CdZnTe化合物半导体探测器在X射线荧光技术中的应用

目前, CdZnTe探测器的研究是处于一个迅速发展阶段的很有意义的新课题, 它在核安全、环境监测、天体物理和医学成像等领域均有应用。CdZnTe探测器具有量子效率高、能在室温下工作、能量分辨率高、高灵敏度、漏电流低、高电阻率、紧凑便携等优点。

X射线探测器应满足下列几点要求:(1)具有较高的探测效率和全能峰效率;(2)具有良好的能量分辨率和能量线性;(3)死时间短, 有优良的高计数率特性;(4)使用方便, 工作稳定、可靠;(5)价廉, 寿命长;(6)对携带式仪器, 应具有轻便、功耗低的特点。本文对CdZnTe探测器在XRF能谱分析中进行研究, 得出CdZnTe探测器用于XRF测量的实用性。

一、CdZnTe探测器的工作原理

CdZnTe化合物的高原子序数和高密度提供了对高能光子的强吸收和高探测效率, CdZnTe探测器可以在室温状态下直接将X射线和γ射线转光子变为电子。与硅和锗检波器相比, CdZnTe晶体是唯一能在室温状态工作并且能处理2百万光子/(s?mm2)的半导体。该种材料的能带宽, 可制成耗尽层深、漏电流小的高阻探测器。载流子寿命长, 流动性好, 电荷迁移距离可达若干mm甚至cm, 特别适用于探测高能光子。

CdZnTe探测器的主体由半导体晶块和两端电极组成, 晶块两端外施偏压, 处于自由载流子状态。入射光子在半导体内通过光电作用和康普顿效应产生电子空穴对, 其自身在连续的光电和康普顿作用下失去能量。电子空穴对数量与入射光子能量成正比。如图1所示。

在外加偏压作用下, 电子空穴对分离, 分别反向迁移, 在探测装置内形成电流。通过对电荷感应灵敏的前置放大器收集产生的总电荷量, 形成电压脉冲, 其电压脉冲幅度与总电荷量成正比。不同能量的入射光子在前置放大器上产生大小不同的电压脉冲幅度, 在多道分析器上则对应产生按能量大小排列的谱峰。而在单位时间内相同电压脉冲幅度出现的频率, 在多道分析器上表现为峰位不同的锋强度大小。浓度越高, 产生对应电压脉冲幅度频率越高, 故峰强度越大。即探测器的实质是通过测量电压脉冲幅度获得元素的能量信息, 通过测量其出现频率(频度), 获得该元素的浓度信息。

二、X射线荧光分析

XRF分析的原理就是在元素受到一定的激发后, 发射特征X射线, 而这种X射线的能量能够唯一表征该元素, 再由探测器测量这种荧光, 然后电子学线路记录, 最后对所测的光谱经过解谱和基体校正, 得到该样品的组成信息。图2为一套典型的XRF谱仪框图。

三、XRF能谱分析

XRF能谱分析的关键就是准确求出所测能谱的峰位和净强度, 进行能谱解析无非是要正确识别谱峰、确定峰位和本底, 并通过适当的数学处理方法将各个峰从重叠峰中分离出来, 然后再以一定的方法确定谱峰强度作为定量分析的依据。

（一）能谱光滑。

数据分析时必须对谱数据进行光滑处理, 以减小能谱统计涨落的干扰, 及更准确的寻峰和确定峰位。根据CdZnTe探测器所测能谱谱峰的特点, 并通过实验对比, 明显表明傅立叶变换法的光滑效果最好。特别是能谱总道数大于512道的时候, 其他方法要光滑好多次, 而用傅立叶变换法, 设置好合适的光滑参数后, 一次光滑就可以达到很好的效果, 如图3-1-1和图3-1-2所示, 其中光滑参数σ=12, ω1=0, ω2=200*2π/4096。

（二）本底扣除。

本底产生的原因一般可分为两类。其一是由样品引起的, 原级x射线谱在样品中产生散射 (康普顿散射和瑞利散射) 线, 其强度随样品成分的变化而发生变化。其二是由样品产生的射线与仪器相互作用引起的, 如探测器包装材料及探头周围物质引起的高次线等;此外宇宙射线和样品中放射性核素和电子学线路也能产生本底。本底对微量元素的检测限和准确度均有较大影响, 本底的正确扣除可以有效地降低检测下限, 因此, 通常均给予足够重视。在本底校正的几种方法中, 实测本底校正法效果最好。

（三）寻峰及峰区确定。

由于傅立叶变化法对能谱光滑的效果比较好, 所以寻峰-确定峰位置和峰边界一般采用一二三阶微商找峰法。其简单过程为, 首先对全谱做一次光滑的一阶数值微商, 然后对一阶微商谱, 从负变正的连续点中, 过零点为峰区边界, 再对全谱做一次光滑的二阶数值微商, 然后由二阶微商谱判断所确定的峰区内是单峰还是重叠峰, 最后对每个初步确定的峰进行统计检验。

（四）峰面积的计算。

X射线与CdZnTe探测器相互作用, 由于能量损失在电离过程和晶格热振动之间的分配是随机的, 因此探测器吸收X光子的全部能量, 所产生的电子一空穴对总数目服从统计涨落, 这种能量分配的统计涨落效应使得探测器的全能响应服从高斯分布形状。峰形拟合函数为其中P0～P5为拟合参数, δ控制拖尾范围的参数, 且有i≤P2, δ=1;i>P2, δ=0, B (i)为本底函数。拟合参数计算出来后, 可以得到各峰的峰位及高斯峰面积。

四、综述

CdZnTe探测器的发展和使用, 使获取高性能的核能谱成为可能, 随着高品质CdZnTe半导体晶体制备技术的不断提高，CdZnTe探测器不仅能够广泛应用于X射线荧光技术, 必将在其它领域获得更大的应用空间。

摘要：本文主要介绍CdZnTe探测器, 及其在X射线荧光技术中的应用研究。XRF能谱分析的关键是能谱的峰位和净强度, 进行能谱解析即是要正确识别谱峰、确定峰位和本底, 从而说明CdZnTe探测器能够代替NaI (Tl) 、Si (Li) 、HpGe等传统探测器而应用于X射线荧光技术的实用性。

关键词：CdZnTe探测器,X射线荧光技术,XRF能谱分析传统探测器

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