不同厚度像素CdZnTe探测器的性能测试和评估

碲锌镉材料(CdZnTe)是目前探测X射线和γ射线的最好材料之一。将241 Am和137 Cs辐射源作用于像素CdZnTe探测器,通过实验和仿真分别得到能量谱估计、能量分辨率和峰值效率。由实验和仿真结果得出:在662keV的高能量下,厚度较大的CdZnTe探测器可获得更高的能量分辨率和峰值效率,但在59.5keV低能处会出现拖尾升高和电荷损失的现象;厚度较薄的探测器在低能处的特性反而更好。     

CdZnTe像素阵列探测器成像评价模型及实验

考虑载流子陷获效应建立了碲锌镉(CdZnTe)像素阵列探测器感应电荷分布模型,并从非平衡载流子连续方程出发,推导了晶体内部陷获载流子数密度分布,得到了CdZnTe探测器成像调制传递函数评价模型。数值计算结果表明:随入射光子能量的增加,探测器成像质量明显下降;当电子载流子与空穴载流子迁移寿命积范围分别为0.510-3 to 5.010-3 cm2/V,2.010-5 to 7.510-5 cm2/V时,电子载流子感应信号是探测器响应信号的主要来源,而空穴迁移寿命积变化对探测器成像性能的影响有限,所建立模型的载流子收集特性与实际探测器载流子收集特性相符。搭建了40 mm40 mm的CdZnTe成像探测系统,探测并获得了系统预采样调制传递函数。实验结果表明:模型理论值与实验数据相符合,实际CdZnTe晶体中存在的固有深能级缺陷、实验所采用的非单色性X射线源及较大的实际像素间隙是造成理论值与实验结果存在一定偏差的主要原因。     

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.     

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。     

碲锌镉面元辐射探测器堆积载流子屏蔽效应

 采用铑(Rh)靶45 kV X射线源进行了碲锌镉(CdZnTe)面元像素阵列探测器成像实验。实验结果表明：在探测距离1 mm,管电压45 kV条件下,管电流增大至20 μA时,辐照中心区域像素单元信号丢失,出现围绕辐照中心区域的边缘高事件计数环形探测图像。随着管电流的增大,无响应像素区域扩大,探测器总体事件计数明显降低。进一步根据泊松方程建立了CdZnTe晶体内部电势分布模型,仿真结果表明：单位面积光子通量为5×10⁵ mm^-2·s^-1时,由于CdZnTe晶体较低的空穴迁移率,晶体内部存在堆积空穴载流子形成的高空间电荷密度分布区域。晶体内部电场产生扭曲,电子载流子无法迁移至对应阳极位置,导致辐照中心区域产生信号屏蔽效应。     

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。     

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。     

Intensifying process of polarization effect within pixellated CdZnTe detectors for X-ray imaging

The intensifying process of polarization effect at room temperature in a pixellated Cadmium zinc telluride (CdZnTe) monolithic detector is studied. The process is attributed to the increase in build up space charges in the CdZnTe crystal, which causes an expansion of the space charge region under the irradiated area. The simulations of electric potential distributions indicate that the distorted electric potential due to the high X-ray flux is significantly changed and even deteriorated due to increasing space charges within the irradiated volume. An agreement between the space charge distribution and electric potential is discussed.     

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。