晶体概述

碲锌镉晶体简介

Cd、Zn、Te三元组成的碲锌镉(CdZnTe也可简称:CZT)晶体,是性能最好的室温核辐射探测半导体材料之一。从材料学的角度来看,碲锌镉晶体是一种固溶体,由CdTe晶体演变而来。CdTe可以看成由Cd原子组成的面心立方,在沿体对角线方向平移四分之一个对角线长度位置,嵌套一个Te原子组成的面心立方形成。将其中的一部分Cd原子替换为Zn原子,就形成了碲锌镉晶体,也即碲锌镉晶体是CdTe和ZnTe形成的固溶体其中固溶度通常由下标x表示,即Cd1-xZnxTe,最常见的x值有两种:当x=0.04时,碲锌镉的晶格常数与红外探测材料碲镉汞(MCT)完全匹配,是性能优异的红外探测器外延衬底;当x=0.1时,是探测器级的碲锌镉。

半导体探测器通常都基于光电效应,即光子照射在半导体中会使半导体中的电子电离,形成电子空穴对,即非平衡载流子。在外加偏压的影响下,载流子会向探测器电极漂移,形成电信号,对该信号进行放大,就能实现对光子的探测。不同于传统的闪烁体探测器,半导体探测器基于从光直接转化为电信号,属于直接转化;而闪烁体探测器通常会将高能光信号转化为可见光信号,再通过光电倍增管或可见光探测器将可见光信号转化为电信号,属于间接转化。因此,通常来说,半导体探测器相比于闪烁体探测器,探测效率更高,灵敏度也更高

碲锌镉辐射探测原理图

碲锌镉探测器的优势
  • 01 . 优良的探测效率

    对光子的吸收效率是探测效率的重要影响因素。碲锌镉的平均原子序数较大,其对光子的吸收较强。同时,碲锌镉的电子迁移率大约为1000 cm?/Vs,寿命大约为10-5?ns量级,这保证了电子具有较快的漂移速度和较长的漂移程,使得探测信号的响应时间很快,大约在几到几十 ns量级,信号的能量线性也相对较好。

  • 02 . 高能量分辨率

    碲锌镉晶体由于其材料特性,对中低能量射线具有较高的探测效率,且能量分辨率和空间分辨率也较高。例如3.5%@59.5keV,241Am;2.5%@122 keV,57Co;1.0%@662keV,137Cs等都远超市面上其他室温半导体材料在相同能量下的分辨率。

  • 03 . 稳定的温度响应特性

    温度响应特性主要指碲锌镉探测器在不同工作温度下保持良好性能的稳定性程度。由于晶体材料本身特性影响,碲锌镉探测器在60℃以后才会发现明显的光电峰位偏移现象,稳定性极佳。

04 . 高空间分辨率

碲锌镉晶体对低能X、γ射线具有较高的探测效率,其空间分辨率(表示图像能够区分的最小尺寸单元)较高。尤其是光子计数型探测器方面,可以通过光刻技术将像素做的很小,最小空间分辨率可至70μm,达到国际领先水平。

综合了以上优点,碲锌镉被认为是10keV-3MeV能量范围内最好的室温核辐射探测材料。

然而,制约碲锌镉材料发展的主要因素在于它的制备难度。熔体法生长碲锌镉晶体时,碲锌镉熔体具有较高的动力学粘度(约10 mPa··s),极低的热导率(约为1 W/m·K),这使得碲锌镉晶体生长时熔体内部的热量难以传导,且物质不易均匀化;熔点附近较高的Cd蒸气压(1.3 atm),在晶体中大量形成Cd空位缺陷,降低材料电阻率;极低的临界剪切应力(0.3 Mpa),使得材料极易开裂;CdTe-ZnTe以任意比例固溶稳定存在,导致极易产生Zn在碲锌镉中的不均匀分布。由于这些普遍存在的难点,单晶率是碲锌镉材料制备的首要难点。迪泰克不仅攻克了单晶生长技术,还对碲锌镉晶体进行系统的缺陷工程研究,从产业角度对碲锌镉中的各种缺陷进行控制平衡,极大提高了成品率。在介万奇教授的带领下,公司技术团队克服制备难点,采用改良的布里奇曼法,批量生产探测器级的碲锌镉晶体,单晶率处于国际领先水平。

常见半导体探测器材料性能汇总
材料

密度

(g·cm-3)

