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    CdZnTe伽馬射線探測(cè)器的能譜特性分析

    2021-11-26 02:37:22張蒙蒙杜園園席守智查鋼強(qiáng)介萬奇
    人工晶體學(xué)報(bào) 2021年10期
    關(guān)鍵詞:能譜空穴陰極

    于 暉,張蒙蒙,杜園園,席守智,查鋼強(qiáng),介萬奇

    (1.陜西迪泰克新材料有限公司,西安 712034; 2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,輻射探測(cè)材料與器件工信部 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710072; 3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所,粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100049)

    0 引 言

    碲鋅鎘(Cd1-xZnxTe, CZT)室溫核輻射探測(cè)器因具有較高的探測(cè)效率和能量分辨率[1],已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)無損檢測(cè)、安全檢查、核科學(xué)與技術(shù)、天文觀測(cè)以及高能物理等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2-6],特別是在天體物理研究中占有重要的地位。近年來國(guó)內(nèi)外一系列天文觀測(cè)計(jì)劃,都采用了CZT探測(cè)器[7-13]。國(guó)外如SWIFT衛(wèi)星[8],ProtoEXIST[10]、ASTRO-H/HXI[11]、ASTROSAT/CZTI[12]、NuSTAR[13]、InFOCUS、INTEGRAL/ISGRI、SVOM/ECLAIRs等項(xiàng)目;國(guó)內(nèi)如2016年的實(shí)踐十號(hào)返回式衛(wèi)星,里面搭載的空間伽馬射線和粒子計(jì)數(shù)儀,空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)XTP衛(wèi)星背景型號(hào)研制階段所研制的準(zhǔn)直型X射線望遠(yuǎn)鏡,以及高能所在研的GECAM衛(wèi)星的伽馬射線探測(cè)器備用件,均是采用CZT探測(cè)器。

    簡(jiǎn)單平面型CZT探測(cè)器主要用于低能射線(<100 keV)的探測(cè),該結(jié)構(gòu)探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、探測(cè)效率高、器件可靠性高[14-15]。eV PRODUCTS公司在1999年提出了一種CAPtureTM結(jié)構(gòu)的CdZnTe探測(cè)器[16],于2006年制備的CAPtureTM結(jié)構(gòu)的CdZnTe探測(cè)器對(duì)122 keV和662 keV實(shí)現(xiàn)了<3%和<2%的能量分辨率[17]。RITEC公司在2009年[18]提出了一種改進(jìn)的準(zhǔn)半球CZT探測(cè)器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)662 keV實(shí)現(xiàn)<1%的能量分辨率,2012年[19-20]通過紅外光照射,對(duì)于662 keV得到12.6的峰康比和<0.75%的能量分辨率。2014年,Niu等[21]在準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)提出了雙陽極CdZnTe探測(cè)器,對(duì)122 keV和662 keV的分辨率達(dá)到了3.92%和1.27%。

    目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于模擬CdZnTe伽馬射線探測(cè)器能譜響應(yīng)的研究結(jié)果主要集中在特殊探測(cè)器結(jié)構(gòu)對(duì)于載流子輸運(yùn)特性的影響規(guī)律,對(duì)于平面探測(cè)器性能與外加偏壓參數(shù)、器件尺寸大小等的詳細(xì)關(guān)聯(lián)缺少全面的論述與認(rèn)識(shí)。如2006年, Bale等[17]曾利用eVDSIM軟件計(jì)算分析了CdZnTe探測(cè)器陽極直徑、偏壓、電子和空穴的遷移率壽命積對(duì)準(zhǔn)半球型CZT探測(cè)器性能的影響,得到CdZnTe的(μτ)e和偏壓V導(dǎo)致電勢(shì)的非線性分布對(duì)探測(cè)器的性能影響比較大,(μτ)h和陽極直徑d對(duì)探測(cè)器的影響程度相對(duì)較小[17]。探測(cè)器的能量分辨率是評(píng)價(jià)器件性能的重要技術(shù)指標(biāo),本文擬通過數(shù)值模擬的方法研究CdZnTe簡(jiǎn)單平面探測(cè)器中的電荷輸運(yùn)特性以及電場(chǎng)、探測(cè)器尺寸等對(duì)電荷輸運(yùn)過程和對(duì)探測(cè)器能量分辨率的影響規(guī)律,找到各個(gè)因素對(duì)能量分辨率影響的主次,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化器件設(shè)計(jì),進(jìn)而制備出能量分辨率高的探測(cè)器。

