一种宽能谱脉冲伽马探测器的制作方法
专利名称：一种宽能谱脉冲伽马探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脉冲伽马探测器，尤其涉及一种碲锌镉(CZT)半导体脉冲伽马探
观!l器。
背景技术：
探测瞬态核反应产生的脉冲伽马射线辐射场参数，是诊断核反应动作过程及其特性的主 要手段之一。裂变、聚变反应过程产生的伽马射线能谱都很宽，强度变化范围极大，不同时 刻、不同区域产生的源粒子能量都在变化、不同能量的源粒子数目也有很大的差异，宽能谱 、大动态的时间一强度谱绝对测量，是获得核反应动力学特性参数和其他重要参数的基础。 为在剧烈核反应极端环境下获得伽马射线时间一强度谱(粒子数目随时间变化)波形的精确数
据，实施对核反应过程特性的有效诊断，迫切需要研制具有纳秒时间响应，在O. 5 14MeV区 间具有较平坦能量响应，特别是探测灵敏度基本不随能量变化的伽马探测器，这是该领域研 究者一直追求的目标。
辐射场的伽马射线诊断参数从伽马射线时间一强度谱的时间和强度的"双绝对测量量" 测量中获得。瞬态核反应产生的伽马辐射场动态范围大、能量分布范围宽(0 15MeV)、上升 时间快(为纳秒量级)、能谱细节不能准确知晓(至今尚未找到脉冲伽马射线能谱的精确测量 方法)，成为脉冲辐射场时间一强度绝对测量与伽马射线诊断的一个难题。
目前用于较低强度脉冲伽马射线测量的闪烁探测器，其灵敏度对能量很敏感；而用于高 强度伽马射线测量的康普顿探测器，虽然能量响应明显改善，但其能量响应只在局部平坦， 常用到的半导体探测器(Si-PIN探测器、高纯锗(HPGe)探测器)也是如此。严格来说，这 些探测器均难以完全满足高精度伽马射线时间一强度谱的精确测量要求。
因此，研制具有适当灵敏度，能量响应平坦的脉冲伽马探测器，而且其具有较快的时间 响应(1 3ns)，大的动态范围，在O. 5MeV 14MeV伽马能量范围内具有较为理想的响应， 综合性能优异的脉冲伽马探辐射测器一直是脉冲伽马辐射场时间-强度谱准确测量的当务之急、。
发明内容
为了解决现有背景技术中存在的问题，本发明提供了一种具有高的探测效率、较快的时间响应特性、在0.5MeV 14MeV伽马能量范围内具有非常平坦的能量响应，漏电流小、无极 化效应以及在室温下具有很好的能量分辨能力的宽能谱脉冲伽马探测器。 本发明的技术解决方案
一种宽能谱脉冲伽马探测器，包括探测半导体以及分别与探测半导体上下两端连接的两 个电极，其特殊之处在于其中探测半导体为碲锌镉晶体制成的碲锌镉晶片，所述碲锌镉晶 片的晶体结构为Cch-xZnxTe，其中f0. 1;所述电极材料为金；所述碲锌镉晶片厚度为O. 5mm 1.2mm，碲锌镉晶片厚度为0.5mm 0.8mm较优，最优的碲锌镉晶片厚度为O. 7mm。
以上所述宽能谱脉冲伽马探测器还包括处理电路和导电壳，所述两个电极通过导电壳接 于处理电路中。
以上所述宽能谱脉冲伽马探测器为MSM型结构探测器。
本发明所具有的优点
1、 本发明首次获得特定厚度(0.5mm 1.2mm)的碲锌镉半导体伽马探测器(CZT探测器 )在0.5MeV 14MeV伽马(X射线)能区具有较理想的能量响应的结论。在上述能区其灵敏度随 能量变化极差小于15%，远优于现有一些用于脉冲核辐射场诊断的探测器在该能区存在的数 倍甚至数十倍的能量响应差异。这一特性可大幅度提高复杂能谱脉冲伽马射线强度测量精度 ，表明CZT探测器是目前为止获得的能量响应最为理想的脉冲辐射探测器。
2、 本发明将传统的探测半导体更换成碲锌镉半导体，使本发明的探测器具有高的探测 效率、较快的时间响应特性、在0.5MeV 14MeV伽马能量范围内具有非常平坦的能量响应， 漏电流小、无极化效应以及在室温下具有很好的能量分辨能力。
