CdZnTe伽馬射線探測(cè)器的能譜特性分析

于 暉，張蒙蒙，杜園園，席守智，查鋼強(qiáng)，介萬奇

(1.陜西迪泰克新材料有限公司，西安 712034; 2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，輻射探測(cè)材料與器件工信部 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072； 3.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049)

0 引 言

碲鋅鎘(Cd1-xZnxTe, CZT)室溫核輻射探測(cè)器因具有較高的探測(cè)效率和能量分辨率[1]，已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)無損檢測(cè)、安全檢查、核科學(xué)與技術(shù)、天文觀測(cè)以及高能物理等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2-6]，特別是在天體物理研究中占有重要的地位。近年來國(guó)內(nèi)外一系列天文觀測(cè)計(jì)劃，都采用了CZT探測(cè)器[7-13]。國(guó)外如SWIFT衛(wèi)星[8]，ProtoEXIST[10]、ASTRO-H/HXI[11]、ASTROSAT/CZTI[12]、NuSTAR[13]、InFOCUS、INTEGRAL/ISGRI、SVOM/ECLAIRs等項(xiàng)目；國(guó)內(nèi)如2016年的實(shí)踐十號(hào)返回式衛(wèi)星，里面搭載的空間伽馬射線和粒子計(jì)數(shù)儀，空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)XTP衛(wèi)星背景型號(hào)研制階段所研制的準(zhǔn)直型X射線望遠(yuǎn)鏡，以及高能所在研的GECAM衛(wèi)星的伽馬射線探測(cè)器備用件，均是采用CZT探測(cè)器。

簡(jiǎn)單平面型CZT探測(cè)器主要用于低能射線(<100 keV)的探測(cè)，該結(jié)構(gòu)探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、探測(cè)效率高、器件可靠性高[14-15]。eV PRODUCTS公司在1999年提出了一種CAPtureTM結(jié)構(gòu)的CdZnTe探測(cè)器[16]，于2006年制備的CAPtureTM結(jié)構(gòu)的CdZnTe探測(cè)器對(duì)122 keV和662 keV實(shí)現(xiàn)了<3%和<2%的能量分辨率[17]。RITEC公司在2009年[18]提出了一種改進(jìn)的準(zhǔn)半球CZT探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)662 keV實(shí)現(xiàn)<1%的能量分辨率，2012年[19-20]通過紅外光照射，對(duì)于662 keV得到12.6的峰康比和<0.75%的能量分辨率。2014年，Niu等[21]在準(zhǔn)半球結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)提出了雙陽極CdZnTe探測(cè)器，對(duì)122 keV和662 keV的分辨率達(dá)到了3.92%和1.27%。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于模擬CdZnTe伽馬射線探測(cè)器能譜響應(yīng)的研究結(jié)果主要集中在特殊探測(cè)器結(jié)構(gòu)對(duì)于載流子輸運(yùn)特性的影響規(guī)律，對(duì)于平面探測(cè)器性能與外加偏壓參數(shù)、器件尺寸大小等的詳細(xì)關(guān)聯(lián)缺少全面的論述與認(rèn)識(shí)。如2006年， Bale等[17]曾利用eVDSIM軟件計(jì)算分析了CdZnTe探測(cè)器陽極直徑、偏壓、電子和空穴的遷移率壽命積對(duì)準(zhǔn)半球型CZT探測(cè)器性能的影響，得到CdZnTe的(μτ)e和偏壓V導(dǎo)致電勢(shì)的非線性分布對(duì)探測(cè)器的性能影響比較大，(μτ)h和陽極直徑d對(duì)探測(cè)器的影響程度相對(duì)較小[17]。探測(cè)器的能量分辨率是評(píng)價(jià)器件性能的重要技術(shù)指標(biāo)，本文擬通過數(shù)值模擬的方法研究CdZnTe簡(jiǎn)單平面探測(cè)器中的電荷輸運(yùn)特性以及電場(chǎng)、探測(cè)器尺寸等對(duì)電荷輸運(yùn)過程和對(duì)探測(cè)器能量分辨率的影響規(guī)律，找到各個(gè)因素對(duì)能量分辨率影響的主次，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化器件設(shè)計(jì)，進(jìn)而制備出能量分辨率高的探測(cè)器。

