專利名稱：輻射探測器及輻射探測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及輻射探測器及包括該輻射探測器的輻射探測裝置，更具體地，涉及用于X射線或Y射線能譜測量或成像的CdZnTe (CZT)探測器及其探測裝置。
背景技術：
輻射探測器可以測量例如X射線或Y射線的能譜，因而是進行核素識別的主要手段之一。輻射探測器已經廣泛應用于核輻射防護、核安檢、環境保護及國土安全等領域，用于檢測放射性物質。目前，輻射探測器主要可分為兩類:一類是以NaI (Tl)為代表的閃爍體探測器，另一類是以高純鍺(HPGe)為代表的半導體輻射探測器。閃爍體探測器具有價格便宜、制備簡單等優點。然而，閃爍體探測器的能量分辨率較差，很難滿足復雜能譜精細結構的測量要求。半導體輻射探測器具有很好的能量分辨率。然而，半導體輻射探測器大都要求在液氮(77K)下保存或使用。由于使用了低溫容器和真空室，這將增加探測器的總體積。而且，需要頻繁地添加液氮，無法滿足野外惡劣條件下的使用要求，使用范圍受到了限制。使用化合物半導體材料的半導體輻射探測器具有能量分辨率高、探測效率高、體積小、便于攜帶、并可在室溫下工作等優點。目前，半導體輻射探測器已廣泛應用于環境監測、核醫學、工業無損檢測、安全檢查、核武器突防、航空航天、天體物理和高能物理等領域。近年來，人們對HgI2、GaAs、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2及AlSb等多種化合物半導體材料進行了廣泛的研究。研究表明，CdZnTe是性能優異、最有前途的用于在室溫下工作的半導體輻射探測器的新材料。由于例如CdZnTe的半導體晶體的本身特性，例如空穴壽命短、遷移率低(即μ h τ h很小)，載流子在半導體晶體中的漂移長度Lh很短，在半導體晶體中不同位置處的載流子對脈沖幅度的貢獻不同。結果，化合物半導體輻射探測器的能量分辨率變差。為改善該類化合物半導體輻射探測器的能量分辨性能，該類化合物半導體輻射探測器往往設計為具有單電荷靈敏特性的電極結構，以消除因空穴遷移速度慢而對能量分辨率帶來的不良影響。目前，基于單電荷靈敏特性設計的半導體輻射探測器主要包括:平行弗里希柵型(ParallelFrisch Grid)、共面弗里希柵型(Coplanar Frisch Grid)、半球形(Hemisphere)、準半球型(Quas1-hemisphere)和小像素型(Pixelated)等。上述基于單電荷靈敏特性設計的半導體輻射探測器利用特定的電極結構在一定程度上提高了能量分辨率。然而，這些電極結構較為復雜，工藝制作復雜且給后續的讀出電子學設計帶來困難，不利于便攜式Y譜儀的制作。或者這些電極結構限制了半導體輻射探測器的探測效率，并且對能量分辨率的改善不明顯。
實用新型內容本實用新型的一個目的旨在簡化半導體輻射探測器的電極結構以降低生產成本。本實用新型的進一步的目的是結合信號處理電路對半導體輻射探測器的輸出信號進行修正，以提高能量分辨率。[0008]根據本實用新型的一方面，提供一種輻射探測器，包括:用于感測輻射的半導體晶體，所述半導體晶體包括頂部表面、底部表面和至少一個側面；位于半導體晶體的頂部表面的第一陽極；位于半導體晶體的底部表面的第二陽極；以及位于半導體晶體的至少一個側面的陰極。優選地，半導體晶體感測X射線或Y射線。優選地，半導體晶體的形狀為長方體，并且所述頂部表面和所述底部表面是長方體的任意兩個相對表面，所述至少一個側面是長方體的其余四個表面。優選地，半導體晶體的形狀為立方體，并且所述頂部表面和所述底部表面是立方體的任意兩個相對表面，所述至少一個側面是立方體的其余四個表面。優選地，半導體晶體的形狀為圓柱體，并且所述頂部表面和所述底部表面分別是圓柱體的頂面和底面，所述至少一個側面是圓柱體的側面。優選地，陰極連續覆蓋半導體晶體的所述至少一個側面。優選地，陰極分成位于半導體晶體的所述至少一個側面的一部分并且共同連接在一起的多個區段。優選地，陰極完全覆蓋半導體晶體的所述至少一個側面。優選地，第一陽極和第二陽極分別覆蓋半導體晶體的頂部表面和底部表面的至少一部分。