3、 探测效率高。本发明的电极采用金电极，碲锌镉晶片的厚度为0.5mm 1.2mm，在考 虑射线的入射面时采用对射线的阻止本领强、原子序数大的碲面入射；同时考虑到贯穿性射 线的特点，选用MSM型探测器结构，以提高探测器的探测效率。
4、 本发明可用于脉冲核辐射探测及其能量响应。
图l是本发明的碲锌镉探测器的简化结构示意图； 图2是本发明的碲锌镉探测器的结构示意图； 图3是本发明碲锌镉(CZT)晶体与伽马射线作用能量沉积过程； 图4是本发明碲锌镉探测器探测原理示意图； 图5是MCNP能量沉积计算模型；
图6是y射线在Si-PIN中沉积的能量与入射能量的变化；图7是y射线在不同厚度CZT中沉积的能量与入射能量的关系； 图8是不同模拟程序对同一厚度CZT探测器y灵敏度模拟计算结果； 其中l-电极，2-探测半导体，3-绝缘部件，4-导电壳。
具体实施例方式
如图l所示为本发明宽能谱脉冲伽马探测器简化结构示意图，包括处理电路、碲锌镉晶 片制成的探测半导体2以及分别与探测半导体2上下两端连接的两个电极1，如图2所示为本发 明MSM型(金属-半导体-金属)结构的宽能谱脉冲伽马探测器示意图，包括探测半导体2以及 分别与探测半导体上下两端连接的两个电极l，两个电极1通过导电壳4接于处理电路中，探 测半导体的左右两端设置有绝缘部件3。该碲锌镉晶片的晶体结构为Cch-xZnxTe，其中针对本 发明脉冲辐射探测来说，x最佳取值为O. 1。因为，当X的值增大的时候其晶体的硬度增加， 并且比较脆，不好加工成为探测器；当X的值较小的时候，电阻率较低。晶片厚度为0.5mm 1.2mm;较佳厚度为O. 5mm 0. 8mm，最佳厚度为O. 7mm。电极材料为金，能形成较好的欧姆接 触。
本探测器的探测原理为伽马射线穿过CZT晶体时，沿着入射路径与晶体内的碲、锌、 镉原子发生能量的交换作用，全部或者部分的损失掉能量，在CZT晶体中产生电子-空穴对， 在处理电路偏压作用下，电子-空穴对分别向两极板漂移被收集，在处理电路中形成电流信 号，通过小电流计或者示波器显示读出。CZT晶体与伽马射线作用能量沉积过程见图3。图4 为CZT探测器探测原理示意图。
要得至l」CZT探测器对y射线的能量响应关系，首先就需要计算伽马射线在CZT晶体中的净 沉积能量。在计算中采用美国Los Alamos国家实验室应用理论物理部的Monte Carlo小组研 制开发的用于计算复杂三维几何结构中的粒子输运的大型多功能蒙特卡罗程序抓MCNP程序。 在计算中建立了图5所示的模型。同时用此模型对目前核辐射探测中最经典的Si-PIN探测器 进行了比较，其模拟计算结果分别见图6和图7。从图中很明显可以得到，对于伽马射线，在 整个O. 5MeV-14MeV能量范围内，CZT探测器的能量响应比Si-PIN探测器更加理想。
为了验证MCNP程序对CZT探测器计算的正确性，采用了另外一种大型辐射模拟计算程序 Geant4。 Geant4是由欧洲核子中心(CERN)开发的，用于精确模拟粒子穿过物质的过程的一 个自由软件包。以O. 7mm的CZT探测器为例分别用MCNP和Geant4模拟计算的结果如图8所示。 由图8可知，两种计算方法得到的结果自洽性很好，证明了CZT探测器在很宽的能量范围内具 有非常良好的能量响应特性。
为了确定不同材料接触的欧姆性，将I-V曲线按I(v) ^Vb的形式进行非线性拟合，其中:a为常数，b为欧姆系数，当b^时为完全欧姆接触。拟合的结果为:
Au:r=1. 253X 10—-10V。.98722
Cu/Ag:=6. 879X 10—-iiV1.18786
Al:I:=4.611X10—-iiV1.15261
Ti:I:=2. 135X10—-iiV1.20868
其中，Au与CdZnTe晶体接触的欧姆系数b为O. 98722,最接近于l。因此，在相同的 表面状况下，即在相同表面态密度下，4种接触电极材料中，Au膜最容易与弱P型CdZnTe晶体 (CZT晶体)表面形成欧姆接触。
权利要求
