【摘要】：碲鋅鎘(CdZnTe,CZT)半導(dǎo)體探測器是國際上最近研究出來的一種新型射線探測器,它具有分辨率高、吸收系數(shù)大、探測效率高、使用方便、體積小等特點,且能在常溫條件下工作。在5keV~2MeV的能量探測范圍內(nèi)無極化現(xiàn)象,而且易于加工,配合上低噪聲的電荷靈敏放大器,可做成緊湊、高效、高分辨率的伽馬射線探測裝置,廣泛的用于安檢、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷、核素識別和天體X射線望遠鏡等領(lǐng)域。目前,國內(nèi)對碲鋅鎘晶體已有較為成熟的生長技術(shù),能夠較為容易的獲得滿足各種測量條件的碲鋅鎘晶體,從而制作成具有特定功能的碲鋅鎘探測器。而對碲鋅探測器的應(yīng)用研究還處于起步階段,在很多領(lǐng)域還沒有成熟的應(yīng)用解決方案,完全自主開發(fā)并成功應(yīng)用于產(chǎn)品的核信號鏈設(shè)計較少見報道,較多是采用國外Amptek、Canberra等公司的電荷靈敏放大器與數(shù)字多道脈沖幅度分析器獲取實驗室級別的核脈沖信號與譜線,尤其是能夠克服碲鋅鎘探測器空穴捕獲拖尾效應(yīng)而設(shè)計的數(shù)字多道脈沖幅度分析器在國內(nèi)未見有報道。因此,本文開展了對碲鋅鎘探測器的特性測試實驗,并根據(jù)探測器的實測性能參數(shù),設(shè)計了優(yōu)化的前端信號讀出電路及其前端數(shù)字核信號鏈,為碲鋅鎘探測器在高分辨率X射線探測器、X熒光測井、核素識別中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。本文的主要研究成果有:1、搭建了碲鋅鎘探測器的測試平臺并完成了主要參數(shù)的測試工作。以西北工業(yè)大學(xué)(西工大)研制的4mm×4mm×2mm的準半球結(jié)構(gòu)探測器和美國eV公司4mm×4mm×2mm的CaptureTM plus結(jié)構(gòu)探測器為例,在不同溫度下測試了這兩款探測器的漏電流隨所加偏壓的關(guān)系以及其結(jié)電容隨偏壓之間的關(guān)系。實驗表明,西北工業(yè)大學(xué)研制的探測器在相同溫度和相同偏壓下的漏電流低于美國eV公司,并且其結(jié)電容也小于美國eV公司。2、考慮到探測器的結(jié)電容、漏電流等參數(shù)以及探測器與場效應(yīng)管(JFET)的匹配、PCB布局等問題,本文采用典型的折疊型結(jié)構(gòu)設(shè)計了低噪聲的電荷靈敏放大器(CSA),該電荷靈敏放大器在常溫23℃下的零電容噪聲為615個電子,噪聲斜率為5.45電子/pF;制冷到-32℃時的零電容噪聲為391個電子,噪聲斜率為4.51電子/pF。3、以高效率、高開關(guān)頻率的開關(guān)電源芯片MAX668為核心,結(jié)合倍壓整流電路,設(shè)計了效率高、體積小、紋波低的偏壓電源,該偏壓電源的輸出電壓最高可達800V,在輸出偏壓350V時,輸出電流大于400μA,紋波小于6mV。4、選擇了合適的電制冷器件TEC,并采用溫度負反饋的方式設(shè)計了高效率的控制電路給碲鋅鎘探測器和CSA制冷,以降低探測器和CSA工作時的噪聲,提高分辨率。采用西北工業(yè)大學(xué)研制的探測器測量241Am源,將探測器和CSA制冷到-20℃,在未采用上升時間甄別時,分辨率從室溫的7.87%提高到了7.12%,采用了上升時間甄別時,分辨率從室溫的3.42%提高到了3.11%,由此可見低溫對提高系統(tǒng)分辨率具有一定的效果,為碲鋅鎘探測器在X熒光測井中的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。5、碲鋅鎘探測器的空穴載流子壽命通常在1μs左右,小于空穴的收集捕獲時間,使得脈沖信號幅度變小,全能峰左移,形成拖尾,導(dǎo)致能量分辨率下降。為了減小電荷捕獲效應(yīng)引起的系統(tǒng)能量分辨率下降,本文設(shè)計了數(shù)字式的上升時間甄別器,將電荷收集不完全的信號甄別掉。系統(tǒng)采用了上升時間甄別后,分辨率得到了明顯的提高。采用西北工業(yè)大學(xué)研制的探測器,在室溫下測量241Am源時的分辨率從7.87%提高到了3.42%,測量137Cs源時的分辨率從2.11%提高到了0.96%。因此,采用上升時間甄別可以顯著的提高碲鋅鎘探測系統(tǒng)的分辨率,為制作高分辨率X射線探測器提供了參考依據(jù)。6、本文結(jié)合西北工業(yè)大學(xué)和美國eV公司的碲鋅鎘探測器,設(shè)計了低噪聲的電荷靈敏放大器、低噪聲的偏壓電源、電制片(TEC)的控制電路、數(shù)字式的上升時間甄別器等模塊,搭建了完整的數(shù)字化碲鋅鎘能譜采集系統(tǒng)。測試對比了國內(nèi)(西工大)和國外(美國eV公司)探測器的漏電流、結(jié)電容、能量分辨率等性能指標(biāo)。測量了241Am源和137Cs源在不同溫度、是否采用上升時間甄別時不同探測器的能量分辨率。最后給出了西工大的探測器在未采用上升時間甄別時測量152Eu源、226Ra源和60Co源所得的結(jié)果,通過測試結(jié)果分析可知,碲鋅鎘探測器可用于中低能的伽馬射線測量系統(tǒng),可作為核素識別儀的探頭。
【圖文】：

圖中 C19 為反饋電容 Cf，由于碲鋅鎘探測器的輸出電荷量非常小，對241Am-59.5keV 的 X 射線，其輸出電荷量通常在 0.5fC 量級，因此反饋電容也要比較小才能獲得較大的電壓信號，，因此本設(shè)計采用 3 個 0.1pF 的電容串聯(lián)，以獲得較低的反饋電容。

圖 4-3 通過 Keep-Out Layer 將輸入節(jié)點孤立在板子的頂層和底層敷銅時，在探測器 D1 plane 層在 JFET 管子的輸入端下面也不用敷6V 和-6V 兩塊，以獲得盡可能大的信噪比。
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TL814

【引證文獻】

相關(guān)會議論文 前1條

1 張嵐;李元景;毛紹基;鄧智;李樹偉;;半導(dǎo)體探測器綜述及CdZnTe探測系統(tǒng)的研發(fā)[A];全國第五屆核儀器及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集[C];2005年

本文編號：2637481