红外激励型高分辨率CdZnTe核辐射探测器研究

CdZnTe has become a hot spot in the field of radiation detection at present since the excellent material properties. But the poor charge carriers’ transport is the main factor which influences the improvement of energy resolution. Some studies indicate that infrared stimulation method has great potential in terms of improving the charge carriers’ transport. However, there still have the following critical questions need to be explored when using infrared stimulation to improve the energy resolution of CdZnTe detector: which electrode structure of the detector is much easier to improve the energy resolution through infrared stimulation need to be verified and optimized; Charge collection efficiency model under the infrared stimulation need to be established; The optimal infrared stimulation scheme need to be designed for different material properties, radiation energy and electrode structures of the detector. Our research group has got some optimal results in the previous studies on common grid pixel array and coplanar grid array detectors’ design. Focusing on the above problems, this project will carry out the study of infrared stimulated high resolution CdZnTe detector based on the previous research. The research method of theoretical simulation combined with energy spectrum detection experiments will be adopted to obtain the optimal detector structure and infrared stimulation scheme. The results of this research will further improve the charge collection theory of the detector under infrared stimulation; provide experimental basis for the design and fabrication of low cost and high resolution CdZnTe nuclear radiation detector.

优异的材料特性使得CdZnTe成为当前核辐射探测领域的研究热点，但是较差的载流子传输是制约其能量分辨率提高的主要因素。有研究表明红外激励方式在改善载流子传输方面有较大潜力。然而，通过红外激励来实现CdZnTe探测器能量分辨率的提高仍有以下关键问题需要探索：哪种电极结构的探测器更容易通过红外激励方式获益有待明确和优化；红外激励下的电荷收集效率模型有待构建；对不同材料特性、射线能量、电极结构的探测器，最佳的红外激励方案有待制定。课题组前期在公共格栅像素阵列探测器和共面栅阵列探测器设计方面已得到部分优化结果。针对上述问题，本项目将在前期研究基础上开展红外激励型高分辨率CdZnTe探测器研究。拟采用理论模拟仿真和能谱探测实验相结合的研究方法，旨在明确最佳探测器结构和红外激励方案。研究成果将进一步完善红外激励下的电荷收集理论；为低成本、高分辨率的CdZnTe核辐射探测器设计和制备提供实验依据。

本项目主要开展了红外激励型高分辨率CdZnTe核辐射探测器相关研究。在探测器结构选择优化理论研究方面：通过电场、权重势和电荷收集效率的一系列模拟仿真，明确了用于半球形探测器和电容式Frisch栅探测器红外激励的最佳电极结构；模拟了不同像素宽度公共格栅像素探测器的像素下方和像素间隙下方权重势分布，探讨了小像素效应和电荷共享效应；从权重势和电荷收集角度阐释了像素保护环和探测器拼接两种方式降低边缘效应的机理。在红外激励改善CdZnTe探测器电荷传输特性实验研究方面：设计定制Au电极和Al电极两种平板探测器，通过不同波长的红外光激励，探究不同光照强度下的解俘获效应和电荷传输特性改善情况，为能谱特性改善实验奠定基础。在红外激励改善半球形CdZnTe探测器能谱特性实验研究方面：设计定制6块不同尺寸、不同电荷传输特性的半球形探测器，通过940 nm红外光激励，探究不同光照强度和工作电压下探测器的能谱特性改善情况，研究证实可以通过红外激励方式改进CdZnTe探测器的电荷传输特性，实现能量分辨率和峰谷比的同步提升，特别是对于材料传输特性较差、工作电压较低的情况能谱改善更加明显。对于5×5×2.5 mm3传输特性较差的半球形探测器，经过红外激励后，在662 keV的能量分辨率从3.36%提高到2.05%，峰谷比也从7.5提高到15.0。对于8×8×4 mm3传输特性较差的半球形探测器，即使在较低工作电压500 V时，经过红外激励后，在662 keV的能量分辨率从5.36%提高到3.68%，峰谷比也从6.8提高到22.6。总之，本项目以模拟仿真和能谱实验相结合的方式开展红外激励型高分辨率CdZnTe核辐射探测器研究，证实红外激励方式在不采用任何脉冲成形修正技术下，通过改善载流子传输特性提高CdZnTe探测器能谱特性，且不损失探测效率。本项目为低成本、高分辨CdZnTe核辐射探测器的研制提供了新的思路和可借鉴的理论及实验依据。