1.一种宽能谱脉冲伽马探测器，包括探测半导体以及分别与探测半导体上下两端连接的两个电极，其特征在于所述探测半导体为碲锌镉晶体制成的碲锌镉晶片，所述碲锌镉晶片的晶体结构为Cd1-XZnXTe，其中x＝0.1；所述电极材料为金；所述碲锌镉晶片厚度为0.5mm～1.2mm。
2. 根据权利要求l所述的宽能谱脉冲伽马探测器，其特征在于所述 碲锌镉晶片厚度为O. 5mm 0. 8mm。
3. 根据权利要求2所述的宽能谱脉冲伽马探测器，其特征在于所述 碲锌镉晶片厚度为O. 7mm。
4. 根据权利要求1或2或3所述的宽能谱脉冲伽马探测器，其特征在于 :所述宽能谱脉冲伽马探测器还包括处理电路和导电壳，所述两个电极通过导电壳接于处理 电路中。
5. 根据权利要求4所述的宽能谱脉冲伽马探测器，其特征在于所述 宽能谱脉冲伽马探测器为MSM型结构探测器。
全文摘要
本发明涉及一种宽能谱脉冲伽马探测器，包括探测半导体以及分别与探测半导体上下两端连接的两个电极，探测半导体为碲锌镉晶体制成的碲锌镉晶片，碲锌镉晶片的晶体结构为Cd<sub>1-X</sub>Zn<sub>X</sub>Te，其中x＝0.1；所述电极材料为金；碲锌镉晶片厚度为0.5mm～1.2mm。本发明提供了一种具有高的探测效率、较快的时间响应特性、在0.5MeV～14MeV伽马能量范围内具有非常平坦的能量响应，漏电流小、无极化效应以及在室温下具有很好的能量分辨能力的宽能谱脉冲伽马探测器。具有灵敏度高，能量响应平坦，而且其具有较快的时间响应(1～3ns)，大的动态范围，在0.5MeV～14MeV伽马能量范围内具有较为理想的响应等优点。
文档编号G01T1/24GK101609155SQ20091030521
公开日2009年12月23日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者刘林月, 宋纪文, 刚 李, 欧阳晓平, 潘洪波, 涛 王, 陈莉静 申请人:西北核技术研究所
技术领域：
本发明涉及一种脉冲伽马探测器，尤其涉及一种碲锌镉(CZT)半导体脉冲伽马探
观!l器。
背景技术：
探测瞬态核反应产生的脉冲伽马射线辐射场参数，是诊断核反应动作过程及其特性的主 要手段之一。裂变、聚变反应过程产生的伽马射线能谱都很宽，强度变化范围极大，不同时 刻、不同区域产生的源粒子能量都在变化、不同能量的源粒子数目也有很大的差异，宽能谱 、大动态的时间一强度谱绝对测量，是获得核反应动力学特性参数和其他重要参数的基础。 为在剧烈核反应极端环境下获得伽马射线时间一强度谱(粒子数目随时间变化)波形的精确数
据，实施对核反应过程特性的有效诊断，迫切需要研制具有纳秒时间响应，在O. 5 14MeV区 间具有较平坦能量响应，特别是探测灵敏度基本不随能量变化的伽马探测器，这是该领域研 究者一直追求的目标。
辐射场的伽马射线诊断参数从伽马射线时间一强度谱的时间和强度的"双绝对测量量" 测量中获得。瞬态核反应产生的伽马辐射场动态范围大、能量分布范围宽(0 15MeV)、上升 时间快(为纳秒量级)、能谱细节不能准确知晓(至今尚未找到脉冲伽马射线能谱的精确测量 方法)，成为脉冲辐射场时间一强度绝对测量与伽马射线诊断的一个难题。
目前用于较低强度脉冲伽马射线测量的闪烁探测器，其灵敏度对能量很敏感；而用于高 强度伽马射线测量的康普顿探测器，虽然能量响应明显改善，但其能量响应只在局部平坦， 常用到的半导体探测器(Si-PIN探测器、高纯锗(HPGe)探测器)也是如此。严格来说，这 些探测器均难以完全满足高精度伽马射线时间一强度谱的精确测量要求。
因此，研制具有适当灵敏度，能量响应平坦的脉冲伽马探测器，而且其具有较快的时间 响应(1 3ns)，大的动态范围，在O. 5MeV 14MeV伽马能量范围内具有较为理想的响应， 综合性能优异的脉冲伽马探辐射测器一直是脉冲伽马辐射场时间-强度谱准确测量的当务之急、。
发明内容
