傅楗強(qiáng)

(清華海峽研究院(廈門(mén))，福建 廈門(mén) 361015)

0 引 言

碲鋅鎘是一種新型化合物半導(dǎo)體材料，平均原子序數(shù)為49.1，密度約為5.78 g/cm3。高原子序數(shù)和高密度保證了碲鋅鎘晶體對(duì)伽馬射線具有良好的阻擋本領(lǐng)，本征探測(cè)效率高。碲鋅鎘的禁帶寬度為1.57 eV，寬禁帶抑制了熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的數(shù)目，保證了晶體在室溫下具有很高的電阻率，電阻率可達(dá)1010Ω/cm。由碲鋅鎘制成的探測(cè)器暗電流小，這一特性使得碲鋅鎘探測(cè)器無(wú)須通過(guò)冷卻來(lái)降低暗電流，可以在室溫下工作。碲鋅鎘中生成一對(duì)電子-空穴所需的能量為4.6 eV，使得碲鋅鎘探測(cè)器具有很高的本征能量分辨，能量分辨大大優(yōu)于閃爍體探測(cè)器。

核輻射探測(cè)中常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料性質(zhì)對(duì)比如表1[1]所示。相較于需要低溫冷卻運(yùn)行、且原子序數(shù)較低的硅探測(cè)器和高純鍺探測(cè)器，碲鋅鎘探測(cè)器可以在室溫運(yùn)行，且在探測(cè)效率和便攜性方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。相比于碘化汞(HgI2)和碲化鎘(CdTe)等其他室溫半導(dǎo)體材料，碲鋅鎘材料較為穩(wěn)定、電子遷移率和壽命之積(μeτe值)較高、且不存在極化效應(yīng)，這些優(yōu)勢(shì)令其成為目前室溫半導(dǎo)體中最具前景的輻射探測(cè)器材料[2]。

表1 不同半導(dǎo)體在25 ℃的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of semiconductors at T=25 ℃

碲鋅鎘探測(cè)器的性能主要取決于碲鋅鎘晶體的物理性能。晶體內(nèi)載流子輸運(yùn)特性是決定探測(cè)器電荷收集效率和影響探測(cè)器能量分辨的關(guān)鍵因素。載流子遷移率和壽命主要取決于晶體的結(jié)晶質(zhì)量和雜質(zhì)濃度。目前，受限于生長(zhǎng)工藝，碲鋅鎘晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻、存在能級(jí)缺陷，生長(zhǎng)的晶體尺寸較小，載流子遷移率和壽命之積較小等因素仍然制約著探測(cè)器性能。

碲鋅鎘晶體表面鍍上金屬電極，即可制備成探測(cè)器。碲鋅鎘探測(cè)器的工作原理如圖1所示。在外加偏壓的作用下，探測(cè)器內(nèi)部形成電場(chǎng)。射線和碲鋅鎘晶體作用沉積能量，晶體內(nèi)部電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，且數(shù)量和入射射線的能量成正比。在外加偏壓所形成的電場(chǎng)作用下，電子朝陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，空穴朝陰極運(yùn)動(dòng)；電子和空穴的運(yùn)動(dòng)在電極上產(chǎn)生感應(yīng)電流，所形成的感應(yīng)電流脈沖經(jīng)電荷靈敏前置放大器轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，前置放大器輸出信號(hào)經(jīng)整形放大器進(jìn)一步整形放大，得到更高信噪比的脈沖信號(hào)，最后由多道分析儀、數(shù)據(jù)采集卡等儀器產(chǎn)生入射射線的能譜和圖像等信息[3]。