1 實(shí) 驗(yàn)

本文的主要思路是模擬241Am@59.5 keV γ射線與CdZnTe晶體作用過程，得到γ射線在CdZnTe晶體中的能量沉積位置和能量分布的數(shù)據(jù)。結(jié)合載流子輸運(yùn)特性，得到載流子的輸運(yùn)特性和能譜特性。根據(jù)模擬結(jié)果分析載流子的輸運(yùn)特性、偏壓、探測(cè)器的厚度對(duì)平面型CdZnTe探測(cè)器能譜特性的影響，從而得到最優(yōu)的參數(shù)。其中，本文模擬241Am@59.5 keV在CZT中的能量沉積過程使用采用歐洲核子研究委員會(huì)開發(fā)的蒙特卡洛軟件包GEANT4，模擬計(jì)算程序是基于GEANT4自帶的例子Example3的基礎(chǔ)上修改的。CZT內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度和權(quán)重勢(shì)分布數(shù)據(jù)的計(jì)算采用有限元軟件 COMSOLMultiphysics 來實(shí)現(xiàn)，其CZT 內(nèi)部電場(chǎng)模擬使用了COMSOL Multiphysics 中的 AC/DC 靜電模塊。

使用Matlab軟件計(jì)算能譜響應(yīng)及電荷收集效率，載流子輸運(yùn)過程及電荷收集過程基于Shockley-Ramo原理[22]。對(duì)于CdZnTe γ射線平面型探測(cè)器來說，假定探測(cè)器厚度為L(zhǎng)，入射方向?yàn)殛帢O，示意圖如圖1所示。在CdZnTe中產(chǎn)生一對(duì)電子空穴對(duì)的所需的能量大約為4.7 eV，一個(gè)能量為E0的γ光子在CZT中可產(chǎn)生N0對(duì)電子-空穴對(duì)。由于非平衡載流子的復(fù)合與俘獲作用，不考慮去俘獲情況下，在t時(shí)間之后剩余的載流子數(shù)目N為：

N=N0exp(-t/τ)

(1)

式中：N0是產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目，τ為載流子的壽命。

CdZnTe平面型探測(cè)器的兩個(gè)電極之間是均勻電場(chǎng)，根據(jù)Shockley-Ramo原理，則N0個(gè)載流子由xi點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到xf點(diǎn)，產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量為：

(2)

t=L/μE

(3)

式中：w為xi、xf之間的距離，μ是載流子的遷移率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，L為電極距離。

由此得到單個(gè)電子和空穴分別向陽極和陰極漂移所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷量。將感應(yīng)電荷進(jìn)行基于統(tǒng)計(jì)漲落和電子學(xué)噪聲的高斯處理后，可以模擬計(jì)算出每束射線產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，然后將感應(yīng)電荷進(jìn)行模擬多道處理，在相應(yīng)的道數(shù)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，得出能譜響應(yīng)圖譜。文中假設(shè)對(duì)于59.5 keV，電子學(xué)噪聲的半峰寬(full width half maximum， FWHM)當(dāng)量為1 keV。

2 結(jié)果與討論

2.1 載流子輸運(yùn)特性對(duì)CdZnTe探測(cè)器能譜的影響

2.1.1 空穴輸運(yùn)特性的影響

CdZnTe能譜拖尾主要來源于空穴信號(hào)的貢獻(xiàn)。為研究空穴輸運(yùn)特性對(duì)能譜的影響規(guī)律，計(jì)算了具有不同(μτ)h值的平面型探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的γ射線的能譜響應(yīng)和電荷收集效率，如圖2所示。其中探測(cè)器厚度為2 mm，工作電場(chǎng)為2 000 V/cm，(μτ)e=1×10-3cm2/V，電子與空穴的遷移率壽命積比值(μτ)e/(μτ)h從800到10變化，即(μτ)h從0.125×10-5cm2/V到10×10-5cm2/V變化。由于95%的241Am@59.5 keV γ射線的能量沉積在距離陰極0.75 mm的區(qū)域內(nèi)，所以僅列出了距離陰極1 mm內(nèi)不同深度位置處產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的總電荷收集效率。圖中數(shù)據(jù)從距離陰極5 μm處開始計(jì)算，將光子能量沉積在晶體中的位置距陰極的距離記為入射深度。