为了解决现有背景技术中存在的问题，本发明提供了一种具有高的探测效率、较快的时间响应特性、在0.5MeV 14MeV伽马能量范围内具有非常平坦的能量响应，漏电流小、无极 化效应以及在室温下具有很好的能量分辨能力的宽能谱脉冲伽马探测器。 本发明的技术解决方案
一种宽能谱脉冲伽马探测器，包括探测半导体以及分别与探测半导体上下两端连接的两 个电极，其特殊之处在于其中探测半导体为碲锌镉晶体制成的碲锌镉晶片，所述碲锌镉晶 片的晶体结构为Cch-xZnxTe，其中f0. 1;所述电极材料为金；所述碲锌镉晶片厚度为O. 5mm 1.2mm，碲锌镉晶片厚度为0.5mm 0.8mm较优，最优的碲锌镉晶片厚度为O. 7mm。
以上所述宽能谱脉冲伽马探测器还包括处理电路和导电壳，所述两个电极通过导电壳接 于处理电路中。
以上所述宽能谱脉冲伽马探测器为MSM型结构探测器。
本发明所具有的优点
1、 本发明首次获得特定厚度(0.5mm 1.2mm)的碲锌镉半导体伽马探测器(CZT探测器 )在0.5MeV 14MeV伽马(X射线)能区具有较理想的能量响应的结论。在上述能区其灵敏度随 能量变化极差小于15%，远优于现有一些用于脉冲核辐射场诊断的探测器在该能区存在的数 倍甚至数十倍的能量响应差异。这一特性可大幅度提高复杂能谱脉冲伽马射线强度测量精度 ，表明CZT探测器是目前为止获得的能量响应最为理想的脉冲辐射探测器。
2、 本发明将传统的探测半导体更换成碲锌镉半导体，使本发明的探测器具有高的探测 效率、较快的时间响应特性、在0.5MeV 14MeV伽马能量范围内具有非常平坦的能量响应， 漏电流小、无极化效应以及在室温下具有很好的能量分辨能力。
3、 探测效率高。本发明的电极采用金电极，碲锌镉晶片的厚度为0.5mm 1.2mm，在考 虑射线的入射面时采用对射线的阻止本领强、原子序数大的碲面入射；同时考虑到贯穿性射 线的特点，选用MSM型探测器结构，以提高探测器的探测效率。
4、 本发明可用于脉冲核辐射探测及其能量响应。
图l是本发明的碲锌镉探测器的简化结构示意图； 图2是本发明的碲锌镉探测器的结构示意图； 图3是本发明碲锌镉(CZT)晶体与伽马射线作用能量沉积过程； 图4是本发明碲锌镉探测器探测原理示意图； 图5是MCNP能量沉积计算模型；
图6是y射线在Si-PIN中沉积的能量与入射能量的变化；图7是y射线在不同厚度CZT中沉积的能量与入射能量的关系； 图8是不同模拟程序对同一厚度CZT探测器y灵敏度模拟计算结果； 其中l-电极，2-探测半导体，3-绝缘部件，4-导电壳。
具体实施例方式
如图l所示为本发明宽能谱脉冲伽马探测器简化结构示意图，包括处理电路、碲锌镉晶 片制成的探测半导体2以及分别与探测半导体2上下两端连接的两个电极1，如图2所示为本发 明MSM型(金属-半导体-金属)结构的宽能谱脉冲伽马探测器示意图，包括探测半导体2以及 分别与探测半导体上下两端连接的两个电极l，两个电极1通过导电壳4接于处理电路中，探 测半导体的左右两端设置有绝缘部件3。该碲锌镉晶片的晶体结构为Cch-xZnxTe，其中针对本 发明脉冲辐射探测来说，x最佳取值为O. 1。因为，当X的值增大的时候其晶体的硬度增加， 并且比较脆，不好加工成为探测器；当X的值较小的时候，电阻率较低。晶片厚度为0.5mm 1.2mm;较佳厚度为O. 5mm 0. 8mm，最佳厚度为O. 7mm。电极材料为金，能形成较好的欧姆接 触。
本探测器的探测原理为伽马射线穿过CZT晶体时，沿着入射路径与晶体内的碲、锌、 镉原子发生能量的交换作用，全部或者部分的损失掉能量，在CZT晶体中产生电子-空穴对， 在处理电路偏压作用下，电子-空穴对分别向两极板漂移被收集，在处理电路中形成电流信 号，通过小电流计或者示波器显示读出。CZT晶体与伽马射线作用能量沉积过程见图3。图4 为CZT探测器探测原理示意图。
