CN115166813B - 一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法，包括以下步骤：用快前沿、低噪声的电荷灵敏放大器对探测器输出的电流脉冲信号进行模拟积分，再对积分放大之后的波形进行数字化，在此基础上提取波形的上升时间和幅度信息；剔除上升时间过短的事例，剩下的为有效事例；针对有效事例，根据波形的上升时间特征，将其分为两类；利用放射源对探测器进行标定测试，将测试得到的上述两类有效事例的波形幅度与上升时间的关系进行拟合，并据此对波形幅度值进行补偿，最后得到修正之后的能谱。本发明提出的方法能够显著改善半球形或准半球形化合物半导体伽马探测器全能峰的低能拖尾效应，从而提升能量分辨，在核工业、核医学、环境辐射探测等领域都具有广阔的应用前景。

Description

一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法。

背景技术

半导体探测器具有能量分辨率高、时间响应快、结构简单等优点，在核工业、核医学、核辐射探测等多个领域都得到了广泛应用。其中，化合物半导体材料(如碲锌镉、碲化镉、砷化镓、碘化汞等)由于禁带宽度高、漏电流小，使用其制成的探测器能够在室温条件下工作，被广泛应用于X射线和伽马射线的能谱测量。然而，常见的化合物半导体材料的空穴迁移率低，空穴极易被俘获，因此存在较严重的信号幅度(电荷)损失，限制了探测器的能量分辨率。目前一种有效的方法是在探测器内部建立半球形或准半球形电场。通过采用这种方法，阳极附近电场强度很大，往远离阳极的方向电势快速下降，使得探测器大部分区域的电势较低并且相差不大。因此，对于大部分入射粒子，半球形或准半球形半导体伽马探测器产生的电流脉冲主要由电子漂移贡献，空穴的贡献可以忽略，探测器的能量分辨率得以显著提高。

尽管如此，对于相当一部分事例，由于其击中位置距离阳极过近，电子漂移路径过短，漂移路径终点与起点的权重电势差不大，仍不能使得信号电荷被完全收集。与此同时，对于击中位置靠近阴极的事例，由于电子漂移距离过长，也有一部分电子被俘获而造成电荷收集不完全。以上这两种因素均导致电荷损失，使得伽马能谱的全能峰不再符合正态分布，全能峰左半边被展宽，能量分辨率变差，即为伽马全能峰的低能拖尾效应。低能拖尾效应不仅导致能量分辨率的下降，在源项较复杂的场景下，还很容易使能量较低、活度也偏低的伽马全能峰被能量更高的全能峰所湮没，从而严重影响核素识别的效果。如果能进一步修正，可极大改善其性能。

目前国内外已有多个关于化合物半导体探测器能谱修正的研究成果发表，较为典型的有：成都理工大学的吴俊等人的《基于像素型CZT探测器的深度灵敏与能量校正技术研究》，重庆大学的黎淼等人的《CZT面元像素探测器的研制及其幅度修正技术的实现》等，但是这些研究针对的都是像素型半导体探测器。对于准半球形半导体探测器伽马能谱修正的研究，主要有L.Verger等人发表的论文Performance of a New CdZnTe PortableSpectrometric System for High Energy Applications(IEEE TRANSACTIONS ONNUCLEAR SCIENCE,VOL.52,NO.5,OCTOBER 2005)，但该工作仅仅是剔除了一部分上升时间过短的事例，且并未对幅度进行补偿。

为了进一步提升准半球形半导体探测器的伽马能谱分辨，本发明提出结合准半球形半导体探测器自身结构特点和电场特征，根据波形上升时间对伽马事例进行分类，并在此基础上对信号幅度(即电荷)测量值进行补偿修正，从而改善伽马能谱全能峰的低能拖尾效应。由于低能拖尾效应主要体现在全能峰左侧底部，因此可以引入全能峰的十分之一高宽(FWTM)来表征低能拖尾效应。该方法可以改善探测器的能量分辨，尤其可以显著减小全能峰的FWTM分辨率，使得靠近全能峰左侧的活度较低的核素对应的全能峰更加突出，从而提升伽马核素的鉴别能力。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术领域中准半球形化合物半导体伽马探测器电子和空穴在电场中迁移率相差较大，使信号电荷发生损失，从而导致低能拖尾的问题，提出一种伽马能谱修正方法，以补偿由于电子漂移路径过短和电子俘获导致的电荷收集损失，从而提升全能峰的能量分辨率。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法，包括以下步骤：

