發(fā)布時(shí)間：2020-04-23 07:04

【摘要】：碲鋅鎘(CdZnTe,CZT)半導(dǎo)體探測(cè)器是國(guó)際上最近研究出來的一種新型射線探測(cè)器,它具有分辨率高、吸收系數(shù)大、探測(cè)效率高、使用方便、體積小等特點(diǎn),且能在常溫條件下工作。在5keV~2MeV的能量探測(cè)范圍內(nèi)無極化現(xiàn)象,而且易于加工,配合上低噪聲的電荷靈敏放大器,可做成緊湊、高效、高分辨率的伽馬射線探測(cè)裝置,廣泛的用于安檢、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷、核素識(shí)別和天體X射線望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)碲鋅鎘晶體已有較為成熟的生長(zhǎng)技術(shù),能夠較為容易的獲得滿足各種測(cè)量條件的碲鋅鎘晶體,從而制作成具有特定功能的碲鋅鎘探測(cè)器。而對(duì)碲鋅探測(cè)器的應(yīng)用研究還處于起步階段,在很多領(lǐng)域還沒有成熟的應(yīng)用解決方案,完全自主開發(fā)并成功應(yīng)用于產(chǎn)品的核信號(hào)鏈設(shè)計(jì)較少見報(bào)道,較多是采用國(guó)外Amptek、Canberra等公司的電荷靈敏放大器與數(shù)字多道脈沖幅度分析器獲取實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的核脈沖信號(hào)與譜線,尤其是能夠克服碲鋅鎘探測(cè)器空穴捕獲拖尾效應(yīng)而設(shè)計(jì)的數(shù)字多道脈沖幅度分析器在國(guó)內(nèi)未見有報(bào)道。因此,本文開展了對(duì)碲鋅鎘探測(cè)器的特性測(cè)試實(shí)驗(yàn),并根據(jù)探測(cè)器的實(shí)測(cè)性能參數(shù),設(shè)計(jì)了優(yōu)化的前端信號(hào)讀出電路及其前端數(shù)字核信號(hào)鏈,為碲鋅鎘探測(cè)器在高分辨率X射線探測(cè)器、X熒光測(cè)井、核素識(shí)別中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。本文的主要研究成果有:1、搭建了碲鋅鎘探測(cè)器的測(cè)試平臺(tái)并完成了主要參數(shù)的測(cè)試工作。以西北工業(yè)大學(xué)(西工大)研制的4mm×4mm×2mm的準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)探測(cè)器和美國(guó)eV公司4mm×4mm×2mm的CaptureTM plus結(jié)構(gòu)探測(cè)器為例,在不同溫度下測(cè)試了這兩款探測(cè)器的漏電流隨所加偏壓的關(guān)系以及其結(jié)電容隨偏壓之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明,西北工業(yè)大學(xué)研制的探測(cè)器在相同溫度和相同偏壓下的漏電流低于美國(guó)eV公司,并且其結(jié)電容也小于美國(guó)eV公司。2、考慮到探測(cè)器的結(jié)電容、漏電流等參數(shù)以及探測(cè)器與場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)的匹配、PCB布局等問題,本文采用典型的折疊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了低噪聲的電荷靈敏放大器(CSA),該電荷靈敏放大器在常溫23℃下的零電容噪聲為615個(gè)電子,噪聲斜率為5.45電子/pF;制冷到-32℃時(shí)的零電容噪聲為391個(gè)電子,噪聲斜率為4.51電子/pF。3、以高效率、高開關(guān)頻率的開關(guān)電源芯片MAX668為核心,結(jié)合倍壓整流電路,設(shè)計(jì)了效率高、體積小、紋波低的偏壓電源,該偏壓電源的輸出電壓最高可達(dá)800V,在輸出偏壓350V時(shí),輸出電流大于400μA,紋波小于6mV。