從圖2(a)可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著空穴(μτ)h的提高，光電峰的道址基本沒有變化，光電峰的高度提高、能量分辨率的改善十分顯著，尤其是拖尾情況大幅減小。當(dāng)(μτ)h=5×10-5cm2/V時(shí)，光電峰的計(jì)數(shù)是(μτ)h=0.2×10-5cm2/V時(shí)的3.4倍，前者的FWTM(full width at one-tenth maximum)值為5.39%優(yōu)于后者的25.14%，說明(μτ)h的提高對(duì)于改善拖尾作用十分顯著。由此可見，(μτ)h對(duì)光電峰的道址影響很小，而對(duì)能譜拖尾和能量分辨率影響十分顯著。從圖2(b)可以看出，隨著(μτ)h的提高，1 mm深度內(nèi)總電荷收集效率提高，在(μτ)h=5×10-5cm2/V時(shí)，靠近陰極處的電荷收集曲線的斜率很小，即感應(yīng)電荷的值較均勻，在能譜中表現(xiàn)為光電峰計(jì)數(shù)很高，拖尾改善明顯。

圖2 具有不同(μτ)h值的CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV γ射線的能譜(a)和電荷收集效率(b)Fig.2 241Am@59.5 keV γ-ray spectra (a) and CCE (b) for CdZnTe detector at various (μτ)h

為了定量地研究(μτ)h對(duì)總感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn)，計(jì)算了不同(μτ)h時(shí)，電子、空穴的感應(yīng)電荷量占比和空穴收集效率，如圖3所示。從圖中可以看出，隨著(μτ)h的提高，空穴的感應(yīng)電荷量明顯增加，空穴的收集效率顯著增加。當(dāng)(μτ)h=0.2×10-5cm2/V時(shí)，距陰極0.05 mm深度處空穴的感應(yīng)電荷量占比還不到2.5%，在0.05 mm深度內(nèi)空穴的收集效率超過50%，其余大部分區(qū)域的收集效率普遍在20%以下，而當(dāng)(μτ)h=5×10-5cm2/V時(shí)，在深度0.75 mm處空穴的感應(yīng)電荷量占比大于25%，且深度0.75 mm內(nèi)所有位置空穴的收集效率均已經(jīng)超過70%，深度0.35 mm內(nèi)所有位置空穴的收集效率均已經(jīng)超過85%，已經(jīng)接近電子的平均收集效率。可見，空穴感應(yīng)電荷量的占比及收集效率受(μτ)h的影響較明顯。

由以上分析可得出如下結(jié)論：在(μτ)e一定時(shí)，(μτ)h直接影響能譜的拖尾情況，而在電子收集效率較高的情況下，空穴的感應(yīng)電荷量和收集效率直接影響能量分辨率和拖尾情況。

圖3 具有不同(μτ)h值的CdZnTe探測(cè)器的感應(yīng)電荷(a)和電荷收集效率(b)Fig.3 Induced charge (a) and CCE (b) of CdZnTe detector at various (μτ)h

2.1.2 電子輸運(yùn)特性的影響

為研究(μτ)e對(duì)平面型CdZnTe探測(cè)器的241Am@59.5 keV能譜特性的影響，計(jì)算了不同(μτ)e下的能譜，如圖4所示。其中探測(cè)器厚度為2 mm，工作電場(chǎng)為2 000 V/cm，(μτ)h=1×10-5cm2/V，電子與空穴的μτ比值從10到400，即(μτ)e從0.1×10-3cm2/V到4×10-3cm2/V。

從圖4(a)可以看出，隨著(μτ)e的提高，光電峰的道數(shù)在提高，峰的高度在降低，(μτ)e的大小決定了光電峰的道址。由圖4(b)可以看出，隨著(μτ)e的提高，F(xiàn)WTM分辨率一直在惡化，隨著電子與空穴的比值的變大，拖尾現(xiàn)象逐漸加劇。同時(shí)，當(dāng)(μτ)e>0.25×10-3cm2/V時(shí)，隨著(μτ)e的增大，F(xiàn)WHM分辨率也在惡化。而當(dāng)電子輸運(yùn)特性較差時(shí)，如(μτ)e<0.25×10-3cm2/V時(shí)，則出現(xiàn)了能譜較好的情況，(μτ)e=0.15×10-3cm2/V時(shí)，F(xiàn)WHM=2.49%，F(xiàn)WTM=6.9%，拖尾很小，光電峰道址為439道，峰計(jì)數(shù)9 073，而(μτ)e=1×10-3cm2/V，F(xiàn)WHM=2.69%，F(xiàn)WTM=12.9%，光電峰道址563道，峰計(jì)數(shù)4 986?？梢钥闯銮罢叩牡乐废鄬?duì)于后者低了124道，而分辨率、峰高和拖尾都優(yōu)于后者。

