碲鋅鎘(Cd_(1-x)Zn_xTe)晶體自從上世紀(jì)末出現(xiàn)以來,就以其良好的性能而成為頗具吸引力的室溫化合物半導(dǎo)體高能射線探測(cè)器材料。近年來,隨著碲鋅鎘探測(cè)器的不斷發(fā)展,它已逐漸應(yīng)用于X/γ射線能譜和成像探測(cè)的多個(gè)領(lǐng)域,如中國規(guī)模最大的科學(xué)裝置“上海光源”、慣性約束聚變(ICF)領(lǐng)域的“神光”系列原型裝置、核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的正電子發(fā)射斷層掃描成像(PET)與單光子發(fā)射體層成像(SPECT)系統(tǒng)、天文觀測(cè)領(lǐng)域的“高能X射線成像觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡”(EXIST)和“和環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域的智能化個(gè)人輻射定位系統(tǒng)”(IPRL)等。因此,在實(shí)際的應(yīng)用中,研究同時(shí)具備高能譜分辨和空間分辨能力的高性能碲鋅鎘探測(cè)器,具有十分重要的意義。在不同結(jié)構(gòu)的碲鋅鎘探測(cè)器中,共面柵(Coplanar-Grid)探測(cè)器的單極性是最好的,因此更易于得到更好的能譜分辨能力。然而,由于權(quán)重勢(shì)分布的不均勻性和載流子俘獲等因素,探測(cè)器的信號(hào)會(huì)隨著作用點(diǎn)位置的變化而發(fā)生漲落,導(dǎo)致共面柵探測(cè)器的能量分辨率變差,大幅偏離理論值。另外,對(duì)共面柵探測(cè)器的應(yīng)用長(zhǎng)期以來受到了極大的限制,目前仍局限于能譜探測(cè),而尚未涉及到PET和SPECT等X/γ射線成像領(lǐng)域。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的共面柵探測(cè)器在陽極面上只包含單個(gè)共面柵像元(由相互交叉的收集柵和非收集柵組成),因而不具備空間分辨能力。如果要用于成像,就需要在陽極面上制成由多個(gè)共面柵像元組成的陣列結(jié)構(gòu)。但是,一方面,單個(gè)共面柵像元的尺寸受到多個(gè)物理過程(如電荷收集、共享和表面電荷損失等)的影響,如何確定最佳的電極尺寸仍有待研究;另一方面,隨著共面柵像元數(shù)目的增加,讀出電路的復(fù)雜程度急劇增大。因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)的信號(hào)讀出方式,單個(gè)共面柵像元需要兩路前置放大電路分別讀出收集柵和非收集柵上的信號(hào),所以共面柵陣列探測(cè)器的電路復(fù)雜程度將是具有相同像元數(shù)量的像素陣列探測(cè)器的兩倍。這不僅增大了電路成本,而且引入了更多的電路噪聲,極大地限制了探測(cè)器的性能。針對(duì)上述問題,在國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國工程物理研究院聯(lián)合基金項(xiàng)目(No.10876044)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61274048)和重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA90010)的資助下,本文開展的主要研究工作如下:(1)為了對(duì)共面柵探測(cè)器的能譜性能進(jìn)行優(yōu)化,使其更加趨于理論值,研究了探測(cè)器性能一致性的評(píng)價(jià)因素。針對(duì)由權(quán)重勢(shì)分布的不均勻性和載流子的俘獲效應(yīng)分別導(dǎo)致的共面柵探測(cè)器的響應(yīng)在徑向和深度方向的不一致性,分別利用品質(zhì)因數(shù)(FOM)和電荷感生效率(CIE)進(jìn)行量化分析,從而對(duì)電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和載流子俘獲的補(bǔ)償提供依據(jù)。利用FOM對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)在徑向的一致性進(jìn)行表征,定量分析了在電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,外圍保護(hù)柵的寬度wsg、次外圍收集柵的寬度woc以及非收集柵寬度wonc對(duì)權(quán)重勢(shì)分布均勻性的影響;根據(jù)對(duì)權(quán)重勢(shì)的積分推導(dǎo)了CIE更為簡(jiǎn)便的計(jì)算公式,并利用CIE對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)在深度方向的一致性進(jìn)行表征,定量分析了載流子的遷移率壽命積(μeτe、μhτh)、探測(cè)器兩端的偏置電壓Vb以及相鄰收集柵的中心距p對(duì)CIE的影響。(2)為了拓展共面柵碲鋅鎘探測(cè)器的應(yīng)用范圍,探索了將共面柵探測(cè)器應(yīng)用于X/γ射線成像的可行性。經(jīng)過對(duì)電荷收集理論、表面電荷損失效應(yīng)和電子云模型的深入分析,以及對(duì)權(quán)重勢(shì)分布的有限元仿真,優(yōu)化設(shè)計(jì)和制備了同時(shí)具備良好的能譜分辨能力和固有空間分辨能力,從而適于X/γ射線成像的共面柵陣列碲鋅鎘探測(cè)器。探測(cè)器的總體尺寸為7×7×5 mm3,單個(gè)共面柵像元的尺寸為2.3×2.3 mm2,固有空間分辨率達(dá)到了3.3 mm,與早期應(yīng)用于PET的像素陣列碲鋅鎘探測(cè)器相當(dāng)。此外,我們搭建了數(shù)字能譜系統(tǒng),對(duì)探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行了讀出和深度校正。對(duì)于662 keV的γ射線,四個(gè)共面柵像元的能量分辨率分別為2.7%,3.6%,3.1%和3.9%。(3)為了改善共面柵像元的可擴(kuò)展性,以及共面柵碲鋅鎘探測(cè)器應(yīng)用于X/γ射線成像的實(shí)用性,對(duì)單電極讀出方法進(jìn)行了改進(jìn),并據(jù)此設(shè)計(jì)和制備了一個(gè)只需要從收集柵讀出信號(hào)的共面柵陣列碲鋅鎘探測(cè)器,從而極大地降低了其讀出電路的復(fù)雜程度,使其達(dá)到與像素陣列探測(cè)器相當(dāng)?shù)乃健Ｎ覀兪紫葟睦碚撋辖⒘俗顑?yōu)化的相對(duì)增益系數(shù)G和收集柵寬度wc之間的關(guān)系,于是根據(jù)載流子的平均漂移距離(λe、λh)就可預(yù)先確定單電極讀出的共面柵探測(cè)器電極結(jié)構(gòu)(收集柵與非收集柵的最佳寬度wc和wnc)。此外,搭建了模擬能譜系統(tǒng),對(duì)該共面柵探測(cè)器的性能進(jìn)行了測(cè)試。在固有的空間分辨率不變的前提下,對(duì)于662 keV的γ射線,四個(gè)共面柵像元的能量分辨率分別為3.7%,4.1%,4.4%和4.7%。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TL814
【部分圖文】：