圖1 碲鋅鎘探測(cè)器的工作原理Fig.1 The working principle of CdZnTe detector

近年來(lái)碲鋅鎘晶體制備技術(shù)不斷提高，eV、Redlen、迪泰克等公司在晶體生長(zhǎng)上均取得重大突破，已能生產(chǎn)厚度15 mm以上的商用晶體。同時(shí)，通過(guò)對(duì)探測(cè)器電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，及低噪聲電子學(xué)和信號(hào)處理技術(shù)的使用，碲鋅鎘探測(cè)器的性能得到了極大的提升，使其成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的輻射探測(cè)技術(shù)。如圖2所示，碲鋅鎘探測(cè)器已被應(yīng)用于國(guó)土安全、醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)應(yīng)用和科研前沿等領(lǐng)域。

圖2 碲鋅鎘探測(cè)器及其應(yīng)用Fig.2 The CdZnTe detectors and their applications

1 單極性電荷靈敏技術(shù)的發(fā)展

1.1 碲鋅鎘探測(cè)器的能量分辨

輻射探測(cè)器的本征能量分辨取決于材料的電離能。氣體中生成一對(duì)電子-離子對(duì)約需30 eV能量；閃爍體中產(chǎn)生一個(gè)光電子約需300 eV能量(以NaI為例)；半導(dǎo)體中產(chǎn)生一對(duì)載流子需要的能量約為3～5 eV。相同能量沉積下，半導(dǎo)體中生成的載流子數(shù)目較氣體和閃爍體要大很多，相對(duì)統(tǒng)計(jì)漲落小；且半導(dǎo)體中生成的載流子數(shù)目統(tǒng)計(jì)漲落符合法諾分布，進(jìn)一步減小了載流子的固有統(tǒng)計(jì)漲落。因此半導(dǎo)體探測(cè)器具有很高的本征能量分辨率。

碲鋅鎘為半導(dǎo)體，其產(chǎn)生一對(duì)載流子需要的能量為4.6 eV，法諾因子為0.089。碲鋅鎘探測(cè)器對(duì)662 keV能量的理論能量分辨極限為0.20%。本文后續(xù)所提及的能量分辨均指對(duì)662 keV伽馬射線的測(cè)量結(jié)果，且用全能峰的半高寬(full width at half maximum，縮寫(xiě)為FWHM)與全能峰能量之比表示。

實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體探測(cè)器能量分辨的主要影響因素有：

1)載流子統(tǒng)計(jì)漲落。這一因素對(duì)能量分辨率的影響是無(wú)法消除的，它決定了探測(cè)器的本征能量分辨。

2)探測(cè)器和電子學(xué)系統(tǒng)的噪聲。探測(cè)器的噪聲主要是由漏電流漲落造成的；電子學(xué)系統(tǒng)的噪聲主要是電荷靈敏前置放大器、主放大器等的噪聲。

3)電荷收集效率差異引入的能量展寬。載流子輸運(yùn)過(guò)程中發(fā)生俘獲，導(dǎo)致電荷收集不完全，造成電荷收集效率的差異。這一項(xiàng)與電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、讀出電子學(xué)方法密切相關(guān)。探測(cè)器的實(shí)際能量分辨可表達(dá)為：

(1)

電荷收集效率差異引入的能量展寬是目前制約碲鋅鎘探測(cè)器能量分辨的最大因素，導(dǎo)致碲鋅鎘探測(cè)器能量分辨惡化的根本原因是探測(cè)器內(nèi)部不同位置的電荷收集效率差異。究其本質(zhì)在于碲鋅鎘晶體內(nèi)載流子的μτ值(遷移率-壽命之積)。從表1中可見(jiàn)，碲鋅鎘晶體電子與空穴的μτ值相差約2個(gè)量級(jí)，因此在電荷收集過(guò)程中空穴俘獲現(xiàn)象十分明顯。

實(shí)際測(cè)量中，傳統(tǒng)平板電極結(jié)構(gòu)的碲鋅鎘探測(cè)器輸出信號(hào)幅度隨射線作用深度而改變，極大地限制了探測(cè)器性能。平板探測(cè)器僅對(duì)低能射線具有較好的能量分辨，對(duì)中高能射線(如662 keV)的能量分辨急劇惡化。為了從理論上分析計(jì)算不同電極結(jié)構(gòu)下的電荷收集效率，下面先介紹用于計(jì)算感應(yīng)信號(hào)的Shockley-Ramo定理。