    1 實(shí) 驗(yàn)

    本文的主要思路是模擬241Am@59.5 keV γ射線與CdZnTe晶體作用過程,得到γ射線在CdZnTe晶體中的能量沉積位置和能量分布的數(shù)據(jù)。結(jié)合載流子輸運(yùn)特性,得到載流子的輸運(yùn)特性和能譜特性。根據(jù)模擬結(jié)果分析載流子的輸運(yùn)特性、偏壓、探測(cè)器的厚度對(duì)平面型CdZnTe探測(cè)器能譜特性的影響,從而得到最優(yōu)的參數(shù)。其中,本文模擬241Am@59.5 keV在CZT中的能量沉積過程使用采用歐洲核子研究委員會(huì)開發(fā)的蒙特卡洛軟件包GEANT4,模擬計(jì)算程序是基于GEANT4自帶的例子Example3的基礎(chǔ)上修改的。CZT內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度和權(quán)重勢(shì)分布數(shù)據(jù)的計(jì)算采用有限元軟件 COMSOLMultiphysics 來實(shí)現(xiàn),其CZT 內(nèi)部電場(chǎng)模擬使用了COMSOL Multiphysics 中的 AC/DC 靜電模塊。

    使用Matlab軟件計(jì)算能譜響應(yīng)及電荷收集效率,載流子輸運(yùn)過程及電荷收集過程基于Shockley-Ramo原理[22]。對(duì)于CdZnTe γ射線平面型探測(cè)器來說,假定探測(cè)器厚度為L(zhǎng),入射方向?yàn)殛帢O,示意圖如圖1所示。在CdZnTe中產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)的所需的能量大約為4.7 eV,一個(gè)能量為E0的γ光子在CZT中可產(chǎn)生N0對(duì)電子-空穴對(duì)。由于非平衡載流子的復(fù)合與俘獲作用,不考慮去俘獲情況下,在t時(shí)間之后剩余的載流子數(shù)目N為:

    N=N0exp(-t/τ)

    (1)

    式中:N0是產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目,τ為載流子的壽命。

    CdZnTe平面型探測(cè)器的兩個(gè)電極之間是均勻電場(chǎng),根據(jù)Shockley-Ramo原理,則N0個(gè)載流子由xi點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到xf點(diǎn),產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量為:

    (2)

    t=L/μE

    (3)

    式中:w為xi、xf之間的距離,μ是載流子的遷移率,E為電場(chǎng)強(qiáng)度,L為電極距離。

    由此得到單個(gè)電子和空穴分別向陽極和陰極漂移所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量。將感應(yīng)電荷進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)漲落和電子學(xué)噪聲的高斯處理后,可以模擬計(jì)算出每束射線產(chǎn)生的感應(yīng)電荷,然后將感應(yīng)電荷進(jìn)行模擬多道處理,在相應(yīng)的道數(shù)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù),得出能譜響應(yīng)圖譜。文中假設(shè)對(duì)于59.5 keV,電子學(xué)噪聲的半峰寬(full width half maximum, FWHM)當(dāng)量為1 keV。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 載流子輸運(yùn)特性對(duì)CdZnTe探測(cè)器能譜的影響

    2.1.1 空穴輸運(yùn)特性的影響

    CdZnTe能譜拖尾主要來源于空穴信號(hào)的貢獻(xiàn)。為研究空穴輸運(yùn)特性對(duì)能譜的影響規(guī)律,計(jì)算了具有不同(μτ)h值的平面型探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的γ射線的能譜響應(yīng)和電荷收集效率,如圖2所示。其中探測(cè)器厚度為2 mm,工作電場(chǎng)為2 000 V/cm,(μτ)e=1×10-3cm2/V,電子與空穴的遷移率壽命積比值(μτ)e/(μτ)h從800到10變化,即(μτ)h從0.125×10-5cm2/V到10×10-5cm2/V變化。由于95%的241Am@59.5 keV γ射線的能量沉積在距離陰極0.75 mm的區(qū)域內(nèi),所以僅列出了距離陰極1 mm內(nèi)不同深度位置處產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的總電荷收集效率。圖中數(shù)據(jù)從距離陰極5 μm處開始計(jì)算,將光子能量沉積在晶體中的位置距陰極的距離記為入射深度。

