Измерение спектрометрических характеристик детектирующих структур из CdTe и CdZnTe

В процессе разработки технологии изготовления детекторов из теллурида кадмия (с добавлением цинка) качество изготовленных детекторов оценивалось непосредственно путем исследования гамма-спектров от различных источников (²⁴¹Am, ⁵⁷Co, ¹³³Ba и ¹³⁷Cs).

На спектрометрические свойства детектора влияют такие электрофизические свойства материала как подвижность носителей заряда, время жизни носителей, однородность параметров по объему детектора, а также емкость и темновой ток детектора.

Исследуя спектры гамма-линий различных энергий в зависимости от рабочего напряжения и времени формирования сигнала можно оценить фактор (или факторы), в наибольшей степени ухудшающие энергетическое разрешение.

Для спектрометрии использовалась представленная ниже аппаратура и программное обеспечение:

- предусилитель (изготовления ОАО «ИФТП»);

- формирующий усилитель фирмы «ORTEC» №572;

-амплитудно-цифровой преобразователь на 8142 канала фирмы «Аспект» (г. Дубна);

- программа накопления спектра фирмы «Аспект» (Дубна);

- специально написанная в ОАО «ИФТП» программа пакетной обработки спектров.

Исследовался материал трех производителей:

ГИРЕДМЕТ (г. Москва) - 2 планарных детектора;

CrystalNord (г. Александров) - 1 планарный детектора;

REDLEN (Канада) - 3 планарных и 2 квазисферических детектора.

Спектры для различных детекторов в зависимости от приложенного напряжения (от 50 до 2000 В) можно видеть на рисунках 4.48-4.56.

Рисунок 4.48. Спектры ²⁴¹Amn ⁵⁷Co, полученные на детекторе CZT№ 5при напряжениях 400, 1000 и 2000 В

Рисунок 4.49. Спектры ²⁴¹Amn ⁵⁷Co₃полученные на детекторе ГИРЕДМЕТ mpml lπpπ различных напряжениях

123

Рисунок 4.50.

124

Рисунок 4.51. Спектры ^zhiAitlh 'Со, полученные на детекторе REDLENmpm41 при различных напряжениях

125

Рисунок 4.52. Спектры ²⁴¹Amn ⁵⁷Co, полученные на детекторе ГИРЕДМЕТ mpm61 при различных напряжениях

126

Рисунок 4.53. Спектры ^ljjBa, полученные на детекторе REDLEN(№251) при различных напряжениях

127

Рисунок 4.54. Спектры ¹³³Ba, полученные на детекторе REDLEN (№ 263) при различных напряжениях

128

Рисунок 4.55. Спектры ¹³³Ba, полученные на детекторе REDLEN (№ 280) при различных напряжениях

129

Рисунок 4.56. Спектры ¹³³Ba, полученные на детекторе REDLEN (№ 280) при различных напряжениях

130

Рисунок 4.57а. Спектры ¹³³Ba, полученные на детекторе REDLEN (№ 251) при различных напряжениях 131

Рисунок 4.576. Спектры ¹³³Ba, полученные на детекторе REDLEN (№ 251) при различных напряжениях

132

Зависимость положения пика от обратной напряженности поля

l∕E = w∕Upa6, где Е-н ап ряженн ость, w-толщин а детектора, U-напряжение

Детектор CdZnTe №5 , планар, материал -CrisiaINord

ДетекторCdZnTe mpm 6_1, планар, материал- ГИРЕДМЕТ

Детектор CdZnTe mpm 1_1, планар, материал- ГИРЕДМЕТ

Рисунок 4.58а.

поля для различных материалов

Детектор CdZnTe №251, план ар, матери ал - Red Len

Детектор C dZnTe № 2 BD , пл ан ар, матери ал - Red Len

Детектор C dZ nTe № 2 63 , пл ан ар, матери ал - Red Len

Рисунок 4.586. Зависимость положения пика от обратной напряженности поля для материала REDLEN

Анализируя приведенные на рисунках 4.48-4.58 спектры и характеристики детекторов, можно сделать следующие выводы:

1.