1.2 Shockley-Ramo定理

(2)

定理可等效地表述為，電極上累積的電荷量正比于電荷q從起始點(diǎn)a運(yùn)動(dòng)到終止點(diǎn)b的這一過(guò)程中權(quán)重電勢(shì)φ的變化量。

(3)

需要說(shuō)明的是，權(quán)重電勢(shì)(電場(chǎng))為虛擬的電勢(shì)(電場(chǎng))，是用來(lái)計(jì)算感應(yīng)信號(hào)的一種工具。權(quán)重電勢(shì)沒(méi)有單位，權(quán)重電場(chǎng)的單位是m-1。與真實(shí)電場(chǎng)、真實(shí)電勢(shì)不同，權(quán)重電場(chǎng)和權(quán)重電勢(shì)與探測(cè)器所加的外部偏壓無(wú)關(guān)，僅與探測(cè)器的電極結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于一個(gè)特定的電極結(jié)構(gòu)，讀出電極的權(quán)重電勢(shì)(電場(chǎng))計(jì)算基于以下三點(diǎn)假設(shè)：

1)選定的電極的電勢(shì)設(shè)為1；

2)其他電極的電勢(shì)全部置為0；

3)忽略空間電荷。

1.3 平板電極結(jié)構(gòu)的局限

對(duì)于傳統(tǒng)平板電極探測(cè)器，信號(hào)通常從陽(yáng)極讀出。根據(jù)Shockley-Ramo定理，將陽(yáng)極電勢(shì)設(shè)為1，且將陰極電勢(shì)設(shè)為0，由此計(jì)算出的權(quán)重電勢(shì)分布滿足一個(gè)線性函數(shù)，如圖3(b)所示。

后文的敘述中為了描述的簡(jiǎn)潔性，統(tǒng)一設(shè)探測(cè)器的厚度為1，伽馬射線作用的相對(duì)深度為z。若忽略探測(cè)器中的載流子俘獲現(xiàn)象(如體積較小的高純鍺探測(cè)器)，空穴從深度z漂移到0，電子從深度z漂移到1的過(guò)程中(見(jiàn)圖3(b))，陽(yáng)極上的感應(yīng)電荷為：

圖3 平板電極探測(cè)器Fig.3 The illustration of a detector using planar electrodes

Qinduced=Qinduced,electron+Qinduced,hole=Ne0(1-z)-

Ne0(0-z)=Ne0

(4)

其中，N為電子-空穴對(duì)數(shù)目，e0為單位電子電量。感應(yīng)電荷量與初始載流子電荷量之比定義為電荷收集效率(符號(hào)η)：

(5)

從式(4)可見(jiàn)感應(yīng)信號(hào)的幅度正比于電子-空穴對(duì)的數(shù)目N，即與沉積能量成正比，與作用深度z無(wú)關(guān)。此時(shí)，電荷收集效率恒為1，對(duì)于固定的能量沉積，探測(cè)器的輸出幅度理論上為一個(gè)常數(shù)，能量展寬只由載流子統(tǒng)計(jì)漲落和電子學(xué)噪聲貢獻(xiàn)。

實(shí)際的碲鋅鎘探測(cè)器中載流子存在俘獲現(xiàn)象，感應(yīng)電荷量滿足著名的Hecht公式：

Qinduced=Qinduced,electron+Qinduced,hole=

(6)

其中E為電場(chǎng)強(qiáng)度，μ、τ分別為載流子遷移率和壽命。碲鋅鎘中電子的μeτe值遠(yuǎn)大于空穴的μhτh值。若假設(shè)電子不俘獲，空穴完全俘獲，則空穴對(duì)信號(hào)貢獻(xiàn)為0，此時(shí)陽(yáng)極的感應(yīng)信號(hào)全部由電子貢獻(xiàn)：

