一种碲锌镉半导体探测器成像质量评估方法与流程

本发明属于探测器技术领域，尤其涉及cdznte成像探测器检测技术。

背景技术：

基于cdznte的成像探测器具有优异的电子载流子传输能力和室温高探测效率，由于几十年来cdznte材料的成长技术的发展，其经历了快速发展。作为常识，当入射光子与cdznte材料相互作用时，来自像素电极的信号积聚，而电子和空穴分别向阳极和阴极漂移。每种自由载流子都有助于感应电荷，直到载流子被俘获或到达电极。由不良传输特性引起的俘获载流子在入射中心区域附近产生信号。这导致感应信号横向扩展，这导致探测器性能恶化。

对于cdznte探测器，阳极收集信号由来自未捕获电子载流子的主要信号和由被捕获载波被俘获载流子引起的横向扩散感应信号组成。在探测器实际性能评估及生产过程中，通常采用传统的狭缝mtf测试方法，这一方法目前尚无法有效评估并改进探测器成像性能。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种考虑晶体内部俘获载流子影响的碲锌镉成像探测器mtf评估方法。本发明的技术方案如下：

本方法采用cdznte探测器搭建狭缝成像装置以测量获得mtf，进一步进行预采样mtf仿真测算，测算结果用以修正实际实验测试结果，以求达到更高成像性能评价结果，包括以下步骤：

a、采用螺纹千分尺测量探测器厚度l；精密电压电流表测量施加电场e；采用霍尔效应测量法测试获得碲锌镉晶体电子迁移率μe、空穴迁移率μh，在小注入条件下通过指数衰减规律计算获得空穴寿命τh与电子寿命τe，根据国际原子能机构测量数据获得入射光子能量μa相关的线性衰减系数值。

b、基于步骤a所获取关键参数，对cdznte晶体中的载流子浓度分布进行分析，不仅计算未俘获电子载流子浓度分布，同时也考虑俘获空穴载流子、俘获电子载流子浓度分布，进一步根据镜像法原理计算获得“未俘获电子载流子、俘获空穴载流子、俘获电子载流子”在碲锌镉探测器信号收集极表面任意位置所产生线扩展函数(lsf)信号，继而计算获得该碲锌镉探测器mtf数据。

c、根据测算获得mtf数据对实验测试获得探测器mtf数据进行优化拟合，获得最佳探测器像素尺寸d。

d、在碲锌镉晶体上制作像素阵列阳极，实现探测器成像性能优化。

进一步的，测算结果用以修正实际实验测试结果，以求达到更高成像性能评价结果。所述步骤b中，最终测算结果可以利用以下等式来进行：

离探测器阴极表面位置z处的俘获空穴载流子归一化浓度分布

俘获电子载流子归一化浓度分布

其中z'＝z/l是归一化的cdznte晶体厚度，l为晶体厚度；α＝1/μal为归一化线性衰减系数，λh＝μhτhe/l为归一化空穴载流子平均自由程,e为电场强度。

进一步的，所述预采样mtf通过将cdznte晶体中的所考虑的载流子产生感应电荷信号的mtf与受探测器像素尺寸限制的孔径mtf相乘来获得，以下等式表明了探测器mtf与关键参数之间的基本关系：

mtfpresampling(f)表示最终所测算获得的探测器预采样mtf，mtfczt(f)表示所测算获得的探测器本征mtf，b表示像素单元尺寸大小，f(f)表示所测算获得的探测器成像光学传递函数(otf)。

进一步的，所述测算所依据的成像光学传递函数可以根据以下公式关系进行测算：

本发明的优点及有益效果如下：

本方法采用cdznte探测器搭建狭缝成像装置以测量获得mtf，进一步进行预采样mtf仿真测算，其特征在于测算结果用以修正实际实验测试结果，以求达到更高成像性能评价结果。

本发明提供了能够测算cdznte探测器中考虑载流子俘获效应影响的mtf图像的方法。对cdznte晶体中的载流子浓度分布进行分析，不仅计算未俘获电子载流子浓度分布，同时也考虑俘获空穴载流子、俘获电子载流子浓度分布，进一步根据镜像法原理计算获得“未俘获电子载流子、俘获空穴载流子、俘获电子载流子”在碲锌镉探测器信号收集极表面任意位置所产生线扩展函数(lsf)信号，继而计算获得该碲锌镉探测器mtf数据。