    從圖2(a)可以看出,在其他條件不變的情況下,隨著空穴(μτ)h的提高,光電峰的道址基本沒有變化,光電峰的高度提高、能量分辨率的改善十分顯著,尤其是拖尾情況大幅減小。當(dāng)(μτ)h=5×10-5cm2/V時(shí),光電峰的計(jì)數(shù)是(μτ)h=0.2×10-5cm2/V時(shí)的3.4倍,前者的FWTM(full width at one-tenth maximum)值為5.39%優(yōu)于后者的25.14%,說明(μτ)h的提高對(duì)于改善拖尾作用十分顯著。由此可見,(μτ)h對(duì)光電峰的道址影響很小,而對(duì)能譜拖尾和能量分辨率影響十分顯著。從圖2(b)可以看出,隨著(μτ)h的提高,1 mm深度內(nèi)總電荷收集效率提高,在(μτ)h=5×10-5cm2/V時(shí),靠近陰極處的電荷收集曲線的斜率很小,即感應(yīng)電荷的值較均勻,在能譜中表現(xiàn)為光電峰計(jì)數(shù)很高,拖尾改善明顯。

    圖2 具有不同(μτ)h值的CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV γ射線的能譜(a)和電荷收集效率(b)Fig.2 241Am@59.5 keV γ-ray spectra (a) and CCE (b) for CdZnTe detector at various (μτ)h

    為了定量地研究(μτ)h對(duì)總感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn),計(jì)算了不同(μτ)h時(shí),電子、空穴的感應(yīng)電荷量占比和空穴收集效率,如圖3所示。從圖中可以看出,隨著(μτ)h的提高,空穴的感應(yīng)電荷量明顯增加,空穴的收集效率顯著增加。當(dāng)(μτ)h=0.2×10-5cm2/V時(shí),距陰極0.05 mm深度處空穴的感應(yīng)電荷量占比還不到2.5%,在0.05 mm深度內(nèi)空穴的收集效率超過50%,其余大部分區(qū)域的收集效率普遍在20%以下,而當(dāng)(μτ)h=5×10-5cm2/V時(shí),在深度0.75 mm處空穴的感應(yīng)電荷量占比大于25%,且深度0.75 mm內(nèi)所有位置空穴的收集效率均已經(jīng)超過70%,深度0.35 mm內(nèi)所有位置空穴的收集效率均已經(jīng)超過85%,已經(jīng)接近電子的平均收集效率。可見,空穴感應(yīng)電荷量的占比及收集效率受(μτ)h的影響較明顯。

    由以上分析可得出如下結(jié)論:在(μτ)e一定時(shí),(μτ)h直接影響能譜的拖尾情況,而在電子收集效率較高的情況下,空穴的感應(yīng)電荷量和收集效率直接影響能量分辨率和拖尾情況。

    圖3 具有不同(μτ)h值的CdZnTe探測(cè)器的感應(yīng)電荷(a)和電荷收集效率(b)Fig.3 Induced charge (a) and CCE (b) of CdZnTe detector at various (μτ)h

    2.1.2 電子輸運(yùn)特性的影響

    為研究(μτ)e對(duì)平面型CdZnTe探測(cè)器的241Am@59.5 keV能譜特性的影響,計(jì)算了不同(μτ)e下的能譜,如圖4所示。其中探測(cè)器厚度為2 mm,工作電場(chǎng)為2 000 V/cm,(μτ)h=1×10-5cm2/V,電子與空穴的μτ比值從10到400,即(μτ)e從0.1×10-3cm2/V到4×10-3cm2/V。

