淺談幾種X射線探測器比較

高智崛

摘要：X射線探測一直以來是探測領域的重點難點，對X射線探測的側重點不同，所使用的探測器也多種多樣，本文主要比較幾種X射線探測器的性能和優缺點。

關鍵詞：X射線；探測器；性能

一、引言

自從1895年倫琴發現X射線以來，高能射線對于人類社會產生了深遠而廣泛的影響，現已在環境監測、醫學診斷、工業無損檢測、安全檢查、核科學與技術、天文觀測以及高能物理等領域廣泛應用。高能射線的探測是高能射線應用的關鍵技術之一，因此不斷發展高能射線探測材料和高性能探測技術是目前高能射線應用領域的重要發展方向。

高能射線探測器已經經歷了氣體探測器、閃爍體探測器和半導體探測器三代探測器，其中氣體探測器因其體積大和探測效率低而逐漸被閃爍體探測器和半導體探測器所取代。

二、X射線的產生

1895年，德國物理學家倫琴在研究陰極射線時，為保證放電管既不漏光又不被外界可見光影響，他將門窗封起來，然后涂上黑色顏料，放電管也用黑紙包住。接通電源后的確沒有發現可見光的蹤跡，但是在切斷電源的時候，產生了一個難以置信的現象，一塊熒光屏上發出了一道亮光，并且把熒光屏由近及遠移動，熒光依然存在。由于陰極射線傳播距離有限，他認為這是一種新型的射線，于是將這種射線命名為X射線。X射線的發現為放射性的發現開創了先河，揭開了20世紀物理學革命的序幕，是現代物理學的產生的重要標志。

正如太陽光包含有紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等許多不同波長的光一樣，X光管中高速電子打靶產生的X光子同樣不是單一波長（單色）的，而是包含有許多不同波長的X光子，構成連續的X光譜。從理論上講，任何高速帶電粒子被突然阻止，都將有韌致輻射產生，原理圖如圖1。高速的自由電子在不同時間、不同條件下撞擊陽極靶上，產生的X光子具有不同的能量，使得產生的X射線組成復雜，具有不同的強度和能量。

X射線管（圖1）是X射線機產生X射線的終端元件，其基本作用的是將電能轉化為X射線。固定陽極X射線管的結構如圖所示，它由陰極、陽極和玻璃壁組成。具有散熱性能好、適合連續負載、結構簡單等優點。陰極和陽極之間加高電壓時，陰極燈絲產生的電子在電場的作用高速射向陽極靶，經高速電子與陽極靶的碰撞，從陽極靶產生X光子，通過X射線管窗后形成錐形X射線束。高速電子流轟擊X射線管陽極靶時會產生兩種不同類型的X射線：連續型X射線和特征X射線。他們的產生機制不同，用途也不同。

三、X射線探測器比較

閃爍體探測器

NaI（Tl）探測器作為一種常用的閃爍體探測器，其優點在于：對光子探測效率和相對發光效率比較高；同時價格便宜、使用方便；尺寸可以做得比較精確，并可以準確計算出探測效率，對于需要測量射線強度而能量分辨率要求不高的場合應用廣泛。但是對于探測X射線而言，探測能量的線性度不好，其能量分辨率很差，一般都在50%-60%；而且NaI（Tl）探測器需要配備光電倍增管，系統較為笨重。

氣體探測器

正比計數器也普遍用于測量X射線的強度和能量，理論上只要正比計數器中產生一個電子-離子對就能產生氣體放大，形成可以探測到的信號，所以正比計數器具有探測能量下限低的優點。在測量低能γ和X射線時，分辨率為14%～20%，相比于NaI（Tl）探測器好2-3倍，但仍遠不如半導體探測器。能量譜線加寬除了有離子對數產生的統計漲落原因外，還有制造工藝上的問題，為達到較好的分辨率必須采取純化氣體和選擇均勻的陽極絲等措施。

半導體探測器

六十年代以來，半導體探測器作為一種核輻射探測器元件迅速的發展起來。它具有線性響應好，能量分辨率高，脈沖上升時間短，探測效率高，偏壓低（除鍺和高純硅探測器需要上千伏的偏壓外），結構簡單，操作方便。何知宇.硒化鎘多晶合成與單晶生長工藝的改進。因此廣泛的應用于核物理實驗和研究方面，而且在許多核科學技術應用中取代了氣體探測器和閃爍計數器。常見的γ/X半導體探測器有高純鍺探測器（HPGe）、硅鋰漂移探測器（SiLi）等

Si（Li）半導體探測器具有高能量分辨率、高探測效率、低工作偏壓，且能量的線性與粒子種類和質量無關等特點，適合于精密的低能γ/X射線能譜測量。但由于Si（Li）探測器靈敏區較厚，在室溫條件下其漏電流的漲落是探測器噪聲的主要來源，所以必須工作在低溫條件下。針對γ/X射線的測量，為了避免由于溫度變化引起的熱應力和漂移鋰的重新分布，最好還是要在低溫下保存。

高純鍺探測器（HPGe）除了具有Si（Li）半導體探測器的優點以外，還沒有裡補償，因此不需要在低溫下保存。但是由于室溫下鍺晶體禁帶寬度太小，為了降低反向電流，高純鍺探測器需要在低溫條件下使用。鍺晶體中形成一個電子-空穴所需的能量僅為2.98eV，即便鍺晶體的固有"死層"厚度為0.1mm-0.5mm和高阻止本領，HPGe探測器所能測量的X射線能量下限依然可以達到2.3keV。（X射線能譜測量與模擬姚馨博）因此，采用高純鍺探測器（HPGe）測量X射線能譜是當下比較流行和發展前景較好的探測方法。

化合物半導體CdZnTe探測器

碲鋅鎘（CdZnTe，CZT）晶體是當前發展起來的一種新型室溫化合物半導體探測器材料，具有原子序數大、電阻率高、禁帶寬度大的特點，廣泛應用于制作醫學、工業、軍事等領域的各種X/γ射線探測器和譜儀。對能量范圍10keV-1MeV的X/γ射線具有較高的探測效率，且具有室溫下正常工作以及暗電流較小等優點，能量分辨率介于NaI與HPGe探測器之間。

四、結論與展望

近年來，化合物半導體CdZnTe（簡稱為CZT）探測器受到人們的高度重視，這是因為：（1）與Si相比，CZT材料原子序數大，因而探測效率更高，1mm厚的CZT晶片對60keVγ射線的光電探測效率可達97.4%，而Si探測器對60keVγ射線的光電探測效率不到10%；（2）與高純Ge相比，CZT具有較大的禁帶寬度，因而CZT探測器可以在室溫下工作，省去了制冷系統，體積較小，使用更加方便；（3）CZT晶體具有高電阻率和高載流子輸運特性，可以保證CZT 探測器具有很好的電荷收集效率和能量分辨率；（4）與閃爍體相比，CZT探測器可以通過光刻工藝制備像素電極，探測器的單元探測面積可以很小，因此可以在成像系統中提供較高的空間分辨率；（5）CZT晶體還具有化學性質穩定、無極化和無潮解等特點，確保了器件性能的穩定性。

參考文獻：

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