Qinduced=Qinduced,electron=Ne0(1-z)

(7)

顯然，感應(yīng)電荷量與作用深度z有關(guān)，不同作用深度的電荷收集效率為：

(8)

從式(7)可見(jiàn)相同能量沉積下，探測(cè)器輸出信號(hào)幅度隨射線作用深度而改變，由此引入的能量展寬為電荷收集效率差異貢獻(xiàn)。由于空穴俘獲引起電荷收集效率的損失，而不同深度的損失率存在差異，最終導(dǎo)致能譜的全能峰嚴(yán)重不對(duì)稱。實(shí)測(cè)能譜中全能峰靠近低能區(qū)域有一個(gè)“尾巴”，稱之為低能尾現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)，極大地限制了平板探測(cè)器的性能。

圖4 平板碲鋅鎘探測(cè)器能譜及低能尾現(xiàn)象Fig.4 The spectrum and low-energy tail of CdZnTe detector using planar electrodes

1.4 提高能量分辨的方法

由于碲鋅鎘晶體中空穴的μhτh值比電子μeτe值低約2個(gè)數(shù)量級(jí)。空穴俘獲引起電荷收集不完全，導(dǎo)致探測(cè)器的能量分辨率急劇惡化。為提升碲鋅鎘探測(cè)器的性能，從材料學(xué)科角度而言需改進(jìn)碲鋅鎘晶體的生長(zhǎng)方式，提升載流子的μτ值和晶體的均勻性。

從輻射探測(cè)學(xué)科的角度，則需設(shè)計(jì)特殊的讀出電極結(jié)構(gòu)和讀出電子學(xué)方法來(lái)消除載流子俘獲引起的電荷收集效率差異，使碲鋅鎘探測(cè)器的能量分辨盡可能地接近其本征能量分辨。

近二十余年碲鋅鎘探測(cè)器領(lǐng)域發(fā)展了許多特殊讀出電極結(jié)構(gòu)和讀出電子學(xué)方法。讀出電極結(jié)構(gòu)大多采用了單極性電荷靈敏的設(shè)計(jì)思想；讀出電子學(xué)方法多數(shù)是基于位置靈敏和能量校正的原理而設(shè)計(jì)的。

根據(jù)Shockley-Ramo定理，讀出電極上的感應(yīng)電荷與電極的權(quán)重電勢(shì)分布有關(guān)。為提高碲鋅鎘探測(cè)器的能量分辨率，可通過(guò)優(yōu)化探測(cè)器內(nèi)的權(quán)重電勢(shì)分布，使得感應(yīng)信號(hào)主要取決于電子的收集，以此減少空穴收集不完全的影響?；谶@一思想發(fā)展了單極性電荷靈敏技術(shù)，并發(fā)明了許多電極結(jié)構(gòu)。

除了通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的讀出電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化權(quán)重電勢(shì)，還可以通過(guò)讀出電子學(xué)方法來(lái)修正和補(bǔ)償空穴俘獲的影響[5]。如針對(duì)脈沖上升時(shí)間甄別技術(shù)(rise time discriminator,RTD)；同時(shí)收集陽(yáng)極和陰極信號(hào)，采用雙參數(shù)算法(bi-parametric,BP)；波形分析法(pulse shape analysis,PSA)；三維位置靈敏校正法(3D position sensitive and correction)等。

1.5 單極性電荷靈敏技術(shù)

碲鋅鎘晶體中電子的μeτe值遠(yuǎn)大于空穴的μhτh值，對(duì)于平板探測(cè)器，電子幾乎完全被收集，而空穴則大多數(shù)未被收集。低能尾現(xiàn)象主要是由于空穴俘獲引起的。

