation, a 2 × 2 CPG‐array CdZnTe detector was elaborately designed and tested with ¹³⁷Cs at 662 keV. Experimental results showed the capability of using the CPG‐array CdZnTe detector with single collecting electrode readout for γ‐ray imaging applications, with the same complexity of associated readout electronics as that of the pixelated CdZnTe detectors.     

高能伽玛源下碲锌镉探测器的针孔成像

采用新型室温碲锌镉(CdZnTe)辐射探测器,通过厚针孔系统对137Cs高能662 keV伽玛射线辐射源进行成像探测,得到了能谱图和放射源图像。计算分析了高能射线穿透效应对空间分辨力的影响,并对不同偏压下得到的图像进行比较与讨论。实验表明,当放大倍率不大时(小于3),高能射线对准直器材料的穿透效应增大是限制图像空间分辨力的主要因素,探测器像素尺寸的大小对图像空间分辨力的影响并不明显。随偏置电压升高,探测器得到的图像会得到改善,但过大的偏压(大于1 000 V)会使晶体内部的电场不均匀性增大,降低信噪比从而降低图像品质。     

Combining CdTe and Si detectors for Energy‐Dispersive X‐Ray Fluorescence

Most energy‐dispersive X‐ray fluorescence (EDXRF) instruments use Si diodes as X‐ray detectors. These provide very high energy resolution, but their sensitivity falls off at energies of 10–20 keV. They are well suited for measuring the K lines of elements with Z < 40, but for heavier elements, one must use K lines at low efficiency or use L or M lines that often overlap other lines. Either is a challenge for accurate quantitative analysis. CdTe detectors offer much higher efficiency at high energy but poorer energy resolution compared with Si diodes. In many important EDXRF measurements, both high and low Z elements are present. In this paper, we will compare the precision and accuracy of systems using the following: (1) a high resolution Si detector, (2) a high efficiency CdTe detector, and (3) a composite system using both detectors. We will show that CdTe detectors generally offer better analytical results than even a high resolution silicon drift detectors for K lines greater than 20 or 25 keV, whereas the high resolution Si detectors are much better at lower energies. We will also show the advantages of a combined system, using both detectors. Although a combined system would be more expensive, the increased accuracy, precision, and throughput will often outweigh the small increase in cost and complexity. The systems will be compared for representative applications that include both high and low Z elements. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.