進一步優選地，第一陽極和第二陽極的尺寸為半導體晶體的頂部表面和底部表面之間的高度的1/5 2/5，并且小于半導體晶體的頂部表面和底部表面的尺寸。優選地，第一陽極和第二陽極具有相同的形狀，并且相對于陰極對稱地設置在半導體晶體的頂部表面和底部表面的中心。優選地，半導體晶體由選自HgI2、GaAs、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2 和 AlSb中的一種組成。優選地，射線沿著半導體晶體的4 π方向入射。進一步優選地，射線沿著垂直于所述至少一個側面中的一個側面的方向入射。根據本實用新型的另一方面，提供一種輻射探測裝置，包括:上述的輻射探測器；以及信號處理電路，所述信號處理電路包括:第一雙極性放大整形電路，從第一陽極接收第一感測信號并進行放大和整形；第二雙極性放大整形電路，從第二陽極接收第二感測信號并進行放大和整形；第一絕對值電路，從第一雙極性放大整形電路接收第一感測信號并且計算第一感測信號的幅度的絕對值；第二絕對值電路，從第二雙極性放大整形電路接收第二感測信號并且計算第二感測信號的幅度的絕對值；求和電路，從第一絕對值電路接收第一感測信號的幅度的絕對值，以及從第二絕對值電路接收第二感測信號的幅度的絕對值，并對第一感測信號的幅度的絕對值和第二感測信號的幅度的絕對值求和；以及多道脈沖幅度分析器，接收求和電路的輸出信號并對脈沖幅度分布進行分析。優選地，輻射探測裝置還包括供電電路，在第一陽極、第二陽極與陰極之間提供工作電壓。優選地，輻射探測裝置根據半導體晶體的高度設置工作電壓。進一步優選地，半導體晶體是尺寸為IOmmX IOmmX IOmm的立方體,工作電壓約為100 200V/mm。例如，工作電壓約為200V/mm。[0026]根據本實用新型的輻射探測器利用第一陽極和第二陽極提供兩路感測信號。在優選的實施例中，第一陽極和第二陽極具有相同的形狀，并且相對于陰極對稱地設置在半導體晶體的頂部表面和底部表面的中心。該電極結構的制備無須進行昂貴的光刻技術。該輻射探測器利用結構簡單的雙陽極結構實現了單電荷靈敏特性，從而改善能量分辨率。該雙陽極結構使得可以利用較大靈敏體積的半導體晶體，從而可以提高探測效率。根據本實用新型的輻射探測裝置不需要使用龐大復雜的信號處理電路，僅依靠雙陽極結構的優化及讀出信號的修正即可使室溫半導體Y /X探測器具有較高的能量分辨率。
通過以下參照附圖對本公開實施例的描述，本公開的上述以及其他目的、特征和優點將更為清楚，在附圖中:圖1是根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測器的示意性原理圖；圖2是根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測器中半導體晶體內部不同位置處產生的電子在工作電壓作用下的模擬漂移路徑；圖3是根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測裝置的電路框圖；以及圖4是根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測裝置的模擬能譜圖。
具體實施方式
下文結合附圖對本實用新型優選實施例進行詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本實用新型的上述以及其他目的、優點和特征。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。圖1是根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測器的示意性原理圖。輻射探測器100包括半導體晶體101、陰極102、第一陽極103和第二陽極104。半導體晶體101感測X射線或Y射線。在圖1的示例中，半導體晶體101由CdZnTe (CZT)組成。然而，半導體晶體101的材料不限于此，而是可以由選自HgI2、GaAs、CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2及AlSb中的一種組成。