為克服碲鋅鎘晶體中空穴俘獲的不良影響，科研人員發(fā)展出了單極性電荷靈敏技術(shù)[4]，使探測(cè)器輸出信號(hào)主要取決于電子的收集，而不依賴于空穴的收集。單極性電極結(jié)構(gòu)的共同特征是：陽(yáng)極的權(quán)重電勢(shì)在遠(yuǎn)離陽(yáng)極的區(qū)域非常低，接近于0；而在陽(yáng)極周圍的小區(qū)域內(nèi)，權(quán)重電勢(shì)迅速增大到1，如圖5所示。基于這一技術(shù)原理，科研人員發(fā)明了許多特殊的讀出電極結(jié)構(gòu)，后文中統(tǒng)稱為單極性電極結(jié)構(gòu)。

圖5 單極性電極結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極權(quán)重電勢(shì)分布Fig.5 The weighting potential of the anode using single polarity charge sensing technique

在單極性電極探測(cè)器中，在遠(yuǎn)離陽(yáng)極的深度為z處的權(quán)重電勢(shì)φ(z)≈0，根據(jù)Shockley-Ramo定理，對(duì)于發(fā)生在此處的反應(yīng)，陽(yáng)極的感應(yīng)電荷為：

Qinduced=Qinduced,electron+Qinduced,hole=Ne0[1-

φ(z)]-Ne0[0-φ(z)]≈Ne0

whenφ(z)≈0

(9)

從式(9)可見(jiàn)空穴對(duì)感應(yīng)信號(hào)的貢獻(xiàn)非常小，可以忽略不計(jì)，因此探測(cè)器輸出信號(hào)與作用深度無(wú)關(guān)，電荷收集效率約等于1。單極性電極結(jié)構(gòu)有效地克服了空穴俘獲對(duì)探測(cè)器性能的影響。以上是單極性電極的基本原理，實(shí)際的碲鋅鎘探測(cè)器中，不僅空穴俘獲嚴(yán)重，電子也存在一定的俘獲，電極設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)電極尺寸、偏壓等參數(shù)優(yōu)化，對(duì)電子俘獲進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提升能量分辨。運(yùn)用單極性電極結(jié)構(gòu)的碲鋅鎘探測(cè)器性能有了顯著的提升，極大地拓展了碲鋅鎘探測(cè)器的運(yùn)用。

2 典型的單極性電極結(jié)構(gòu)

本節(jié)介紹了碲鋅鎘探測(cè)器中典型的單極性電極結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述各讀出電極結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式和性能特點(diǎn)。

2.1 弗里希柵電極

弗里希柵(Frisch Grid)最早被弗里希用在氣體探測(cè)器中，用于克服離子漂移慢引起的信號(hào)損失。碲鋅鎘探測(cè)器中借鑒該思想，優(yōu)化發(fā)展了弗里希柵電極結(jié)構(gòu)[6]。如圖6(b)所示，引入的弗里希柵電極改變了陽(yáng)極權(quán)重電勢(shì)的分布，陽(yáng)極的權(quán)重電勢(shì)在陰極和柵極之間約為0，從柵極至陽(yáng)極之間則線性增長(zhǎng)至1。這種權(quán)重電勢(shì)分布意味著載流子在陰極和柵極之間的運(yùn)動(dòng)不會(huì)在陽(yáng)極上引起感應(yīng)電荷(包括了電子、空穴引起的信號(hào))；只有穿過(guò)柵極的電子才會(huì)對(duì)陽(yáng)極信號(hào)產(chǎn)生貢獻(xiàn)。因此，陽(yáng)極輸出信號(hào)的幅度正比于被收集的電子數(shù)目，空穴運(yùn)動(dòng)引起的感應(yīng)信號(hào)被消除了。