    從圖4(a)可以看出,隨著(μτ)e的提高,光電峰的道數(shù)在提高,峰的高度在降低,(μτ)e的大小決定了光電峰的道址。由圖4(b)可以看出,隨著(μτ)e的提高,F(xiàn)WTM分辨率一直在惡化,隨著電子與空穴的比值的變大,拖尾現(xiàn)象逐漸加劇。同時(shí),當(dāng)(μτ)e>0.25×10-3cm2/V時(shí),隨著(μτ)e的增大,F(xiàn)WHM分辨率也在惡化。而當(dāng)電子輸運(yùn)特性較差時(shí),如(μτ)e<0.25×10-3cm2/V時(shí),則出現(xiàn)了能譜較好的情況,(μτ)e=0.15×10-3cm2/V時(shí),F(xiàn)WHM=2.49%,F(xiàn)WTM=6.9%,拖尾很小,光電峰道址為439道,峰計(jì)數(shù)9 073,而(μτ)e=1×10-3cm2/V,F(xiàn)WHM=2.69%,F(xiàn)WTM=12.9%,光電峰道址563道,峰計(jì)數(shù)4 986??梢钥闯銮罢叩牡乐废鄬?duì)于后者低了124道,而分辨率、峰高和拖尾都優(yōu)于后者。

    綜上可以得出結(jié)論,在空穴遷移率壽命積固定的情況下,隨著電子遷移率壽命積的減小,分辨率提高,即隨著電子遷移率壽命積與空穴遷移率壽命積的比值(μτ)e/(μτ)h減小,分辨率變好。

    圖4 具有不同(μτ)e值的CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV γ射線的(a)能譜和(b)FWHM, FWTMFig.4 (a) Pulse height spectra, (b) FWHM and FWTM for CdZnTe detector irradiated by 241Am @59.5 keV γ-ray at various (μτ)e

    為了解釋FWHM不隨(μτ)e單調(diào)變化的現(xiàn)象,計(jì)算了不同(μτ)e距離陰極1 mm深度內(nèi)的電荷收集效率分布,如圖5所示。其中圖5(a)為總電荷收集效率,插圖為電子的收集效率,圖5(b)為電子和空穴的感應(yīng)電荷量。可以看出,在(μτ)e>0.25×10-3cm2/V時(shí),隨著(μτ)e的增大,電子收集效率的曲線的數(shù)值和斜率都在增大,在能譜中表現(xiàn)為光電峰的道址增加,總電荷感應(yīng)量的數(shù)值和斜率也在增大,說明感應(yīng)電荷的不均勻性在加劇,能譜的拖尾加劇,分辨率惡化。在(μτ)e<0.25×10-3cm2/V時(shí),由于(μτ)e很小,電子的收集效率較低。隨著(μτ)e的增大,由于收集效率的迅速增加,光電峰道址的迅速增加,使得分辨率變好。(μτ)e=0.15×10-3cm2/V時(shí),電子收集效率相對(duì)于(μτ)e=1×10-3cm2/V較低,電子收集效率的曲線斜率較小,靠近陰極處的總感應(yīng)電荷的曲線更趨于同一個(gè)值,使得拖尾較小,分辨率較好。

    圖5 具有不同(μτ)e值的CdZnTe探測(cè)器的電荷收集效率(a)和感應(yīng)電荷量(b)Fig.5 CCE (a) and induced charge (b) of CdZnTe detector at various (μτ)e

    從上述分析可以看出,單純地提高(μτ)e并不能改善探測(cè)器對(duì)低能射線的分辨率。結(jié)合空穴(μτ)h的影響,發(fā)現(xiàn)(μτ)e/(μτ)h比值影響著能量分辨率。Zakharchenko等[23]的研究結(jié)果也表明兩者的比值是影響能量分辨率的關(guān)鍵因素,兩者比值越小,能量分辨率越好,其本質(zhì)上是提高了空穴感應(yīng)電荷對(duì)總感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn),由于空穴在陰極附近,所需的漂移距離較短,所以平均漂移程的變化對(duì)于空穴來說更為敏感,在電子的收集較好的情況下,由于電子空穴的μτ相差較小,那么空穴的收集效率必然較高,拖尾大幅度減小,能量分辨率較好。

    2.2 電壓對(duì)CdZnTe探測(cè)器能譜的影響

    一般而言,電壓增加會(huì)提高電荷收集效率,改善能譜特性。圖6為不同陽極電壓下平面型CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的γ射線的能譜響應(yīng)和電荷收集效率,探測(cè)器厚度為2 mm,(μτ)e=0.8×10-3cm2/V,(μτ)h=1×10-3cm2/V。

