高分辨率CZT像素阵列探测器研究

CdZnTe pixellated detectors, developed in the present decade, are the most promised room-temperature semiconductor nuclear detectors, and high resolution large array detectors represent the state-of-the-art progress. With the reduction of the pixel size, the realization of high resolution CZT pixellated detectors has to solve theoretical problems and technique challenges such as carrier diffusion, carrier capturing, carrier screening and signal crosstalking. Physical moldel with higher precision for large array (up to 64×64) pixellated detectors is proposed based on opto-electronic effect, carrier transportation and charge collection theories of semiconductors, so that the technologies aimed to high energy resolution and high space resolution can be explored. Besides the parameter optimization of detector structures, a novel 2D grating electrode design is proposed, which not only enhancing the charge collection efficiency, but also achieving diferential input, thus significantly decrease the noise and crosstalk. The read-out circuit for photon counting with spectral resolution will be developed with general purposed IC chip, in which the analog module will employing low noise, high gain, and wide bandwith operational amplifiers, and the digital module will employing high performance FPGA chips.

CdZnTe像素阵列探测器是近年来发展起来的最有前途的室温半导体核辐射探测器，大阵列高分辨率面阵探测器代表了该技术的最新发展方向。随着像元尺寸的减小，高分辨率CZT像素阵列探测器的实现需要解决载流子扩散、载流子俘获、载流子屏蔽和信号串扰等一系列理论问题和技术挑战。本项目提出根据半导体的光电效应、载流子输运和电荷收集理论，建立更精确的大阵列（64×64以上）像素探测器的物理模型，寻求实现高能量分辨率和高空间分辨率的技术途径。在探测器结构参数优化的基础上，提出创新的二维格栅电极设计，不仅提高了电荷收集效率，而且可实现信号的差分输入，大大降低噪声和信号串扰。基于通用集成电路芯片研制具有能谱分辨的光子计数型读出电路，模拟部分采用低噪声、高增益和宽带宽运算放大器，而数字部分则采用高性能FPGA芯片。

本项目主要研究了阵列伽马射线探测器的基础理论和结构设计、读出电路和能谱分析系统，重点研究了如何突破技术瓶颈，提高阵列伽马射线探测器的能谱分辨和空间分辨。.在基础理论方面，项目组取得了两个主要的突破：首先，建立了包括载流子扩散、漂移和俘获效应的瞬态电流分析和电荷收集理论，该理论突破了电荷收集效率分析的经典Hetcht公式不能分析载流子扩散效应的局限，是关于伽马射线探测器设计的一个更精确的解析理论。其次，在电荷收集理论的基础上，进一步建立了能谱分辨的分析理论，从而使伽马射线探测器的理论分析基本完善。在阵列探测器的理论设计方面，主要研究了基于镜像电荷和共形变换的面电荷分布理论。.在结构设计方面，项目组提出了两个创新设计：首先，提出了一种栅格阳极平板探测器，该探测器是对传统平板探测器的一个重要改进，通过采用栅格阳极，形成优化的权重势分布，在基本不降低平板探测器量子效率的情况下，改善了因空穴收集不完全而导致的能量分辨率低的缺点，提高了大面积平板探测器的综合性能。其次，在大阵列探测器方面，提出了一种正交栅格阵列探测器，这种阵列探测器可以将像素阵列探测器的读出电路通道数从N2降低为2N，极大地降低读出电路的研制难度。.在读出电路方面，项目组提出了两个重要改进并取得了一个重要突破。两个重要改进包括：（1）采用差分结构的前置放大器设计，改善了电荷灵敏前置放大器的信噪比；（2）采用高增益的极零相消电路，提高了极零相消电路的放大倍数和增益带宽，可以实现比较理想的脉冲成形。读出电路方面的重要突破是：提出了基于脉冲宽度的阵列读出电路，为实时、高速、高并行度和高集成度的阵列读出电路的研制奠定了基础。.在能谱分析系统方面，项目组取得了两个创造性成果：首先，对比研究了基于模拟准高斯成形和数字梯形成形的数字能谱系统，创造性地提出了脉冲宽度谱分析技术，成功研制了单通道、2x2和8x8的多通道能谱分析系统。其次，项目组还提出了像素阵列探测器基于光子位置反演的高空间分辨和高能谱分辨技术。