美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratory，簡(jiǎn)稱BNL)對(duì)弗里希柵電極進(jìn)行大量、深入地研究，其典型電極結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6(a)，碲鋅鎘晶體尺寸采用6 mm×6 mm×15 mm柱狀，在靠近陽(yáng)極的四面設(shè)有5 mm寬的4個(gè)弗里希柵電極。若采用單通道電子學(xué)模擬讀出陽(yáng)極信號(hào)幅度，弗里希柵探測(cè)器的能量分辨率約為2.0%[7]。通過(guò)數(shù)字化波形采樣讀出陰極、陽(yáng)極和4個(gè)弗里希柵極共6路的波形信息，并運(yùn)用波形分析技術(shù)，探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)位置靈敏并達(dá)到接近1.0%的能量分辨率[8]。

圖6 弗里希柵電極探測(cè)器Fig.6 The illustration of Frisch grid detector

2.2 共面柵電極

共面柵(Coplanar Grid)電極結(jié)構(gòu)利用相對(duì)簡(jiǎn)單的讀出電子學(xué)，有效地提高碲鋅鎘探測(cè)器的能量分辨，是單極性電極結(jié)構(gòu)中的經(jīng)典案例。共面柵電極結(jié)構(gòu)于1994年由P.N.Luke[9]發(fā)明，如圖7(a)所示。在陽(yáng)極，平行的條狀電極代替了單個(gè)陽(yáng)極，這些條狀電極交替連接在一起，形成兩組相互交叉的柵極結(jié)構(gòu)，分別稱為收集極和非收集極。兩組柵極間施加一定的電壓差，以保證電子只被收集極收集。在讀出電子學(xué)上利用減法電路將收集極信號(hào)減去非收集極信號(hào)，得到凈輸出信號(hào)。

圖7(b)繪制了收集極、非收集極沿著垂直于電極表面且與其中一條收集電極中心相交叉的直線的權(quán)重電勢(shì)分布。收集電極與非收集電極的權(quán)重電勢(shì)分布分別為φ2和φ3，凈輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的權(quán)重電勢(shì)為φ2-φ3。假設(shè)電子不俘獲，則射線的作用深度z≤1-P時(shí)，凈輸出信號(hào)為：

圖7 共面柵電極探測(cè)器Fig.7 The illustration of coplanar grid detector

Qcoplanar=Q2-Q3=Ne0((φ2(1)-φ2(z))-

(φ3(1)-φ3(z)))=Ne0

(10)

從式(10)可見(jiàn)，凈輸出信號(hào)的幅度與射線的作用深度無(wú)關(guān)且正比于沉積能量的大小。實(shí)際探測(cè)器中，電子也存在俘獲現(xiàn)象。為了補(bǔ)償電子俘獲，P.N.Luke提出在減法電路中對(duì)非收集極施加小于1的增益G，這種情況下凈輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的權(quán)重電勢(shì)為φ2-G×φ3。通過(guò)對(duì)增益G微調(diào)，進(jìn)一步優(yōu)化權(quán)重電勢(shì)的分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子俘獲的補(bǔ)償，提高探測(cè)器能量分辨能力[10]。

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校對(duì)共面柵電極探測(cè)器進(jìn)行了細(xì)致的研究，針對(duì)10 mm×10 mm×10 mm的晶體精心設(shè)計(jì)共面柵電極結(jié)構(gòu)及專用讀出電子學(xué)芯片，對(duì)50個(gè)探測(cè)器均取得了小于2.0%的能量分辨[11]。若讀出電路上同時(shí)讀出陰極信號(hào)并開(kāi)展深度靈敏和校正，能量分辨率可達(dá)1.26%。

2.3 漂移條狀電極

丹麥C.Budtz-J?rgensen提出了漂移條狀電極結(jié)構(gòu)，如圖8所示。探測(cè)器陽(yáng)極被切割為一組平行的條狀電極。每組電極由若干個(gè)漂移電極和1個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成。通過(guò)分壓電路為每個(gè)漂移條狀電極提供分壓，漂移條狀電極的偏置方式使電子向陽(yáng)極條移動(dòng)。同時(shí)，這些條狀電極對(duì)陽(yáng)極形成靜電屏蔽作用，陽(yáng)極的權(quán)重電勢(shì)在遠(yuǎn)離陽(yáng)極處幾乎為零，從而降低對(duì)空穴的敏感性。針對(duì)20 mm×20 mm×4.7 mm的晶體，在合適的偏壓下，探測(cè)器取得了1.6%的能量分辨[12]。