綜上可以得出結(jié)論，在空穴遷移率壽命積固定的情況下，隨著電子遷移率壽命積的減小，分辨率提高，即隨著電子遷移率壽命積與空穴遷移率壽命積的比值(μτ)e/(μτ)h減小，分辨率變好。

圖4 具有不同(μτ)e值的CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV γ射線的(a)能譜和(b)FWHM, FWTMFig.4 (a) Pulse height spectra, (b) FWHM and FWTM for CdZnTe detector irradiated by 241Am @59.5 keV γ-ray at various (μτ)e

為了解釋FWHM不隨(μτ)e單調(diào)變化的現(xiàn)象，計(jì)算了不同(μτ)e距離陰極1 mm深度內(nèi)的電荷收集效率分布，如圖5所示。其中圖5(a)為總電荷收集效率，插圖為電子的收集效率，圖5(b)為電子和空穴的感應(yīng)電荷量。可以看出，在(μτ)e>0.25×10-3cm2/V時(shí)，隨著(μτ)e的增大，電子收集效率的曲線的數(shù)值和斜率都在增大，在能譜中表現(xiàn)為光電峰的道址增加，總電荷感應(yīng)量的數(shù)值和斜率也在增大，說明感應(yīng)電荷的不均勻性在加劇，能譜的拖尾加劇，分辨率惡化。在(μτ)e<0.25×10-3cm2/V時(shí)，由于(μτ)e很小，電子的收集效率較低。隨著(μτ)e的增大，由于收集效率的迅速增加，光電峰道址的迅速增加，使得分辨率變好。(μτ)e=0.15×10-3cm2/V時(shí)，電子收集效率相對(duì)于(μτ)e=1×10-3cm2/V較低，電子收集效率的曲線斜率較小，靠近陰極處的總感應(yīng)電荷的曲線更趨于同一個(gè)值，使得拖尾較小，分辨率較好。

圖5 具有不同(μτ)e值的CdZnTe探測(cè)器的電荷收集效率(a)和感應(yīng)電荷量(b)Fig.5 CCE (a) and induced charge (b) of CdZnTe detector at various (μτ)e

從上述分析可以看出，單純地提高(μτ)e并不能改善探測(cè)器對(duì)低能射線的分辨率。結(jié)合空穴(μτ)h的影響，發(fā)現(xiàn)(μτ)e/(μτ)h比值影響著能量分辨率。Zakharchenko等[23]的研究結(jié)果也表明兩者的比值是影響能量分辨率的關(guān)鍵因素，兩者比值越小，能量分辨率越好，其本質(zhì)上是提高了空穴感應(yīng)電荷對(duì)總感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn)，由于空穴在陰極附近，所需的漂移距離較短，所以平均漂移程的變化對(duì)于空穴來說更為敏感，在電子的收集較好的情況下，由于電子空穴的μτ相差較小，那么空穴的收集效率必然較高，拖尾大幅度減小，能量分辨率較好。

2.2 電壓對(duì)CdZnTe探測(cè)器能譜的影響

一般而言，電壓增加會(huì)提高電荷收集效率，改善能譜特性。圖6為不同陽極電壓下平面型CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的γ射線的能譜響應(yīng)和電荷收集效率，探測(cè)器厚度為2 mm，(μτ)e=0.8×10-3cm2/V，(μτ)h=1×10-3cm2/V。

從圖6(a)可以看出，隨著電壓的提高，能譜峰型逐漸變得對(duì)稱，同時(shí)光電峰的道址也在不斷地增加。從圖6(b)中的電荷收集效率曲線可以看出，電壓升高電荷收集效率逐漸提高，在能譜上反映為光電峰的道址在提高。同時(shí)，靠近陰極處的電荷收集效率更加趨于水平，即收集效率更加趨于一致，在能譜上表現(xiàn)為光電峰的計(jì)數(shù)提高，拖尾現(xiàn)象降低。