Для больших энергий (300 - 600 кэВ) наоборот, разрешение существенно лучше для квази-полусферической геометрии. Наглядно это можно видеть на рисунке 4.57а и рисунке 4.576, где приведен спектр ¹³³Ba, полученный с детектором планарной геометрией (вверху), и с тем же детектором после переделки геометрии электродов с планарной на квази-полусферическую.

2. Общий счет по всему спектру выше некоторого порога (~ 20 - 40 кэВ) для планарных детекторов меньше зависит от напряжения, чем для квази- полусферических.

3. На всех спектрах видно существенное увеличение амплитуды (номера канала анализатора) линий с увеличением рабочего напряжения на детекторе, что говорит о значительной потере заряда при малых напряжениях (при 100 - 300 В до 40-50 % от максимально возможного собирания) (см. рисунок 4.50). При напряжении от 400 до 2000 В амплитуда линии 60 кэВ (²⁴¹Am) вырастает в 2 раза.

4. Визуально, сдвиг линии при повышении напряжения наименьший для детектора REDLEN № 263 (рисунок 4.54). Чтобы более корректно сравнить разные материалы с этой точки зрения, построены зависимости положения пика от обратной напряженности IZE = W∕U_pa6, где E - напряженность поля, W - толщина детектора, U_pa6 - рабочее напряжение (рисунок 4.58а, 4.586).

5. Построение в таких координатах позволяет провести экстраполяцию к бесконечному полю (1/Е → 0) и оценить «полный заряд» и потери заряда при различных напряжениях. Видно, что наименьшие потери на детекторах из материала REDLEN (№ 251, № 263) (кривые N = const∕E имеют наименьший наклон), а это означает, что произведения μτдля этих образцов наибольшие. О том же самом говорит и рисунок 4.54. На нем наиболее четко из всех детекторов с планарной геометрией выделяются пики ¹³³Ba (276.4, 302.8, 356 и 384 кэВ).

Из всех приведенных на рисунке 4.58а и рисунке 4.586 зависимостей наибольший наклон и наибольшие потери (т.е.

Кроме больших потерь, в нем есть большие неоднородности параметров, так как ширина пиков 60 кэВ (²⁴¹Am) в 5-6 раз превышает ширину линии генератора точной амплитуды.

C ростом напряжения на детекторе токовые шумы растут, но измерение по генератору точной амплитуды показали, что эти шумы лежат в пределах 3-10 кэВ. Для малых (до 100 кэВ) энергий это может вносить вклад, но для энергий более 300 кэВ основное ухудшение разрешения до 20-30 кэВ связано с потерей заряда.

Спектрометрические возможности различения ¹³³Ba и ¹³⁷Cs показаны на рисунке 4.54, ²⁴¹Am и ¹³³Ba - на рисунке 4.60.

Предел обнаружения ¹³³Ba и ⁵⁷Co

Для оценки предела обнаружения проведены три измерения:

фон без источника;

¹³³Ba с активностью 20 кБк на расстоянии 20 см от источника;

⁵⁷Co активностью 17 кБк на расстоянии 20 см от источника.

Результаты приведены на рисунке 4.61 и в таблице 4.22.

Таблица 4.22. Предел обнаружения ¹³³Ba и ⁵⁷Co

Как видно из таблицы 4.22, скорость счета ¹³³Ba и ⁵⁷Co в 4-6 раз превышает фон и за 20 секунд измерения эти количества изотопов (20 и 17 кБк, соответственно) обнаруживаются.

Рисунок 4.59. Спектры ¹³³Ba и ¹³⁷Cs, полученные на детекторе REDLEN (№ 280)

137

Рисунок 4.60. Спектры ¹³³Ba и ²⁴¹Am, полученные на детекторе ГИРЕДМЕТ (mpm61)

Рисунок 4.61. Спектры ¹³³Ba, фона, ⁵⁷Co,

4.5.