    從圖6(a)可以看出,隨著電壓的提高,能譜峰型逐漸變得對(duì)稱,同時(shí)光電峰的道址也在不斷地增加。從圖6(b)中的電荷收集效率曲線可以看出,電壓升高電荷收集效率逐漸提高,在能譜上反映為光電峰的道址在提高。同時(shí),靠近陰極處的電荷收集效率更加趨于水平,即收集效率更加趨于一致,在能譜上表現(xiàn)為光電峰的計(jì)數(shù)提高,拖尾現(xiàn)象降低。

    圖6 不同電場(chǎng)強(qiáng)度下CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的γ射線的能譜響應(yīng)(a)和電荷收集效率(b)Fig.6 Pulse height spectra (a) and CCE (b) for CdZnTe detector irradiated by 241Am@59.5 keV γ-ray at various electric field strength

    對(duì)不同電壓下的能譜進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖7所示。隨著電壓的增大,圖7(a)中光電峰的道址先迅速提高后緩慢提高,最終趨于穩(wěn)定。同時(shí),圖7(b)中的FWHM分辨率則先迅速變好,后緩慢變好,最終趨于穩(wěn)定。光電峰的計(jì)數(shù)和FWTM并非單調(diào)變化,出現(xiàn)了與不同(μτ)e的FWHM類似的規(guī)律,電場(chǎng)強(qiáng)度<800 V/cm時(shí),隨著電壓增大,峰計(jì)數(shù)下降和FWTM變差。其原因是在電壓較低的情況下,由于電荷收集效率低,能譜的總道數(shù)較小,使得計(jì)數(shù)趨于集中,但可以看出FWHM仍然很差。隨著電壓的繼續(xù)增大,收集效率的提高,使得光電峰計(jì)數(shù)不斷增加,光電峰不斷增高,F(xiàn)WTM減小,拖尾減小。

    圖7 (a)光電峰道址與計(jì)數(shù)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的變化; (b)FWHM和FWTM隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化Fig.7 Peak channel and peak counts of photoelectric peak (a), FWHM and FWTM (b) at various electric field strength

    為解釋能譜出現(xiàn)上述變化規(guī)律的原因,對(duì)不同電壓下電子和空穴的收集效率進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖8所示。從圖8(a)可以看出,電壓從400 V/cm增大到1 500 V/cm時(shí),陰極處的電子收集效率從0.75增加到0.92,電場(chǎng)增加1 100 V/cm,收集效率增加0.17。電子收集效率的提高,使得光電峰道址迅速提高,分辨率變好。電壓從1 500 V/cm增大到4 000 V/cm時(shí),陰極處的電子收集效率從0.92增加到0.97,電場(chǎng)增加2 500 V/cm,而收集效率僅增加0.05,電子的收集效率變化很小,已經(jīng)接近飽和,表現(xiàn)在能譜上是道數(shù)的增加趨于緩慢。距陰極0.3 mm處的空穴收集效率從0.43增加到0.7,遠(yuǎn)沒有飽和,空穴收集效率的提高使得低能段的計(jì)數(shù)降低,F(xiàn)WTM和FWHM減小,能譜上表現(xiàn)出空穴拖尾改善,促使光電峰計(jì)數(shù)提高。

    圖8 不同電場(chǎng)強(qiáng)度下電荷收集效率。(a)電子收集效率;(b)空穴收集效率Fig.8 CCE at various electric field strength. (a) CCE of electron; (b) CCE of hole

    由以上分析可得,電壓提高,能譜分辨率變好。電壓較低時(shí),電子的影響占主導(dǎo),隨著電壓的升高,電子收集效率和光電峰道址迅速提高,分辨率變好。電壓較高時(shí),電子收集接近飽和,空穴的影響占主導(dǎo),電壓和空穴收集效率逐漸提高,拖尾減小,分辨率變好。但在實(shí)際應(yīng)用中,提高電壓的同時(shí)漏電流增大,噪聲增加,分辨率可能會(huì)惡化。

    2.3 晶體厚度對(duì)CdZnTe探測(cè)器能譜的影響

    由于低能射線主要作用在陰極附近,可以通過提高探測(cè)器厚度來減小空穴的感應(yīng)電荷量,從而減小拖尾,提高能量分辨率。圖9為不同厚度的CdZnTe平面探測(cè)器的對(duì)241Am@59.5 keV的能譜響應(yīng)和電荷收集效率。其中工作電場(chǎng)為2 000 V/cm,(μτ)e=0.5×10-3cm2/V,(μτ)h=1×10-5cm2/V,探測(cè)器厚度由0.4 mm增加到5 mm。

