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CZT高能射线探测材料与器件研究


CdZnTe高能射线探测材料与器件研究

查钢强、王涛、徐亚东、王宁、介万奇* 西北工业大学材料学院
zha_gq@nwpu.edu.cn; jwq@nwpu.edu.cn

第十六届全国核电子学与核探测技术学术年会 2012年8月16日 四川·绵阳

汇报提纲
? ? ? 研究背景与意义 国内外研

究现状 发展趋势与展望

X射线及γ射线探测技术的发展

优点:简单 缺点:能量分辨率 及探测效率低

优点:晶体尺寸 大,灵敏度高 缺点:需结合光 电倍增管,器件 庞大;能量分辨 率差;易潮解

最典型代表: CZT探测器 优点:能量分辨 率高;空间分辨 率高;器件尺寸 小,便携。 缺点:晶体制备 工艺尚不成熟 价格昂贵、部分 限制进口

各种半导体探测器材料比较
Z
Si Ge InP GaAs CdTe CdZnTe(CZT) HgI2 TlBr Diamond 14 32 49/15 31/33 48/52 48/52 80/53 81/35 6

Eg (eV)
1.12 0.66 1.4 1.4 1.4 1.6 2.1 2.7 5

W (eV/ehp)
3.6 2.9 4.2 4.3 4.4 4.7 4.2 5.9 13

ρ at RT (Ωcm)

107 108 109 1011 1013 1011 >1013

Also: SiC, PbI2, CdMnTe, ZnSe, GaSe,GaN

CZT探测器优势
优越的性能 (分辨率 [时间,空间,能量],阻止能力) 室温下工作 (不需冷却) 高稳定性 (无极化) 与温度和偏压的高线性响应 (数据分析简化) 直接的光信号转换 (高的转化效率) X-ray & Gamma Ray (从10 keV到3 MeV) 器件设计的灵活 (通过光刻即可实现) 模块化 (cm2 到m2焦平面) 应用广泛 (医疗,工业检测,核安全,天体与高能物理:中微子探测“COBRA”计划, 硬X射线天文望远镜“EXIST”计划)

射线分类及探测技术
CdZnTe探测器 光栅+光电倍增管 Si、Ge探测器 闪烁体+光电倍增管

可 见 光

紫 外 光

软 X 射 线

硬 γ X射 射线 线

高 能 γ 射 线

1

10

100

1k

10k

100k

1M

光子能量 / eV

适用于CZT检测的主要技术领域及其特征波长
? ? ?

工业CT:(100-450KeV) 安全检测:(100-160KeV) 医学诊断:骨密度仪、医用CT、PET、SPECT等
骨密度仪: 241Am@59.5KeV(单能), 40-80KeV(双能) 乳腺仪: 30KeV X光胸透: 20-40KeV 医疗CT (Computed Tomography):80-150 KeV PET-CT (Positron Emission Tomography): 511 KeV SPECT(Single-Photon Emission Computed Tomography):511 KeV

?

辐射性元素监控:
? ? ? ?
131I

:364 KeV(81%) 137Cs :662 KeV (90%),(Ba-137m+β) 235U :143 KeV(10%),185 KeV(54%) 239Pu:13.6 KeV(4.4%),113 KeV(0.04%)

CZT应用逐渐成 熟并不断拓展

国外研究现状

国外CZT材料技术

国外研究现状

CZT探测器被广泛应用在空间天文观测中
SVOM

SWIFT

ASTRO-H

INTEGRAL

国外研究现状 美国 NASA的Swift卫星搭载的 BAT 天文望远镜
性能 观察孔 探测面积 参数 编码掩模 5200 cm2

探测器
探测方式 视野

CdZnTe
光子计数 2 sr (部分编码)

探测元数
探测单元尺寸 Telescope PSF 能谱范围

256×128 =32768
4 mm x 4 mm x 2 mm 17 arcmin 15-150 keV

国外研究现状 美欧合作的超越爱因斯坦计划项目EXIST (高能X射线成像巡天望远镜)