圖6 不同電場(chǎng)強(qiáng)度下CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的γ射線的能譜響應(yīng)(a)和電荷收集效率(b)Fig.6 Pulse height spectra (a) and CCE (b) for CdZnTe detector irradiated by 241Am@59.5 keV γ-ray at various electric field strength

對(duì)不同電壓下的能譜進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。隨著電壓的增大，圖7(a)中光電峰的道址先迅速提高后緩慢提高，最終趨于穩(wěn)定。同時(shí)，圖7(b)中的FWHM分辨率則先迅速變好，后緩慢變好，最終趨于穩(wěn)定。光電峰的計(jì)數(shù)和FWTM并非單調(diào)變化，出現(xiàn)了與不同(μτ)e的FWHM類似的規(guī)律，電場(chǎng)強(qiáng)度<800 V/cm時(shí)，隨著電壓增大，峰計(jì)數(shù)下降和FWTM變差。其原因是在電壓較低的情況下，由于電荷收集效率低，能譜的總道數(shù)較小，使得計(jì)數(shù)趨于集中，但可以看出FWHM仍然很差。隨著電壓的繼續(xù)增大，收集效率的提高，使得光電峰計(jì)數(shù)不斷增加，光電峰不斷增高，F(xiàn)WTM減小，拖尾減小。

圖7 (a)光電峰道址與計(jì)數(shù)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的變化; (b)FWHM和FWTM隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化Fig.7 Peak channel and peak counts of photoelectric peak (a), FWHM and FWTM (b) at various electric field strength

為解釋能譜出現(xiàn)上述變化規(guī)律的原因，對(duì)不同電壓下電子和空穴的收集效率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。從圖8(a)可以看出，電壓從400 V/cm增大到1 500 V/cm時(shí)，陰極處的電子收集效率從0.75增加到0.92，電場(chǎng)增加1 100 V/cm，收集效率增加0.17。電子收集效率的提高，使得光電峰道址迅速提高，分辨率變好。電壓從1 500 V/cm增大到4 000 V/cm時(shí)，陰極處的電子收集效率從0.92增加到0.97，電場(chǎng)增加2 500 V/cm，而收集效率僅增加0.05，電子的收集效率變化很小，已經(jīng)接近飽和，表現(xiàn)在能譜上是道數(shù)的增加趨于緩慢。距陰極0.3 mm處的空穴收集效率從0.43增加到0.7，遠(yuǎn)沒有飽和，空穴收集效率的提高使得低能段的計(jì)數(shù)降低，F(xiàn)WTM和FWHM減小，能譜上表現(xiàn)出空穴拖尾改善，促使光電峰計(jì)數(shù)提高。

圖8 不同電場(chǎng)強(qiáng)度下電荷收集效率。(a)電子收集效率;(b)空穴收集效率Fig.8 CCE at various electric field strength. (a) CCE of electron; (b) CCE of hole

由以上分析可得，電壓提高，能譜分辨率變好。電壓較低時(shí)，電子的影響占主導(dǎo)，隨著電壓的升高，電子收集效率和光電峰道址迅速提高，分辨率變好。電壓較高時(shí)，電子收集接近飽和，空穴的影響占主導(dǎo)，電壓和空穴收集效率逐漸提高，拖尾減小，分辨率變好。但在實(shí)際應(yīng)用中，提高電壓的同時(shí)漏電流增大，噪聲增加，分辨率可能會(huì)惡化。

2.3 晶體厚度對(duì)CdZnTe探測(cè)器能譜的影響

由于低能射線主要作用在陰極附近，可以通過提高探測(cè)器厚度來減小空穴的感應(yīng)電荷量，從而減小拖尾，提高能量分辨率。圖9為不同厚度的CdZnTe平面探測(cè)器的對(duì)241Am@59.5 keV的能譜響應(yīng)和電荷收集效率。其中工作電場(chǎng)為2 000 V/cm，(μτ)e=0.5×10-3cm2/V，(μτ)h=1×10-5cm2/V，探測(cè)器厚度由0.4 mm增加到5 mm。