步骤1：用快前沿、低噪声的电荷灵敏放大器对所述探测器输出的电流脉冲信号进行模拟积分，再对积分放大之后的波形进行采样和数字化，在此基础上提取波形的上升时间和幅度信息；

步骤2：剔除上升时间过短的事例，剩下的为有效事例；

步骤3：针对有效事例，根据波形的上升时间特征，将其分为两类，第一类为电子漂移路径过短的事例，第二类为电子漂移路径过长的事例；

步骤4：利用放射源对探测器进行标定测试，将测试得到的上述两类事例的波形幅度与上升时间的关系进行拟合，通过拟合得到上述两类事例各自的幅度补偿公式，据此分别补偿两类事例的幅度值，再对补偿后的全部事例的幅度值进行统计即得到修正之后的能谱。

进一步地，步骤2中，所述剔除上升时间过短的事例，即设定一个参数t₀，若波形上升时间t_r小于t₀，则舍弃该事例。

进一步地，步骤4中，对第一类事例幅度值进行补偿，即对于给定的时间t₁，若波形上升时间t_r小于t₁，则补偿其由于电子漂移路径过短，漂移路径终点与起点的权重电势差过小而造成的电荷收集损失，其中，t₁>t₀。

进一步地，步骤4中，对第二类事例幅度值进行补偿，即对于给定的时间t₁，若波形上升时间t_r大于t₁，则补偿其由于电子俘获而造成的电荷收集损失，其中，t₁>t₀。

进一步地，对第一类事例幅度值或第二类事例幅度值进行补偿的所述幅度补偿公式的参数通过测量已知能量的标准放射源，并对其波形的上升时间和幅度拟合得到；所述幅度补偿公式可以采用多种方式，包括解析函数，或以数值的形式构造成查找表。

本发明的原理在于：首先对原始波形进行采集。原始波形产生的过程为：伽马射线射入半导体探测器之后，产生的电子在准半球形电场中漂移，产生的电流脉冲经过电荷灵敏放大器，输出积分放大之后的电压波形，其幅度A正比于收集的电荷量Q，其上升时间由放大器固有的上升时间与电子在探测器电场中漂移的时间共同决定。

根据Ramo定理，收集的电荷量Q满足：

Q＝qU_w

其中，U_w是电子漂移终点与起始点的权重电势差，在准半球形探测器中，与探测器内部这两个点的电势差成正比。

对于击中位置距离阳极很近的伽马射线，产生的电子漂移路径短，漂移路径两端的权重电势差小，使得电荷收集不完全。而由于电子漂移路径短，导致漂移时间也短，其信号特征体现为上升时间较短，且不同的上升时间对应不同的电荷损失程度。对于这部分事例的信号幅度，可根据其上升时间做修正，如果上升时间过短也可直接舍弃。

对于击中位置距离阳极很远的伽马射线，由于电子漂移距离长，漂移过程中部分电子被俘获，也造成电荷收集不完全。这部分信号由于电子漂移时间长，导致漂移时间也长，其信号特征体现为上升时间较长，且不同的上升时间对应不同的电荷损失程度。对于这部分信号，也同样根据上升时间对幅度进行补偿。

由上述本发明提出的技术方案可以看出，该方法可以进一步提升准半球形化合物半导体伽马探测器的优势，使其测得的伽马能谱具有更高的能量分辨。在较为复杂的放射性环境中，尤其是在多种核素同时存在并且活度相差较大的情形下，该方案可削弱伽马核素全能峰的低能拖尾效应，在很大程度上改善谱仪对放射性核素的鉴别能力，从而能够更好地满足精确测量γ射线的能谱以及核素识别的需求。