该测算方法可以在实验测试之前预测载流子浓度分布，预测探测器成像mtf值，评估成像性能，避免成像装置的灾难性故障。

因此，可以通过使用根据等式1-6的本方法来设计或优化cdznte成像探测器，该方法定义了关键材料特性，探测器几何参数和其他应用条件的基本关系及对探测器最终成像性能的影响关系及改进方法。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的mtf检测曲线；

图2是不同光子能量和不同空穴迁移率和寿命产物的捕获电子示意图；

图3是不同光子能量和不同空穴迁移率和寿命产物的捕获空穴浓度分布的示意图；

图4是成像cdznte探测器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明是一种基于cdznte晶体材料获取辐射成像探测器的预采样mtf的方法。成像cdznte探测器具有共同的结构，将cdznte材料与asic耦合以用于模拟信号处理和进一步的数字信号处理。连续阴极保持在负电位，并且像素化阳极通过集成电荷敏感放大器的节点保持在地电位。一旦确定或测量了8个关键参数，就确认了作为探测器几何形状的函数的预采样mtf与在高电压偏置下工作的cdznte探测器的材料参数之间的基本关系。

通常，可以通过测量检测器的psf或lsf来获取成像装置的mtf。在本方法中，考虑到像素的分辨率限制的整个成像系统的预采样mtf可以通过将cdznte材料(mtfczt)中的感应电荷信号的mtf与受探测器像素尺寸限制的孔径mtf相乘来获得。以下等式表明了探测器mtf与关键参数之间的基本关系：

其中b是像素大小；λe＝μeτee/l是电子载流子归一化平均自由程；λh＝μhτhe/l是空穴载流子归一化平均自由程；e是施加的电场强度；l是cdznte探测器厚度；α＝1/μal是归一化的线性衰减系数，因为μa是与入射光子能量相关的线性衰减系数。推导可以在附件中找到。

基于前述，cdznte成像装置的预采样mtf性能能够针对特定材料参数进行评估，如图1所示，其与来自众所周知的文献的实验数据进行比较。给出了关键的8个参数，计算出的mtf曲线如图1中的实曲线所示，与实验结果完全吻合，且测试条件相同。

本发明还是一种cdznte成像装置的设计方法。该方法包括(a)选择cd1-xznxte材料(0≤x<1)，选择7种特定材料参数：探测器厚度l；施加电场e；空穴迁移率μh；空穴载流子寿命τh；电子迁移率μe；电子载流子寿命τe；与入射光子能量相关的线性衰减系数μa(因此，也可以获得电子载流子λe的归一化平均自由程和空穴载流子λh的归一化平均自由程)；

(b)对cdznte体积中的载流子浓度进行优化分析，作为不同7个关键参数的设计要求，如入射光子能量，偏压，载流子迁移率和寿命产品，厚度；(c)在cdznte材料上制作像素化阳极，优化参数，如像素尺寸，电子和空穴迁移寿命产品等。

在步骤(b)中，分析可以利用以下等式来进行设计改进。

其中z'＝z/l是归一化的cdznte晶体厚度，l为晶体厚度；α＝1/μal为归一化线性衰减系数，λh＝μhτhe/l为归一化空穴载流子平均自由程,e为电场强度。不同光子能量和不同空穴迁移率和寿命产物的捕获电子和空穴浓度分布的例子分别如图2和图3所示。

本方法采用cdznte探测器搭建狭缝成像装置以测量获得mtf，进一步进行预采样mtf仿真测算，其特征在于测算结果用以修正实际实验测试结果，以求达到更高成像性能评价结果。

本发明提供了能够测算cdznte探测器中考虑载流子俘获效应影响的mtf图像的方法。对cdznte晶体中的载流子浓度分布进行分析，不仅计算未俘获电子载流子浓度分布，同时也考虑俘获空穴载流子、俘获电子载流子浓度分布，进一步根据镜像法原理计算获得“未俘获电子载流子、俘获空穴载流子、俘获电子载流子”在碲锌镉探测器信号收集极表面任意位置所产生线扩展函数(lsf)信号，继而计算获得该碲锌镉探测器mtf数据

该测算方法可以在实验测试之前预测载流子浓度分布，预测探测器成像mtf值，评估成像性能，避免成像装置的灾难性故障。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。