要得至l」CZT探测器对y射线的能量响应关系，首先就需要计算伽马射线在CZT晶体中的净 沉积能量。在计算中采用美国Los Alamos国家实验室应用理论物理部的Monte Carlo小组研 制开发的用于计算复杂三维几何结构中的粒子输运的大型多功能蒙特卡罗程序抓MCNP程序。 在计算中建立了图5所示的模型。同时用此模型对目前核辐射探测中最经典的Si-PIN探测器 进行了比较，其模拟计算结果分别见图6和图7。从图中很明显可以得到，对于伽马射线，在 整个O. 5MeV-14MeV能量范围内，CZT探测器的能量响应比Si-PIN探测器更加理想。
为了验证MCNP程序对CZT探测器计算的正确性，采用了另外一种大型辐射模拟计算程序 Geant4。 Geant4是由欧洲核子中心(CERN)开发的，用于精确模拟粒子穿过物质的过程的一 个自由软件包。以O. 7mm的CZT探测器为例分别用MCNP和Geant4模拟计算的结果如图8所示。 由图8可知，两种计算方法得到的结果自洽性很好，证明了CZT探测器在很宽的能量范围内具 有非常良好的能量响应特性。
为了确定不同材料接触的欧姆性，将I-V曲线按I(v) ^Vb的形式进行非线性拟合，其中:a为常数，b为欧姆系数，当b^时为完全欧姆接触。拟合的结果为:
Au:r=1. 253X 10—-10V。.98722
Cu/Ag:=6. 879X 10—-iiV1.18786
Al:I:=4.611X10—-iiV1.15261
Ti:I:=2. 135X10—-iiV1.20868
其中，Au与CdZnTe晶体接触的欧姆系数b为O. 98722,最接近于l。因此，在相同的 表面状况下，即在相同表面态密度下，4种接触电极材料中，Au膜最容易与弱P型CdZnTe晶体 (CZT晶体)表面形成欧姆接触。
权利要求
1.一种宽能谱脉冲伽马探测器，包括探测半导体以及分别与探测半导体上下两端连接的两个电极，其特征在于所述探测半导体为碲锌镉晶体制成的碲锌镉晶片，所述碲锌镉晶片的晶体结构为Cd1-XZnXTe，其中x＝0.1；所述电极材料为金；所述碲锌镉晶片厚度为0.5mm～1.2mm。
2. 根据权利要求l所述的宽能谱脉冲伽马探测器，其特征在于所述 碲锌镉晶片厚度为O. 5mm 0. 8mm。
3. 根据权利要求2所述的宽能谱脉冲伽马探测器，其特征在于所述 碲锌镉晶片厚度为O. 7mm。
4. 根据权利要求1或2或3所述的宽能谱脉冲伽马探测器，其特征在于 :所述宽能谱脉冲伽马探测器还包括处理电路和导电壳，所述两个电极通过导电壳接于处理 电路中。
5. 根据权利要求4所述的宽能谱脉冲伽马探测器，其特征在于所述 宽能谱脉冲伽马探测器为MSM型结构探测器。
全文摘要
本发明涉及一种宽能谱脉冲伽马探测器，包括探测半导体以及分别与探测半导体上下两端连接的两个电极，探测半导体为碲锌镉晶体制成的碲锌镉晶片，碲锌镉晶片的晶体结构为Cd<sub>1-X</sub>Zn<sub>X</sub>Te，其中x＝0.1；所述电极材料为金；碲锌镉晶片厚度为0.5mm～1.2mm。本发明提供了一种具有高的探测效率、较快的时间响应特性、在0.5MeV～14MeV伽马能量范围内具有非常平坦的能量响应，漏电流小、无极化效应以及在室温下具有很好的能量分辨能力的宽能谱脉冲伽马探测器。具有灵敏度高，能量响应平坦，而且其具有较快的时间响应(1～3ns)，大的动态范围，在0.5MeV～14MeV伽马能量范围内具有较为理想的响应等优点。
文档编号G01T1/24GK101609155SQ20091030521
公开日2009年12月23日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者刘林月, 宋纪文, 刚 李, 欧阳晓平, 潘洪波, 涛 王, 陈莉静 申请人:西北核技术研究所
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