CZT探测器与闪烁体 探测器的对比
CZT SPECT
Discovery NM/CT 670
GE公司开发了全球首台采用半导体探头的SPECT：Discovery NM 530c及Discovery NM 570c（Discovery NM530c+128层CT），及采用CZT探测器的乳腺伽玛相机。
国内研究现状
国外研究现状
国外CZT材料技术
国外研究现状
CZT探测器被广泛应用在空间天文观测中
SVOM
SWIFT
ASTRO-H
INTEGRAL
国外研究现状 美国 NASA的Swift卫星搭载的 BAT 天文望远镜
性能 观察孔 探测面积 参数 编码掩模 5200 cm2
探测器
探测方式 视野
CdZnTe
光子计数 2 sr (部分编码)
3. 整机系统的设计与开发
便携式伽马谱仪
安检成像设备
医疗CT
根据不同的应用需求和CZT探测器产生的信号特点，设计与之 相匹配的电子学读出电路，不断探索新的探测方法和数据处理 方法，并开发出相应的应用软件。
15 0 0 10 0 0 500 0 -5 0 0 0 100 200 300 400 500 600
微观结构缺陷 点缺陷、位错、孪晶、Te沉淀、偏析
C h an n el n um ber
宏观功能特性与微观 结构缺陷的内在关联
阳离子占位 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷
微观结构与缺陷 测定与分析
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Channels
241Am@59.5
keV
57Co@122
keV 4.09%
137Cs@662
keV
39.39%
LaBr3探测器 能谱响应曲线
CZT 探测器的能量分辨率远优于性能最好的LaBr3闪烁体探测器
国内外相关研究单位测试结果
英国Rutherford Appleton 国家实验室
Counts
600
R:5.46%@122KeV HV Bias:+400V Temp:300K
400
FWHM=1.9%
400
Bias @ 400 V τ=1μs
200
200
Bias @ 500 V τ=0.8 μs
0 0 200 400 600 800 1000
0
600
800
1000
Channel /numbers
自行搭建的红外显微成像系统和 Pockels效应测试系统
探测器能谱测试系统
CdZnTe晶体与电极制备
不同尺寸CZT单晶
金属电极
不同规格的CdZnTe探测器
电容弗里希CZT探测器 BNC封装CZT探测器 Capture结构CZT探测器 便携式能谱仪CZT探头 天文用CZT探测器成像系统
ASIC芯片
射线分类及探测技术
CdZnTe探测器 光栅+光电倍增管 Si、Ge探测器 闪烁体+光电倍增管
可 见 光
紫 外 光
软 X 射 线
硬 γ X射 射线 线
高 能 γ 射 线
1
10
100
1k
10k
100k
1M
光子能量 / eV
适用于CZT检测的主要技术领域及其特征波长

工业CT：（100-450KeV） 安全检测：（100-160KeV） 医学诊断：骨密度仪、医用CT、PET、SPECT等
----空间科学先导专项
大探测面积（30000-40000 cm2）、宽波段(1-100 keV)的X射线天文望远 镜主要科学目标是研究黑洞X射线双星的快速光变以及伴随的能谱变化。
1-100keV，2°×2° 15000 cm2(6-30keV) 1-30keV，0.5°×0.5° 5000 cm2(1-6keV) 2800cm2@ 30keV 0.5-15keV，1°×1° 7400 cm2@1keV 0.5-15keV，2°×2° 15000 cm2(1-6keV)
各种半导体探测器材料比较
Z
Si Ge InP GaAs CdTe CdZnTe(CZT) HgI2 TlBr Diamond 14 32 49/15 31/33 48/52 48/52 80/53 81/35 6
Eg (eV)
1.12 0.66 1.4 1.4 1.4 1.6 2.1 2.7 5
W (eV/ehp)