圖8 漂移條狀電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 The schematic of CdZnTe drift detector

2.4 準(zhǔn)半球電極

美國(guó)eV公司于1999年發(fā)明了CAPture電極結(jié)構(gòu)，在平板電極的基礎(chǔ)上將陰極適當(dāng)?shù)匕w側(cè)面(見(jiàn)圖9(a))。該電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易制備，對(duì)于5 mm×5 mm×5 mm晶體，陰極包裹高度為2 mm的情況下，探測(cè)器可實(shí)現(xiàn)約2.0%的能量分辨。但CAPture探測(cè)器中低能尾現(xiàn)象較為嚴(yán)重，限制了其應(yīng)用。

在CAPture結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，eV公司于2005年發(fā)明準(zhǔn)半球(hemi-spherical，又稱為CAPture Plus)電極結(jié)構(gòu)[13]。該結(jié)構(gòu)適用于半立方體晶體，運(yùn)用了點(diǎn)電極的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)單極性電荷靈敏，權(quán)重電勢(shì)如圖9(c)所示。西北工業(yè)大學(xué)用10 mm×10 mm×5 mm晶體制成的探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了約1.17%的能量分辨[14]。

圖9 CAPture電極和準(zhǔn)半球電極探測(cè)器Fig.9 The illustration of CAPture and hemi-spherical detectors

2.5 像素電極

二維成像探測(cè)器中廣泛運(yùn)用像素電極結(jié)構(gòu)?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，碲鋅鎘探測(cè)器單個(gè)像素電極的伽馬射線能量分辨率相比于傳統(tǒng)平板電極探測(cè)器有了顯著提高?？蒲腥藛T意識(shí)到像素電極讀出是單極性電荷靈敏技術(shù)的另一種實(shí)現(xiàn)形式，這種現(xiàn)象被稱為“小像素效應(yīng)”(small pixel effect)[15]。一個(gè)像素電極沿著其中心法線的權(quán)重電勢(shì)分布如圖10(b)所示。像素電極尺寸與探測(cè)器厚度之比越小，在(0≤z≤1-P)權(quán)重電勢(shì)的增長(zhǎng)就越小，小像素效益越明顯。對(duì)于特定的電極尺寸，通過(guò)施加特定偏壓，使得電子在區(qū)域(0≤z≤1-P)中的俘獲可以得到最優(yōu)補(bǔ)償，從而得到最佳的能量分辨。

圖10 像素電極探測(cè)器Fig.10 The illustration of pixel detector

為了進(jìn)一步提升探測(cè)器能量分辨，美國(guó)密歇根大學(xué)的Z.He課題組[4]提出了三維位置靈敏碲鋅鎘探測(cè)器(3D position sensitive CdZnTe detector，簡(jiǎn)稱3D CZT探測(cè)器)的概念。通過(guò)獲取作用深度信息，將整塊晶體在三維空間虛擬地切割為若干個(gè)體元(voxel)，而后對(duì)每個(gè)體元的電荷收集效率進(jìn)行刻度和校正，從而消除載流子俘獲、材料不均勻等帶來(lái)的電荷收集效率差異[16]。目前針對(duì)20 mm×20 mm×15 mm的晶體，采用數(shù)字化波形采樣專用讀出電子學(xué)芯片，開(kāi)展三維位置校正，整個(gè)晶體的能量分辨率為0.56%，單個(gè)像素事例的分辨率高達(dá)0.39%，已接近高純鍺探測(cè)器的能量分辨[17]。

