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CdZnTe(CZT)核辐射探测器具有较高的探测效率和较好的能量分辨率,广泛应用于x、γ射线探测和成像装置,在国家安全防务、核探测、核控制、天体物理以及医学成像等领域具有巨大的应用前景。但是CZT中空穴的输运性能较差,会降低传统平板器件的能谱性能,采用电容性Ffisch栅结构的CZT探测器可以克服空穴收集的问题,提高器件的性能。
本文采用有限元模拟分析了不同电极参数下的权重势分布,优化了电容性Frisch栅电极结构,研究确定了CZT电容性Frisch栅探测器的基本工艺参数,并为此设计了适用的前置放大器,从而初步研制出CZT电容性Ffisch栅探测器件,最后研究其能谱性能,提出进一步优化的方案。主要研究内容与结果如下:
1、采用有限元软件对电容性Ffisch栅结构的探测器进行三维权重势分布模拟。研究了屏蔽层长度(L)与器件高度(H)之比、绝缘层厚度(d)及其相对介电常数(ε<,r>)对于压缩权重势的影响。根据模拟结果得出了权重势分布优化的方案:L/H=100%,ε<,r>/d>20mm<-1>。
2、确定了CZT电容性Ffisch栅探测器的基本工艺流程及其工艺参数。根据模拟中的参数,并采用多通道能谱仪对不同方法制备的电容性Fnsch栅探测器进行能谱性能测试,结果验证了模拟的结论:当L/H=100%时,能谱的分辨率最好,而绝缘层材料应选择钝化层+薄绝缘性电介质材料的形式。钝化层+特富龙膜的形式不但有足够的绝缘性能,而且有良好的电容性能,其ε<,r>/d≈40mm<-1>。
3、根据电荷灵敏放大器的基本特性与CZT探测器用前置放大器的特点,研制出了和本文制备的CZT电容性Fnsch栅探测器相匹配的前置放大电路,该放大电路能够很好地将电荷转化为电压信号放大输出,其放大倍数为2×10<12>V/C。
4、对MSM结构的探测器与不同L/H值的电容性Fdsch栅结构的探测器进行了不同外加电压的能谱性能测试,比较各项性能统计,结果表明:电容性Frisch栅结构的探测器极大地减小了空穴尾迹效应,在提高探测效率的同时极大地改善了大尺寸探测器的能量分辨率,并且可以在一定范围内通过调节外加电压来改善能量分辨率。根据结论提出了在制备工艺中需进一步提高探测器性能的优化方案。