4、選擇了合適的電制冷器件TEC,并采用溫度負(fù)反饋的方式設(shè)計(jì)了高效率的控制電路給碲鋅鎘探測(cè)器和CSA制冷,以降低探測(cè)器和CSA工作時(shí)的噪聲,提高分辨率。采用西北工業(yè)大學(xué)研制的探測(cè)器測(cè)量241Am源,將探測(cè)器和CSA制冷到-20℃,在未采用上升時(shí)間甄別時(shí),分辨率從室溫的7.87%提高到了7.12%,采用了上升時(shí)間甄別時(shí),分辨率從室溫的3.42%提高到了3.11%,由此可見低溫對(duì)提高系統(tǒng)分辨率具有一定的效果,為碲鋅鎘探測(cè)器在X熒光測(cè)井中的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。5、碲鋅鎘探測(cè)器的空穴載流子壽命通常在1μs左右,小于空穴的收集捕獲時(shí)間,使得脈沖信號(hào)幅度變小,全能峰左移,形成拖尾,導(dǎo)致能量分辨率下降。為了減小電荷捕獲效應(yīng)引起的系統(tǒng)能量分辨率下降,本文設(shè)計(jì)了數(shù)字式的上升時(shí)間甄別器,將電荷收集不完全的信號(hào)甄別掉。系統(tǒng)采用了上升時(shí)間甄別后,分辨率得到了明顯的提高。采用西北工業(yè)大學(xué)研制的探測(cè)器,在室溫下測(cè)量241Am源時(shí)的分辨率從7.87%提高到了3.42%,測(cè)量137Cs源時(shí)的分辨率從2.11%提高到了0.96%。因此,采用上升時(shí)間甄別可以顯著的提高碲鋅鎘探測(cè)系統(tǒng)的分辨率,為制作高分辨率X射線探測(cè)器提供了參考依據(jù)。6、本文結(jié)合西北工業(yè)大學(xué)和美國(guó)eV公司的碲鋅鎘探測(cè)器,設(shè)計(jì)了低噪聲的電荷靈敏放大器、低噪聲的偏壓電源、電制片(TEC)的控制電路、數(shù)字式的上升時(shí)間甄別器等模塊,搭建了完整的數(shù)字化碲鋅鎘能譜采集系統(tǒng)。測(cè)試對(duì)比了國(guó)內(nèi)(西工大)和國(guó)外(美國(guó)eV公司)探測(cè)器的漏電流、結(jié)電容、能量分辨率等性能指標(biāo)。測(cè)量了241Am源和137Cs源在不同溫度、是否采用上升時(shí)間甄別時(shí)不同探測(cè)器的能量分辨率。最后給出了西工大的探測(cè)器在未采用上升時(shí)間甄別時(shí)測(cè)量152Eu源、226Ra源和60Co源所得的結(jié)果,通過測(cè)試結(jié)果分析可知,碲鋅鎘探測(cè)器可用于中低能的伽馬射線測(cè)量系統(tǒng),可作為核素識(shí)別儀的探頭。
【圖文】：

圖中 C19 為反饋電容 Cf，由于碲鋅鎘探測(cè)器的輸出電荷量非常小，對(duì)241Am-59.5keV 的 X 射線，其輸出電荷量通常在 0.5fC 量級(jí)，因此反饋電容也要比較小才能獲得較大的電壓信號(hào)，，因此本設(shè)計(jì)采用 3 個(gè) 0.1pF 的電容串聯(lián)，以獲得較低的反饋電容。

圖 4-3 通過 Keep-Out Layer 將輸入節(jié)點(diǎn)孤立在板子的頂層和底層敷銅時(shí)，在探測(cè)器 D1 plane 層在 JFET 管子的輸入端下面也不用敷6V 和-6V 兩塊，以獲得盡可能大的信噪比。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL814

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 張嵐;李元景;毛紹基;鄧智;李樹偉;;半導(dǎo)體探測(cè)器綜述及CdZnTe探測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)[A];全國(guó)第五屆核儀器及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

本文編號(hào)：2637481