2.6 線電極

同方威視L.Zhang等人[18]提出了線電極結(jié)構(gòu)，如圖11所示，通過(guò)減小線電極寬度，線電極(陽(yáng)極)的權(quán)重電勢(shì)在探測(cè)器大部分的靈敏體積內(nèi)值都接近于0，在靠近線電極(陽(yáng)極)的小區(qū)域內(nèi)迅速增長(zhǎng)為1。因此，陽(yáng)極信號(hào)主要由電子的運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)，線電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單極性電荷靈敏。針對(duì)10 mm×10 mm×10 mm的晶體，制成的樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)中取得了2.0%的能量分辨。但實(shí)測(cè)的能譜存在高能尾現(xiàn)象，影響了其性能。

圖11 線電極結(jié)構(gòu)探測(cè)器Fig.11 The illustration of the line anode detector

2.7 場(chǎng)增強(qiáng)線電極

清華大學(xué)Y.L.Li課題組[19]對(duì)碲鋅鎘探測(cè)器內(nèi)部載流子輸運(yùn)及感應(yīng)電荷收集過(guò)程建立了物理模型與模擬軟件，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該課題組對(duì)線電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行提升改進(jìn)，核心思想為：將側(cè)面陰極切割為若干條狀電極，并施加階梯電壓，以此來(lái)改善探測(cè)器內(nèi)部的電場(chǎng)分布。改進(jìn)后的電極結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖12。通過(guò)合理地設(shè)置側(cè)面條狀電極的偏壓值，探測(cè)器內(nèi)部電場(chǎng)分布均勻化，且平均電場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，因此命名為場(chǎng)增強(qiáng)線電極。

圖12 場(chǎng)增強(qiáng)線電極探測(cè)器Fig.12 The illustration of the strengthened electric field line anode detector

根據(jù)優(yōu)化的電極方案，課題組制備了場(chǎng)增強(qiáng)線電極探測(cè)器。對(duì)137Cs源的實(shí)測(cè)能譜取得了1.5%的能量分辨。課題組進(jìn)一步對(duì)場(chǎng)增強(qiáng)線電極探測(cè)器開(kāi)展深度校正的理論和實(shí)驗(yàn)研究，校正后的能量分辨率理論上優(yōu)于1.2%[20]。

3 結(jié) 論

碲鋅鎘探測(cè)器的研究工作已開(kāi)展近三十年，由于碲鋅鎘晶體中空穴的μhτh值較小，為克服碲鋅鎘晶體中空穴俘獲的不良影響，研究過(guò)程中發(fā)展了單極性電荷靈敏等關(guān)鍵技術(shù)，在讀出電極結(jié)構(gòu)上取得了大量成果。表2匯總了典型的單極性電極結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)了他們所用晶體尺寸以及最新的性能指標(biāo)。典型的單極性電極碲鋅鎘探測(cè)器能量分辨優(yōu)于2.0%。結(jié)合特殊讀出電子學(xué)方法，多數(shù)電極結(jié)構(gòu)可以取得接近1.0%的能量分辨。其中數(shù)字化波形采樣讀出并開(kāi)展校正的像素探測(cè)器整體能量分辨已達(dá)到0.56%，單像素能量分辨高達(dá)0.39%，已接近高純鍺探測(cè)器的能量分辨。

表2 單極性電極結(jié)構(gòu)匯總Table 2 Summary of the single polarity charge sensing electrodes

雖然基于單極性電荷靈敏技術(shù)的一系列特殊電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和相應(yīng)的讀出電子學(xué)方法可以有效提高碲鋅鎘探測(cè)器的能量分辨。但晶體的載流子輸運(yùn)特性仍然是制約碲鋅鎘探測(cè)器性能的主要因素。未來(lái)隨著高品質(zhì)碲鋅鎘晶體制備工藝的不斷提高，晶體質(zhì)量和尺寸得到持續(xù)改進(jìn)和突破，加之配套低噪聲電子學(xué)芯片、讀出電子學(xué)方法的發(fā)展，碲鋅鎘探測(cè)器必將在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。