CZT探测器(价值约4千万美元): 能量范围: ~10 keV-600 keV; 面积:5.5m2 探测器数量:16,000

CZT探测器与闪烁体 探测器的对比

CZT SPECT

Discovery NM/CT 670
GE公司开发了全球首台采用半导体探头的SPECT:Discovery NM 530c及Discovery NM 570c(Discovery NM530c+128层CT),及采用CZT探测器的乳腺伽玛相机。

国内研究现状

? 从事探测器级CZT晶体材料研究的主要有西北工业大 学、上海大学和四川大学等单位。 ? 从事CZT探测器结构设计、制备以及应用研究的单位 主要有西北工业大学、清华大学、中科院半导体所、 原子能研究院等。 ? 对于CZT探测器读出电路系统芯片的设计与研制,主 要有清华大学、原子能研究院、西北工业大学和中科 院高能所等。

国内探测器的开发长久以来受制于CZT晶体材料, 西北工业大学长期致力于CZT晶体材料与器件的研究

研究历程(From 1993)
晶体生长: 改进的Bridgman方法(ACRT+籽晶)? 表面处理: 研磨、抛光、腐蚀、钝化 材料表征: 结构性能: SEM, TEM, XRD/RXRD 光电性能: HALL, I-V, IR, PL 金属—半导体接触: 电极制备 (欧姆接触、肖特基接触) 器件制备与表征: 平面单元探测器制备 像素探测器制备 能谱响应与分析

Crystal Growth Furnace

晶体生长与加工处理设备

ACRT-晶体生长设备

晶体切割划片设备

晶体磨抛设备

反应离子刻蚀机

真空蒸镀设备

快速气氛退火炉

超纯水供应设备

性能测试与表征设备

岛津UV3150紫外光谱仪

自行搭建的光致发光谱仪

Agilent 4155-C IV/CV测试系统

自行搭建的TSC和TEES测试系统

自行搭建的红外显微成像系统和 Pockels效应测试系统

探测器能谱测试系统

CdZnTe晶体与电极制备

不同尺寸CZT单晶

金属电极

不同规格的CdZnTe探测器

电容弗里希CZT探测器 BNC封装CZT探测器 Capture结构CZT探测器 便携式能谱仪CZT探头 天文用CZT探测器成像系统

ASIC芯片

CZT探测器8×8像 素

CZT探测器对不同能量X/γ射线能谱响应
800

10000
241

1000 5x5x5mm
3

137

Cs @ 662 keV

RT

Am @ 59.5 keV

57

8000

800

Co 122KeV

600

Counts

Counts

6000 4000 2000 0
0 200 400

FWHM=5.6%

Counts

600

R:5.46%@122KeV HV Bias:+400V Temp:300K

400

FWHM=1.9%

400

Bias @ 400 V τ=1μs

200
200

Bias @ 500 V τ=0.8 μs
0 0 200 400 600 800 1000

0

600

800

1000

Channel /numbers

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Channels

241Am@59.5

keV

57Co@122

keV 4.09%

137Cs@662

keV

39.39%
LaBr3探测器 能谱响应曲线

CZT 探测器的能量分辨率远优于性能最好的LaBr3闪烁体探测器

国内外相关研究单位测试结果

英国Rutherford Appleton 国家实验室
4000 3500
241

拉脱维亚Ritec公司

英国Surrey大学

5x5x5mm Am@59.5KeV R:6.37% HV Bias:-400V Temp:300K

3

北京滨松光子技术有限公司
59.5KeV

3000

Counts

2500 2000 1500 1000 500 0 0 100

同方威视技术股份有限公司
200 300 400 500 600 700 800

Channel

NWPU

eV

在核探测领域享有盛名的Ritec公司对比 评测了本项目和美国eV公司的CZT晶体

英国Rutherford Appleton国家 实验室对比评测了本项目和加 拿大Redlen公司的CZT晶体

X射线时标与偏振探测卫星(XTP)
----空间科学先导专项
大探测面积(30000-40000 cm2)、宽波段(1-100 keV)的X射线天文望远 镜主要科学目标是研究黑洞X射线双星的快速光变以及伴随的能谱变化。

1-100keV,2°×2° 15000 cm2(6-30keV) 1-30keV,0.5°×0.5° 5000 cm2(1-6keV) 2800cm2@ 30keV 0.5-15keV,1°×1° 7400 cm2@1keV 0.5-15keV,2°×2° 15000 cm2(1-6keV)