最大原子序数

电阻率

(Ω·cm)

禁带宽度

(eV)

平均电离能

(eV)

电子迁移率

(cm2·V-1·s-1)

电子寿命

(μs)

空穴迁移率

(cm2·V-1·s-1)

空穴寿命

(μs)

CdZnTe5.7552>10101.55-1.6
4.61100-16001-1030-800.1-1
CdTe5.8552109-10111.444.43800-12000.33-4902
金刚石3.56>10165.513.61800-1200-
CdMnTe5.815210101.59-1.7255>10001.17601
TIBr7.56811010-10112.685.85-6.510-6-10-310-5-10-4
Si2.33141051.12-1.163.62-3.761350103-104480500
Sic3.2145.1*10103.267.4450-115-
HPGe5.3532500.27-0.7462.963900>103-10419002*(103-104)
BN2.27-3.48775*1010-10166-6.5-10-410-4
GaAs5.3233107-1091.434.518000
400
InSb5.78514.6*1030.1653.578000
750
非晶Se4.81341012-10142-2.32.3-2.452-710-1030.13-0.1410-500
HgI26.48010132.1-2.134.3100400410
PbI26.2821011-10122.274.980.01-0.120.01-0.1
Bil35.883(2-5)*1092-600
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x射线光子计数成像

X射线成像经历了从最早的摄影干板到胶片/增感屏组合,到目前数字化X射线图像的各阶段的进步。二十世纪60年代末至70年代初以来,随着计算机与微电子技术的飞速发展,席卷全球的数字化技术和计算机网络与通信技术已经对X光影像设备产生广泛而深远的影响。20世纪80年代,日本富士公司推出数字化X射线成像技术(Computed Radiograph,即CR)CR技术采用影像板代替传统的胶片/增感屏来记录X射线,再用激光激励影像板,通过专用的读出设备读出影像板存储的数字信号,之后再用计算机进行处理和成像。到20世纪90年代又出现了直接数字化X射线成像技术(Digital Radiography,即DR),DR技术的探测器可以迅速将探测到的X射线信号直接转化为数字信号输出,而不需要CR中的激光扫描和专用的读出设备。

光子计数的概念从20世纪80年代提出以来,在弱光和微光的探测领域发挥了重要作用。近年来,随着X射线光子计数探测器的飞速发展及高速处理电子学技术的进步,使其可实现短时间大计数的X射线成像,因此成为X射线成像领域研究的大热门。光子计数型X射线探测器可以通过设置电子学阈值,滤除能量较低的脉冲,从而可以完全消除低能噪声对成像结果的影响。通过设置更多的电子学阈值,可以甄别每个入射光子与物质相互作用得到的脉冲信号,识别入射光子的能量信息并将其对应到不同的能区分别进行累计,从而将较宽能谱分布的X射线分能区进行计数,直接得到不同能区的成像结果。它相当于将能谱信息引入到传统的X射线成像中,因此也被称为“X射线彩色成像”。与传统的电荷积分式探测器相比,光子计数探测器具有很多的优势。首先,它可以消除低能噪声对成像的干扰,有效提高了图像质量;另外,它引入了能谱的信息,一次扫描可以得到不同能区的成像结果,将X射线成像由“黑白”升级为“彩色”,实现物质识别的功能性成像;同时,多能谱光子计数X射线成像技术对于提高图像质量、信噪比和检测精度,降低辐射剂量有着重要意义,是未来X射线成像发展的趋势。

光子计数成像技术最核心的部分在于探测器材料的选择和器件制备。在探测器材料中,半导体探测器材料因其可直接实现将X光信号转化为电信号,相比闪烁体材料有较大的优势。碲锌镉 (CdZnTe以下简称:CZT)相比于其它半导体辐射探测材料,具有可在室温下工作(禁带宽度大)、计数率高、能量分辨率高、空间分辨率高、对高能γ射线也有较高的探测效率等优点,被认为是综合性能最佳的半导体辐射探测材料。同时,CZT有较高的电子迁移率,较高的信噪比,对20keV-200keV较大的吸收系数,也极其符合光子计数成像的要求。过去数十年的研究发现,CZT探测器是实现多能谱光子计数X射线探测器的最佳选择。目前在全世界范围内,基于CZT的光子计数CT、矿石分选设备、安检设备等X射线成像仪器设备,都成为研究和产品开发的大热门。

传统成像与光子计数成像基本原理比较

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