從圖9(a)可以看出，隨著CdZnTe厚度的增加，光電峰高度增加，半峰寬變窄，峰的道址在降低。從圖9(b)可以看出，探測(cè)器厚度增加，總電荷收集效率在下降，而射線從陰極入射，在電場(chǎng)強(qiáng)度不變的情況下，增加厚度對(duì)空穴的收集效率沒有影響，但由于電子漂移距離的增加使得漂移過程中的俘獲加劇，總的電荷收集效率下降，故能譜中為光電峰向低道址移動(dòng)。厚度的增加使電子漂移的距離增長(zhǎng)，相應(yīng)的對(duì)總感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn)提高，空穴的貢獻(xiàn)從而減弱，能譜中拖尾現(xiàn)象減弱，如圖9(b)插圖所示。同時(shí)，隨著厚度增加，1 mm內(nèi)收集效率曲線的斜率在變小。如在d=5 mm時(shí)，曲線在1 mm內(nèi)接近水平，說明電荷收集效率的均勻性提高。

圖9 不同厚度CdZnTe探測(cè)器對(duì)241Am@59.5 keV的γ射線的能譜響應(yīng)(a)和收集效率(b)Fig.9 (a) Pulse height spectra and (b) CCE for CdZnTe detector irradiated by 241Am @59.5 keV γ-ray at various thickness

增加厚度主要是通過減小空穴對(duì)總感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn)來減小拖尾，達(dá)到提高能量分辨率的目的。但在電壓較低時(shí)，電子的收集效率較低，使得峰道址較低分辨率較差，所以在增加厚度同時(shí)要考慮電子的收集效率。電荷收集效率與電壓、μτ和厚度均有關(guān)，為了解電荷收集效率與這三者之間的定量關(guān)系，根據(jù)單載流子收集的Hecht方程計(jì)算了電荷收集效率與這三者之間的關(guān)系[24]，如圖10所示，圖中橫坐標(biāo)為漂移程漂移距離之比，L為電荷產(chǎn)生后漂移的距離。

由于收集效率與μτE/L之間是指數(shù)關(guān)系，所以在μτE/L較小時(shí)，μτE/L的增大會(huì)使得收集效率迅速增加。這就是(μτ)h對(duì)能譜分辨率的影響很大的原因。從圖10可以看出，當(dāng)μτE/L<1時(shí)，電荷收集效率變化很大，所以在通常測(cè)試條件下，空穴(μτ)h對(duì)收集效率的影響很大，也就是對(duì)拖尾和能量分辨率的影響很大。

圖10 收集效率與漂移程漂移距離之比的關(guān)系Fig.10 Dependence of CCE on μτE/L

當(dāng)射線作用位置為陰極，且L=d時(shí)，圖10為電荷收集效率與漂移程探測(cè)器厚度比值的關(guān)系。同時(shí)低能射線近表面沉積的數(shù)量最多，而在近表面處，電子的收集效率基本可以反映總的電荷收集效率。所以，可以用μτE/d估算平面型CdZnTe探測(cè)器對(duì)低能射線的收集效率。當(dāng)(μτ)eE/d>3時(shí)，電子的收集效率大于85%，也就是總的電荷收集效率也大于85%；當(dāng)(μτ)eE/d>5時(shí)，電子的收集效率大于90%。在實(shí)際測(cè)試過程中，可以根據(jù)這個(gè)定量的關(guān)系式估算不同厚度探測(cè)器所需要的工作電壓，也可以根據(jù)低電壓的道址來估算(μτ)e等。

3 結(jié) 論

針對(duì)CdZnTe探測(cè)器近表面的低能射線探測(cè)，系統(tǒng)研究了CdZnTe探測(cè)器的能譜響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，在電子收集效率較高時(shí)，能量分辨率明顯受遷移率壽命積比值((μτ)e/(μτ)h)的影響，比值越小，能量分辨率越好。增加工作電壓可以提高載流子的收集效率，提高能量分辨率。在電子收集效率較高時(shí)，厚度增大可以弱化空穴信號(hào)貢獻(xiàn)，提高能量分辨率?？梢杂?μτ)eE/d的數(shù)值來估算CdZnTe探測(cè)器對(duì)低能射線的收集效率，(μτ)eE/d>3，收集效率大于85%；(μτ)eE/d>5，收集效率大于90%。