CZT探测器测试结果达到 中科院空间科学预先研究项目项目验收要求

CZT探 测 器

高 压 主 放 大 器

前 置 放 大 电 路

多 道 分 析 器

CZT样机设计框图

CZT探测器样机实物装置图

完成XTP关键技术攻关项目验收
9 CZT样机能量分辨率:1.7keV@17.8keV 9 探测器尺寸参数:5mm×5mm×1mm 9 温度:23 ℃, 湿度:18%

CZT样机Am-241放射源测量能谱

CZT探测器应用中的问题
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
?

能量分辨率 空间分辨率、电荷串扰 时间分辨率、响应时间 灵敏度、剂量率范围 温度稳定性 时间稳定性、极化、余辉 辐照损伤 低能探测阈 n/γ分辨 其他应用:中微子探测、康普顿相机
……

? ? ? ? ? ? ? ? ?

体漏电流与表面漏电流 载流子寿命、迁移率 载流子的去俘获时间 界面接触的影响 电场分布(权重势场) 空间电荷分布 电子学匹配与优化 高计数率的累积 ……

发展趋势与展望
? 高质量、低成本的CZT晶体生长技术; ? CZT探测器的设计与制备; ? 基于CZT半导体探测器的辐射探测系统的设计与开发。

1. CZT晶体生长与性能表征
探测器性能参数 能量分辨率,时间分辨率,空间分辨率 灵敏度、极化效应、温度稳定性……

晶体电学性能 载流子输运特性、权重势场分布 空间电荷分布、接触势垒
35 0 0 30 0 0 25 0 0 20 0 0

241

Am @ 59.5 keV

C Z T -1 C Z T -2 C Z T -3

Counts

15 0 0 10 0 0 500 0 -5 0 0 0 100 200 300 400 500 600

微观结构缺陷 点缺陷、位错、孪晶、Te沉淀、偏析

C h an n el n um ber

宏观功能特性与微观 结构缺陷的内在关联

阳离子占位 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷

微观结构与缺陷 测定与分析

宏观光电性能的 测试与分析

载流子输运特性 电阻率 极化效应 空间电荷分布

微观结构缺陷 设计与调控
晶体生长与退火处理 原理与技术

宏观光电性能 设计与调控

获得高电阻、高载流子迁移率和寿命积、高均匀 性的大尺寸CZT单晶。

2. CZT探测器的设计与制备
1.0 0.8

0.6

吸收率

10 KeV 30 KeV 50 KeV 60 KeV 100 KeV 125 KeV 200 KeV 600 KeV

迁移率:ue=1000 cm2/Vs uh=100 cm2/Vs 寿命:te=1 us th=0.1 us

0.4

0.2

0.0 0 1 2 3 4 5

厚度 / mm

CdZnTe平面探测器和Capture结构探测器对137Cs@662KeV的γ射线能谱响应

不同结构的CdZnTe探测器
电容弗里希结构探测器 半球型探测器 像素探测器

研究重点
? 模拟不同能量和剂量的射线与CZT相互作用的详细过 程,以及产生电子空穴对的分布规律。 ? 在考虑晶体缺陷和电学特性的基础上,针对不同应用 背景进行CZT探测器尺寸和电极结构的模拟设计。 ? 完善CZT晶体的精密无损加工和表面处理技术,控制 CZT晶体与金属电极的接触特性和界面缺陷。 ? 做好探测器的钝化和封装,以提高探测器在使用过程 中的环境稳定性。

3. 整机系统的设计与开发

便携式伽马谱仪

安检成像设备

医疗CT

根据不同的应用需求和CZT探测器产生的信号特点,设计与之 相匹配的电子学读出电路,不断探索新的探测方法和数据处理 方法,并开发出相应的应用软件。

敬请批评指正! 谢谢!

欢迎莅临西安参观指导!
致谢:国家重大科学仪器设备开发专项 (2011YQ040082 ) 国家自然科学基金(50336040, 50902113, 50902114…) 教育部新世纪优秀人才支持计划


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