在圖1的示例中，半導體晶體101的形狀為立方體，并且任意兩個相對表面分別作為頂表面和底表面，與頂表面和底表面鄰接的四個表面作為側面。然而，半導體晶體101的形狀不限于此，而是可以是選自長方體、立方體、棱柱和圓柱體的一種，其中兩個相對表面分別作為頂表面和底表面，與頂表面和底表面鄰接的所有表面作為側面。在圖1的示例中，半導體晶體101的頂部表面和底部表面的尺寸由寬度D表示，半導體晶體101的頂部表面和底部表面之間的距離由高度H表示。立方體的寬度D和高度H都是可以調整的參數，本領域技術人員可根據實際應用需求及探測器的效率對其進行調整。立方體的寬度D和高度H相等,通常可為大約5mm 20mm,典型地可以大約為10mm。然而，如果半導體晶體101的頂部表面和底部表面的形狀為長方形，則其尺寸由長度L和寬度D表示，如果半導體晶體101的頂部表面和底部表面的形狀為圓形，則其尺寸由半徑R表
/Jn ο在圖1的示例中，陰極102覆蓋半導體晶體101的所有側面的全部區域。然而，陰極102的配置不限于此。例如，陰極102可以連續覆蓋半導體晶體101的各個側面的一部分，或者可以分成位于半導體晶體101的各個側面的一部分并且共同連接在一起的多個區段。在圖1的示例中，第一陽極103和第二陽極104分別覆蓋半導體晶體的頂部表面和底部表面的至少一部分。第一陽極103和第二陽極104均為圓形，并且分別對稱地設置在半導體晶體的頂部表面和底部表面的中心。第一陽極103和第二陽極104的直徑和半導體晶體101的高度有關系。如果第一陽極103和第二陽極104的直徑過大，則小像素效應不明顯，單電荷靈敏特性不明顯，影響探測器的能量分辨率。如果第一陽極103和第二陽極104的直徑過小，盡管小像素效應增強，但不利于電子空穴對的快速收集，會因電子空穴對的壽命問題帶來電荷收集不完全，從而影響探測器的能量分辨率。本領域技術人員可通過對探測器能量分辨率的優化獲得最佳比例關系。第一陽極103和第二陽極104的尺寸為半導體晶體101的高度的1/5 2/5例如，當半導體晶體尺寸是尺寸為IOmmX IOmmX IOmm的立方體時，第一陽極103和第二陽極104的直徑優選為3mm。此外，第一陽極103和第二陽極104的尺寸還應當小于半導體晶體101的頂部表面和底部表面的尺寸，即第一陽極103和第二陽極104沒有全部覆蓋頂部表面和底部表面，小于半導體晶體的頂部表面和底部表面的尺寸。第一陽極103和第二陽極104的配置不限于圓形，而是可以是選自圓形、方形、長方形、三角形、菱形等的一種。在圖1中示意性地示出了輻射探測器100對Y射線的探測過程。在圖1中示出Y射線沿著垂直于半導體晶體101的一個側面的方向入射。然而，射線的入射方向不限于此，而是可以沿著半導體晶體的4π方向入射。輻射探測器100對于X射線的探測過程與Y射線的探測過程類似。以Y射線的探測過程為例，當射線Itl從半導體晶體101的一個側面入射到半導體晶體101中時，射線Itl將與半導體晶體101內部的原子發生光電效應或康普頓散射。當射線能量大于1.022MeV時，還將發生電子對效應。上述不同作用過程產生的電子都將會與半導體物質原子發生電離相互作用使晶體內生成電子-空穴對。在工作電壓的作用下，電子向第一陽極103、第二陽極104漂移，空穴向陰極102漂移，并在上述電極上產生感測信號。本實用新型人認識到，感測信號的大小及極性將與電子空穴對的產生位置及漂移路徑直接相關，而電子-空穴對的漂移路徑又由工作電場決定。圖2是根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測器中半導體晶體內部不同位置處產生的電子在工作電壓作用下的模擬漂移路徑。對于尺寸為IOmmX IOmmX 5mm的半導體晶體101,通過計算示出了半導體晶體101內部不同位置處產生的電子在工作電壓下的漂移路徑。本領域技術人員容易明白在這些位置處產生的空穴將沿與電子路徑相反的方向漂移。并且，本領域技術人員容易明白半導體晶體101的內部其它不同位置處產生的電子-空穴對的漂移路徑。電子-空穴對在沿上述漂移路徑漂移時，將分別在上表面陽極及下表面陽極上產生電荷感測信號。如圖2所示，本實用新型的輻射探測器利用雙陽極結構，實現了單電荷靈敏特性，即電荷感測信號的大小主要依賴于電子的收集過程，而對空穴的收集過程不敏感。