[82-87]中，共同研制的裝載在AtlasV-401運(yùn)載火箭上的EXIST原型樣機(jī)如圖1.1(a)所示。原型樣機(jī)包含三個(gè)主要的天文望遠(yuǎn)鏡（HET，SXI和IRT），其中探測(cè)高能X/γ射線的HET天文望遠(yuǎn)鏡由大量碲鋅鎘晶體拼接而成的陣列組成，如圖1.1(b)所示�？偺綔y(cè)面積為4.5 m2，共包含約12.5M像素，空間分辨率為0.6 mm。單塊晶體的尺寸為20×20×5 mm3，包含32×32像素陣列，探測(cè)能量小于600 keV的X/γ射線。在探測(cè)60 keV和511 keV的X/γ射線時(shí)

(c)圖 1.2(a) MRI 兼容 SPECT 系統(tǒng)的示意圖，包括（1）非磁性支架，（2）MRI 鉆孔，（3）病床，（4）非磁性探測(cè)器支架，（5）8 個(gè) ERPC 碲鋅鎘探測(cè)器及其讀出電路，（6）準(zhǔn)直孔，（7）射頻線圈，(b) MRI 兼容 SPECT 系統(tǒng)的橫截面示意，(c) ERPC 原型探測(cè)器示意圖，包含 8 塊拼接而成的碲鋅鎘像素探測(cè)器，總探測(cè)面積 4.4×4.4 cm2Fig. 1.2(a) Schematic diagram of the MRI-compatible SPECT system, which consisting of thefollowing components: 1) a non-magnetic gantry, (2) MRI bore, (3) patient-bed, (4) non-magneticdetector holder, (5) 8 ERPC CdZnTe detectors with front-end readout PCBs, (6) collimationapertures, (7) RF coil, (b) Cross-section of the SPECT /MRI system, (c) A prototype ERPC detectormade up of 8 pixellated CdZnTe detectors, with the total detection area of 4.4×4.4 cm2對(duì)于共面柵碲鋅鎘探測(cè)器，研究主要集中在粒子物理領(lǐng)域和單能譜探測(cè)領(lǐng)域。為了測(cè)試中微子的雙β衰變（0νββ-decay）及其半衰期，并以此為依據(jù)研究中微子的Majorana特性和絕對(duì)質(zhì)量，德國的漢堡大學(xué)和德累斯頓工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)共同在意大利格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室（LNGS）開展了COBRA（CdZnTe 0-Neutrino Double-Beta

14.8×14.7×9.2 mm3的共面柵探測(cè)器制成了一個(gè)小型的γ射線能譜儀樣機(jī)，如圖1.3所示[102]，可以在用戶或計(jì)算機(jī)的控制下探測(cè)和存儲(chǔ)γ射線能譜，在662 keV的γ射線入射時(shí)能量分辨率為2.78%。類似的，由eV公司生產(chǎn)的商用便攜式eV-CPGTM探測(cè)器包含一個(gè)大體積（1 cm3、15×15×7.5 mm3或更大）的共面柵碲鋅鎘探測(cè)器及其讀出電路，如圖1.4所示。當(dāng)探測(cè)器的體積為1 cm3時(shí)探測(cè)的能量范圍為30~13000 keV，在662 keV的γ射線入射時(shí)能量分辨率小于2%~4%。(a) (b)圖 1.3(a) 小型能譜系統(tǒng)使用的共面柵碲鋅鎘探測(cè)器，(b) 小型能譜系統(tǒng)的內(nèi)部照片，包含上側(cè)的數(shù)字板和下側(cè)的探測(cè)器與模擬板Fig. 1.3(a) The coplanar-grid CdZnTe detector used in the pocket-size spectrometer, (b) Inside viewof the pocket-size spectrometer，consisting of the digital board (at the top) and the detector as well asthe analog board (at the bottom)在國內(nèi)
【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2851226