    從圖9(a)可以看出,隨著CdZnTe厚度的增加,光電峰高度增加,半峰寬變窄,峰的道址在降低。從圖9(b)可以看出,探測(cè)器厚度增加,總電荷收集效率在下降,而射線從陰極入射,在電場(chǎng)強(qiáng)度不變的情況下,增加厚度對(duì)空穴的收集效率沒有影響,但由于電子漂移距離的增加使得漂移過程中的俘獲加劇,總的電荷收集效率下降,故能譜中為光電峰向低道址移動(dòng)。厚度的增加使電子漂移的距離增長(zhǎng),相應(yīng)的對(duì)總感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn)提高,空穴的貢獻(xiàn)從而減弱,能譜中拖尾現(xiàn)象減弱,如圖9(b)插圖所示。同時(shí),隨著厚度增加,1 mm內(nèi)收集效率曲線的斜率在變小。如在d=5 mm時(shí),曲線在1 mm內(nèi)接近水平,說明電荷收集效率的均勻性提高。

    圖9 不同厚度CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的γ射線的能譜響應(yīng)(a)和收集效率(b)Fig.9 (a) Pulse height spectra and (b) CCE for CdZnTe detector irradiated by 241Am @59.5 keV γ-ray at various thickness

    增加厚度主要是通過減小空穴對(duì)總感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn)來減小拖尾,達(dá)到提高能量分辨率的目的。但在電壓較低時(shí),電子的收集效率較低,使得峰道址較低分辨率較差,所以在增加厚度同時(shí)要考慮電子的收集效率。電荷收集效率與電壓、μτ和厚度均有關(guān),為了解電荷收集效率與這三者之間的定量關(guān)系,根據(jù)單載流子收集的Hecht方程計(jì)算了電荷收集效率與這三者之間的關(guān)系[24],如圖10所示,圖中橫坐標(biāo)為漂移程漂移距離之比,L為電荷產(chǎn)生后漂移的距離。

    由于收集效率與μτE/L之間是指數(shù)關(guān)系,所以在μτE/L較小時(shí),μτE/L的增大會(huì)使得收集效率迅速增加。這就是(μτ)h對(duì)能譜分辨率的影響很大的原因。從圖10可以看出,當(dāng)μτE/L<1時(shí),電荷收集效率變化很大,所以在通常測(cè)試條件下,空穴(μτ)h對(duì)收集效率的影響很大,也就是對(duì)拖尾和能量分辨率的影響很大。

    圖10 收集效率與漂移程漂移距離之比的關(guān)系Fig.10 Dependence of CCE on μτE/L

    當(dāng)射線作用位置為陰極,且L=d時(shí),圖10為電荷收集效率與漂移程探測(cè)器厚度比值的關(guān)系。同時(shí)低能射線近表面沉積的數(shù)量最多,而在近表面處,電子的收集效率基本可以反映總的電荷收集效率。所以,可以用μτE/d估算平面型CdZnTe探測(cè)器對(duì)低能射線的收集效率。當(dāng)(μτ)eE/d>3時(shí),電子的收集效率大于85%,也就是總的電荷收集效率也大于85%;當(dāng)(μτ)eE/d>5時(shí),電子的收集效率大于90%。在實(shí)際測(cè)試過程中,可以根據(jù)這個(gè)定量的關(guān)系式估算不同厚度探測(cè)器所需要的工作電壓,也可以根據(jù)低電壓的道址來估算(μτ)e等。

    3 結(jié) 論

    針對(duì)CdZnTe探測(cè)器近表面的低能射線探測(cè),系統(tǒng)研究了CdZnTe探測(cè)器的能譜響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明,在電子收集效率較高時(shí),能量分辨率明顯受遷移率壽命積比值((μτ)e/(μτ)h)的影響,比值越小,能量分辨率越好。增加工作電壓可以提高載流子的收集效率,提高能量分辨率。在電子收集效率較高時(shí),厚度增大可以弱化空穴信號(hào)貢獻(xiàn),提高能量分辨率??梢杂?μτ)eE/d的數(shù)值來估算CdZnTe探測(cè)器對(duì)低能射線的收集效率,(μτ)eE/d>3,收集效率大于85%;(μτ)eE/d>5,收集效率大于90%。

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