辐射性元素监控：

131I
：364 KeV（81%） 137Cs ：662 KeV （90%），（Ba-137m+β） 235U ：143 KeV（10%），185 KeV（54%） 239Pu：13.6 KeV（4.4%），113 KeV（0.04%）
CZT应用逐渐成 熟并不断拓展
骨密度仪： 241Am@59.5KeV（单能）, 40-80KeV(双能) 乳腺仪： 30KeV X光胸透： 20-40KeV 医疗CT （Computed Tomography）：80-150 KeV PET-CT （Positron Emission Tomography）： 511 KeV SPECT（Single-Photon Emission Computed Tomography）：511 KeV
迁移率：ue=1000 cm2/Vs uh=100 cm2/Vs 寿命：te=1 us th=0.1 us
0.4
0.2
0.0 0 1 2 3 4 5
厚度 / mm
CdZnTe平面探测器和Capture结构探测器对137Cs@662KeV的γ射线能谱响应
不同结构的CdZnTe探测器
电容弗里希结构探测器 半球型探测器 像素探测器
¾ 从事探测器级CZT晶体材料研究的主要有西北工业大 学、上海大学和四川大学等单位。 ¾ 从事CZT探测器结构设计、制备以及应用研究的单位 主要有西北工业大学、清华大学、中科院半导体所、 原子能研究院等。 ¾ 对于CZT探测器读出电路系统芯片的设计与研制，主 要有清华大学、原子能研究院、西北工业大学和中科 院高能所等。
3.6 2.9 4.2 4.3 4.4 4.7 4.2 5.9 13
ρ at RT (Ωcm)
107 108 109 1011 1013 1011 >1013
Also: SiC, PbI2, CdMnTe, ZnSe, GaSe，GaN
CZT探测器优势
优越的性能 (分辨率 [时间，空间，能量]，阻止能力) 室温下工作 (不需冷却) 高稳定性 (无极化) 与温度和偏压的高线性响应 (数据分析简化) 直接的光信号转换 (高的转化效率) X-ray & Gamma Ray (从10 keV到3 MeV) 器件设计的灵活 (通过光刻即可实现) 模块化 (cm2 到m2焦平面) 应用广泛 (医疗，工业检测，核安全，天体与高能物理：中微子探测“COBRA”计划, 硬X射线天文望远镜“EXIST”计划)
探测器性能参数 能量分辨率，时间分辨率，空间分辨率 灵敏度、极化效应、温度稳定性……
晶体电学性能 载流子输运特性、权重势场分布 空间电荷分布、接触势垒
35 0 0 30 0 0 25 0 0 20 0 0
241
Am @ 59.5 keV
C Z T -1 C Z T -2 C Z T -3
Counts
CZT样机Am-241放射源测量能谱
CZT探测器应用中的问题
• • • • • • • • • •
•
能量分辨率 空间分辨率、电荷串扰 时间分辨率、响应时间 灵敏度、剂量率范围 温度稳定性 时间稳定性、极化、余辉 辐照损伤 低能探测阈 n/γ分辨 其他应用：中微子探测、康普顿相机
……
• • • • • • • • •
X射线及γ射线探测技术的发展
优点：简单 缺点：能量分辨率 及探测效率低
优点：晶体尺寸 大，灵敏度高 缺点：需结合光 电倍增管，器件 庞大；能量分辨 率差；易潮解
最典型代表： CZT探测器 优点：能量分辨 率高；空间分辨 率高；器件尺寸 小，便携。 缺点：晶体制备 工艺尚不成熟 价格昂贵、部分 限制进口
国内探测器的开发长久以来受制于CZT晶体材料， 西北工业大学长期致力于CZT晶体材料与器件的研究
研究历程（From 1993）
晶体生长： 改进的Bridgman方法(ACRT+籽晶)Æ 表面处理： 研磨、抛光、腐蚀、钝化 材料表征： 结构性能: SEM, TEM, XRD/RXRD 光电性能: HALL, I-V, IR, PL 金属—半导体接触： 电极制备 (欧姆接触、肖特基接触) 器件制备与表征: 平面单元探测器制备 像素探测器制备 能谱响应与分析
探测元数
探测单元尺寸 Telescope PSF 能谱范围
256×128 ＝32768
4 mm x 4 mm x 2 mm 17 arcmin 15-150 keV
国外研究现状 美欧合作的超越爱因斯坦计划项目EXIST （高能X射线成像巡天望远镜）
CZT探测器（价值约4千万美元）： 能量范围： ~10 keV-600 keV； 面积：5.5m2 探测器数量：16,000
研究重点
¾ 模拟不同能量和剂量的射线与CZT相互作用的详细过 程，以及产生电子空穴对的分布规律。 ¾ 在考虑晶体缺陷和电学特性的基础上，针对不同应用 背景进行CZT探测器尺寸和电极结构的模拟设计。 ¾ 完善CZT晶体的精密无损加工和表面处理技术，控制 CZT晶体与金属电极的接触特性和界面缺陷。 ¾ 做好探测器的钝化和封装，以提高探测器在使用过程 中的环境稳定性。
Crystal Growth Furnace