因此，雙陽極結構可以避免由于空穴壽命短而造成的電荷收集不完全現象，從而提高探測器的能量分辨率。圖3是根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測裝置1000的電路框圖。輻射探測裝置1000包括圖1所示的輻射探測器100，還包括信號處理電路200和供電電路300。在輻射探測器100中僅僅示出了第一陽極103和第二陽極104。供電電路300在輻射探測器100的第一陽極103、第二陽極104與陰極102之間提供工作電壓。根據半導體晶體的高度設置工作電壓。在一個示例中，半導體晶體101是尺寸為IOmmX IOmmX IOmm的立方體，工作電壓約為100 200V/mm，優選為200V/mm。信號處理電路200包括:第一雙極性放大整形電路201a，從第一陽極103接收第一感測信號并進行放大和整形；第二雙極性放大整形電路201b，從第二陽極104接收第二感測信號并進行放大和整形；第一絕對值電路202a，從第一雙極性放大整形電路201a接收第一感測信號并且計算第一感測信號的幅度的絕對值；第二絕對值電路202b，從第二雙極性放大整形電路201b接收第二感測信號并且計算第二感測信號的幅度的絕對值；求和電路203，從第一絕對值電路202a接收第一感測信號的幅度的絕對值，以及從第二絕對值電路202b接收第二感測信號的幅度的絕對值，并對第一感測信號的幅度的絕對值和第二感測信號的幅度的絕對值求和；以及多道脈沖幅度分析器204，接收求和電路203的輸出信號并對脈沖幅度分布進行分析。本領域技術人員應當明白，上文所述信號處理電路只是示意性的而非限制性的，任何當前已知或未來已知的能夠滿足上述信號修正處理原理的電路，均屬于本實用新型所述范圍之內。根據本實用新型的輻射探測器100利用第一陽極103和第二陽極104提供兩路感測信號。根據本實用新型的輻射探測裝置1000利用信號處理電路200對雙陽極的感測信號進行處理。在Y射線的探測過程中，第一陽極103作為電子收集電極，則在電子漂移過程中在第一陽極103上產生正感測信號，而在第二陽極104上產生負感測信號，將第一陽極103的感測信號減去第二陽極104的感測信號得到最終讀出信號；反之亦然。若Y光子在探測器內發生多次康普頓散射，且產生的電子分別被兩個陽極分別收集，則兩陽極均產生正感測信號，將第一陽極103的感測信號與第二陽極104的感測信號相加得到最終讀出信號。通過將第一陽極103的感測信號的絕對值與第二陽級104的感測信號的絕對值相加，可以針對上述任一情況獲得最終讀出信號。圖4是根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測裝置1000的模擬能譜圖。本實用新型人認識到，通過上述信號修正處理可顯著改善探測器的能量分辨率。根據本實用新型一個優選實施例的輻射探測裝置1000，在半導體晶體101的尺寸約為IOmmX IOmmX IOmm,第一陽極103和第二陽極的形狀均為直徑約3mm的圓形時,模擬計算得到的能量分辨率可達到1% @662keV0最后，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡地示出和描述了優選示例性的實施例，但是，在不脫離本實用新型精神和范圍的情況下，仍可根據本申請公開的內容直接確定或推導出符合本實用新型原理的許多其他變型或修改。因此，本實用新型的范圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
權利要求1.一種輻射探測器，其特征在于包括: 用于感測輻射的半導體晶體，所述半導體晶體包括頂部表面、底部表面和至少一個側面； 位于半導體晶體的頂部表面的第一陽極； 位于半導體晶體的底部表面的第二陽極；以及 位于半導體晶體的至少一個側面的陰極。
2.根據權利要求1所述的輻射探測器，其特征在于半導體晶體感測X射線或Y射線。
3.根據權利要求1所述的輻射探測器，其特征在于半導體晶體的形狀為長方體，并且所述頂部表面和所述底部表面是長方體的任意兩個相對表面，所述至少一個側面是長方體的其余四個表面。