附图说明

图1为本发明能谱测量修正的流程图；

图2为本发明实施例提供的波形图；

图3为本发明实施例提供的探测器结构模型图；

图4为本发明实施例提供的修正前后的上升时间-幅度关系图；

图5为本发明实施例提供的修正前后的能谱对比图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案内容更加清晰，以下参照附图，对具体的一种实施案例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明所述的一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法，实现能谱测量修正的流程如图1所示。步骤如下：

步骤1：用快前沿、低噪声的电荷灵敏放大器对探测器输出的电流脉冲信号进行积分放大，再对放大器输出的波形进行数字化，再提取波形的上升时间和幅度信息。本实施例中以波形达到某个预设的低阈值和高阈值之间的时间间隔作为上升时间，也可以用其他方法计算波形上升时间，典型波形如图2所示。

步骤2：剔除上升时间过短的事例，具体方法是：给定一个参数t₀，若波形上升时间t_r小于t₀，则舍弃该事例。

步骤3：对步骤2中保留下来的波形，按照上升时间分为两类，分类方法如下：对于给定的参数t₁(t₁>t₀)，若波形上升时间t_r小于t₁，则为第一类事例；否则为第二类事例。

步骤4：利用放射源对探测器进行标定测试，将测试得到的上述两类事例的波形幅度与上升时间的关系进行拟合，通过拟合得到上述两类事例各自的幅度补偿公式，据此分别补偿两类事例的幅度值，再对补偿后的全部事例的幅度值进行统计即得到修正之后的能谱。具体包括：

1)对第一类事例幅度值进行补偿，即对于给定的时间t₁(t₁>t₀)，若波形上升时间t_r小于t₁，补偿其由于电子漂移路径过短造成的电荷亏损。幅度补偿公式为：

A′＝A+A*f₁(t_r) (1)

其中，A′为补偿之后的幅度，A为波形原始幅度，f₁是上升时间t_r的函数。该公式是利用已知能量的放射源对拟修正的伽马探测器进行标定测试，然后对各事例的波形上升时间与幅度之间的关系进行拟合得到。幅度补偿公式可以由解析函数构成，也可以采用数值的形式构造成查找表。

2)对于第二类事例，补偿其由于电子俘获造成的电荷亏损。幅度补偿公式为：

A′＝A+A*f₂(t_r) (2)

其中，A′为补偿之后的幅度，A为波形原始幅度，f₂是上升时间t_r的函数。该公式是利用已知能量的放射源对拟修正的伽马探测器进行标定测试，然后对各事例的波形上升时间与幅度之间的关系进行拟合得到。幅度补偿公式可以由解析函数构成，也可以采用数值的形式构造成查找表。

3)利用经过舍弃和补偿之后的幅度计算能谱。

为了进一步展示该修正方法的实施方式及效果，利用物理仿真软件，设定一种具有典型结构尺寸的准半球形半导体探测器，产生仿真事例及相应的信号波形，再利用本发明提出的技术方案加以处理：

本实施案例采用了粒子探测领域常用的Garfield++软件进行蒙特卡洛仿真。探测器材料在软件中设置为碲锌镉(CZT)，尺寸为10mm*10mm*5mm。探测器结构为准半球形，其阳极位于顶部(正方形)中央，尺寸为1mm*1mm，其余五个面为阴极，结构模型如图3所示。其电子迁移率设置为典型的1100cm²/(V·s)，空穴迁移率设置为典型的50cm²/(V·s)。在距离探测器底部阴极10mm处，设置能量为511keV的伽马点源，可以通过仿真得到每个伽马射线与探测器发生作用之后产生的电流脉冲信号。与此同时，利用PSpice模拟电路仿真软件对一种典型的快前沿、低噪声的电荷灵敏放大器进行仿真，即可得到其冲激响应函数，在本实施例中该放大器的固有上升时间约为16ns。

