CdZnTe探测器在天文物理研究中的应用综述

　　1　CdZnTe晶体简介及探测器工作原理

　　1·1　CdZnTe晶体简介

　　CdZnTe晶体是近年发展起来的一种性能优异的室温半导体核辐射探测器新材料,闪锌矿结构,空间群为F 43M。CdZnTe晶体是由于CdTe晶体的电阻率较低,所制成的探测器漏电流较大,能量分辨率较低,在CdTe中掺入Zn后,其禁带宽度增加,发展成为一种新材料[1]。Cd0.9Zn0.1Te的主要性质如表1所示。

　　1·2　CdZnTe探测器的工作原理

　　CdZnTe晶体可以在室温状态下直接将X射线和γ射线光子转变为电子。CdZnTe探头的表面是很薄的金属电极,这些电极在偏压作用下,在探测器内部产生电场。当有电离能力的射线和CdZnTe晶体作用时,晶体内部产生电子和空穴对,并且数量和入射光子的能量成正比。带负电的电子和带正电的空穴朝不同的电极运动,最终被收集起来。形成的电荷脉冲经过前放变成电压脉冲,其高度和入射光子的能量成正比。从前方出来的信号通过成形放大器转换为高斯脉冲,被再次放大。这些信号可以通过标准的计数器来识别或者用多道分析器形成入射光子的能谱。

　　2　CdZnTe探测器在天文物理研究中的应用

　　近年来,国外利用CdZnTe探测器进行天文物理研究屡见不鲜,总结如表2所示。由于篇幅有限,不能一一详细说明,下面仅简单介绍其中几个典型的CdZnTe探测器系统,其它系统可参考文献[3-17]。

　　2·1　BAT:Burst Alert Telescope[5]

　　BAT搭载在Swift卫星(NASA)上用来探测和定位γ射线暴,其构造如图1所示。D形编码掩膜孔总面积为3m2,每个编码单元尺寸为5mm;CdZnTe阵列总面积为5200cm2,共有256个模块(Module),每个模块有128个单元(Element),每个单元即为一个4mm×4mm×2mm的探测器;高原子序数的屏蔽层用于减少宇宙射线的本底水平。BAT的读出芯片是XA-1 ASIC,不过它并不是集成芯片。

　　2·2　HEX:High Energy X-ray spectrometer[10]

　　HEX搭载在印度发射的探月卫星Chan-drayaan-1上,用来探测月球表面放射性元素衰变时发射的X射线,其构造如图2所示。CdZnTe探测器有效面积大于100cm2,由9个阵列组成,每个阵列尺寸4cm×4cm,包括256(16×16)个像素,像素为单晶,尺寸2.5mm×2.5mm×3mm。每个阵列连接两个128道XAIM ASIC。

　　2·3　EXIST:Energetic X-ray Imaging SurveyTelescope[13]

　　EXIST由《十年调查之2001年报告(2001Report of the Decadal Survey)》提出,主要用来对深层宇宙空间的硬X射线进行全天候成像。它是黑洞探测器(Black Hole Finder Probe)强有力的竞争者。黑洞探测器是三个“爱因斯坦探测器(Einstein Probe)”中的一个。EXIST预计在2015年之前发射。图3显示EXIST主要由两个望远镜组成:一个是高能望远镜,由CdZnTe探测器组成,能量范围是10 ~600keV;另一个是低能望远镜,由Si探测器组成,能量范围是3~30keV。图4分步显示了EXIST中CdZnTe探测器的构成。