4.根據權利要求1所述的輻射探測器，其特征在于半導體晶體的形狀為立方體，并且所述頂部表面和所述底部表面是立方體的任意兩個相對表面，所述至少一個側面是立方體的其余四個表面。
5.根據權利要求1所述的輻射探測器，其特征在于半導體晶體的形狀為圓柱體，并且所述頂部表面和所述底部表面分別是圓柱體的頂面和底面，所述至少一個側面是圓柱體的側面。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的輻射探測器，其特征在于陰極連續覆蓋半導體晶體的所述至少一個側面。
7.根據權利要求1-5中任一項所述的輻射探測器，其特征在于陰極分成位于半導體晶體的所述至少一個側面的一部分并且共同連接在一起的多個區段。
8.根據權利要求1-5中任一項所述的輻射探測器，其特征在于陰極完全覆蓋半導體晶體的所述至少一個側面。
9.根據權利要求1-5中任一項所述的輻射探測器，其特征在于第一陽極和第二陽極分別覆蓋半導體晶體的頂部表面和底部表面的至少一部分。
10.根據權利要求9中任一項所述的輻射探測器，其特征在于第一陽極和第二陽極的尺寸為半導體晶體的頂部表面和底部表面之間的高度的1/5 2/5，并且小于半導體晶體的頂部表面和底部表面的尺寸。
11.根據權利要求1所述的輻射探測器，其特征在于第一陽極和第二陽極具有相同的形狀，并且分別對稱地設置在半導體晶體的頂部表面和底部表面的中心。
12.根據權利要求1所述的輻射探測器，其特征在于半導體晶體由選自Hgl2、GaAs,CdTe、CdZnTe、CdSe、GaP、HgS、PbI2 和 AlSb 中的一種組成。
13.根據權利要求1所述的輻射探測器，其特征在于射線沿著半導體晶體的4π方向入射。
14.根據權利要求13所述的輻射探測器，其特征在于射線沿著垂直于所述至少一個側面中的一個側面的方向入射。
15.一種輻射探測裝置，其特征在于包括: 根據權利要求1所述的輻射探測器；以及 信號處理電路，所述信號處理電路包括: 第一雙極性放大整形電路，從第一陽極接收第一感測信號并進行放大和整形；第二雙極性放大整形電路，從第二陽極接收第二感測信號并進行放大和整形； 第一絕對值電路，從第一雙極性放大整形電路接收第一感測信號并且計算第一感測信號的幅度的絕對值； 第二絕對值電路，從第二雙極性放大整形電路接收第二感測信號并且計算第二感測信號的幅度的絕對值； 求和電路，從第一絕對值電路接收第一感測信號的幅度的絕對值，以及從第二絕對值電路接收第二感測信號的幅度的絕對值，并對第一感測信號的幅度的絕對值和第二感測信號的幅度的絕對值求和；以及 多道脈沖幅度分析器，接收求和電路的輸出信號并對脈沖幅度分布進行分析。
16.根據權利要求15所述的輻射探測裝置，其特征在于還包括供電電路，在第一陽極、第二陽極與陰極之間提供工作電壓。
17.根據權利要求16所述的輻射探測裝置，其特征在于根據半導體晶體的高度設置工作電壓。
18.根據權利要求17所述的輻射探測裝置，其特征在于半導體晶體是尺寸為10mmX 10mmX 10mm的立方體，工作電壓約為100 200V/mm。
19.根據權利 要求18所述的輻射探測裝置，其特征在于工作電壓約為200V/mm。
專利摘要公開了一種輻射探測器及包括該輻射探測器的輻射探測裝置。輻射探測器包括用于感測輻射的半導體晶體，所述半導體晶體包括頂部表面、底部表面和至少一個側面；位于半導體晶體的頂部表面的第一陽極；位于半導體晶體的底部表面的第二陽極；以及位于半導體晶體的至少一個側面的陰極。輻射探測裝置包括該輻射探測器和信號處理電路。該輻射探測器利用結構簡單的雙陽極結構實現了單電荷靈敏特性，從而改善能量分辨率。
文檔編號G01T1/36GK203037860SQ201320005909
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月7日 優先權日2013年1月7日
發明者李玉蘭, 張嵐, 李元景, 劉以農, 牛莉博, 傅楗強, 江灝, 張韡, 劉延青, 李軍 申請人:同方威視技術股份有限公司, 清華大學
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