以下介绍利用仿真数据开展的伽马能谱修正的具体过程：

首先对探测器的电流脉冲信号与放大器的冲激响应函数进行卷积，得到放大器的输出波形，并对该波形进行数字化。采样点间隔设置为2ns，等效于波形数字化采样率500MSPS，之后计算并记录波形上升时间和幅度，之后作二维散点图，如图4中左图所示。这里设定高、低阈值分别为波形幅度的90％、10％，参数t₀为30ns，参数t₁为50ns。即舍弃上升时间小于30ns的事例，并将其余事例分为两类，其中波形上升时间在30-50ns之间的为第一类事例，其余为第二类事例。

从图4中左图可以看到，对于第一类事例，幅度随上升时间减小而减小，此即为电子漂移路径两端的权重电势差偏小而造成的电荷收集损失；对于第二类事例，幅度随上升时间增大而减小，此即为电子俘获造成的电荷收集损失。第一、第二类事例可以分别采用前文提到的公式(1)、(2)进行幅度补偿。幅度补偿公式(1)、(2)是利用已知能量的伽马放射源进行标定测试(在本实施例中则是在仿真软件中设置单能伽马源得到仿真数据)，并对其波形的上升时间和幅度之间的关系进行拟合而得到。

按上述步骤进行修正后的上升时间-幅度关系如图4中右图所示，可以看到两种电荷亏损均得到有效的修正。修正前后的能谱对比如图5所示，其中全能峰半高宽(FWHM)从1.78keV减小到1.68keV，十分之一高宽(FWTM)从4.65keV减小到3.21keV，FWTM/FWHM从2.61减小到1.91，接近高斯分布的理论值1.82。说明经过修正后，能量分辨率得到显著提升。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，包括更换半导体探测器类型(例如将碲锌镉改为基于其它材料的半导体探测器，或探测器材料的性能参数与实施例中设置的仿真参数存在差异)，或对探测器的具体尺寸或几何结构加以变化，以及等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：用快前沿、低噪声的电荷灵敏放大器对所述探测器输出的电流脉冲信号进行模拟积分，再对积分放大之后的波形进行采样和数字化，在此基础上提取波形的上升时间和幅度信息；

步骤2：剔除上升时间过短的事例，剩下的为有效事例；

步骤3：针对有效事例，根据波形的上升时间特征，将其分为两类，第一类为电子漂移路径过短的事例，第二类为电子漂移路径过长的事例；

步骤4：利用放射源对探测器进行标定测试，将测试得到的上述两类事例的波形幅度与上升时间的关系进行拟合，通过拟合得到上述两类事例各自的幅度补偿公式，据此分别补偿两类事例的幅度值，再对补偿后的全部事例的幅度值进行统计即得到修正之后的能谱。

2.如权利要求1所述的一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法，其特征在于，步骤2中，所述剔除上升时间过短的事例，即设定一个参数t₀，若某一有效事例的波形上升时间t_r小于t₀，则舍弃该事例。

3.如权利要求2所述的一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法，其特征在于，步骤4中，对第一类事例幅度值进行补偿，即对于给定的时间t₁，若波形上升时间t_r小于t₁，则补偿其由于电子漂移路径过短，漂移路径终点与起点的权重电势差过小而造成的电荷收集损失，其中，t₁ > t₀。

4.如权利要求2所述的一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法，其特征在于，步骤4中，对第二类事例幅度值进行补偿，即对于给定的时间t₁，若波形上升时间t_r大于t₁，则补偿其由于电子俘获而造成的电荷收集损失，其中，t₁ > t₀。

5.如权利要求3或4所述的一种应用于半导体伽马探测器的能谱修正方法，其特征在于，对第一类事例幅度值或第二类事例幅度值进行补偿的所述幅度补偿公式的参数通过测量已知能量的标准放射源，并对其波形的上升时间和幅度拟合得到；所述幅度补偿公式采用函数解析式或者数值的形式构造成查找表。