一种半导体探测器能谱测量方法技术

本发明专利技术涉及半导体探测器技术领域，尤其是指一种半导体探测器能谱测量方法。由于信号波形面积不受电荷灵敏前放输出的上升时间的影响，本发明专利技术所提供的半导体探测器能谱测量方法，针对钙钛矿类半导体辐射探测器信号上升时间长导致的弹道亏损等问题，通过计算信号的波形面积来标识射线在探测器中的能量沉积，达到精确能谱测量目的。精确能谱测量目的。精确能谱测量目的。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体探测器能谱测量方法


[0001]本专利技术涉及半导体探测器
，尤其是指一种半导体探测器能谱测量方法。

技术介绍

[0002]现有的技术中，放射性核素γ衰变可发射单能γ射线，通过对γ射线的能量测量可达到对核素鉴别、定量分析及成像的目的。γ射线的物质穿透能力强，对待测物体的制样要求低，这使γ测量具有广泛的应用范围。基于此，对γ射线能量的测量在基础研究和实际应用中具有重大意义。
[0003]γ射线测量中，半导体探测器因具有优异的能量分辨率而广泛采用。用于测量γ射线的传统半导体探测器有锂漂移硅探测器和高纯锗。但锂漂移硅探测器的灵敏体积小、平均原子序数低，仅能用于低能γ射线的能量测量；高纯锗探测器需液氮的低温环境，且价格昂贵，这限制了其应用范围。针对传统半导体探测器的关键问题，研制新型的室温半导体材料是辐射探测领域的研究热点。目前，唯一商用的室温半导体仅碲锌镉，但大体积高质量的碲锌镉晶体的产额低，成本高，应用范围仍较为受限。
[0004]钙钛矿半导体是新型室温半导体，自2018年报道用于辐射测量，其能量分辨率可达1.6％@662keV，优于其它新型室温半导体，具有广泛的应用范围。但不同于其它传统半导体及碲锌镉，钙钛矿类半导体的载流子迁移率约慢1个量级。这使得钙钛矿类半导体探测器的信号上升时间可达数十个微秒，显著的慢于已有的半导体探测器。传统电子学仪器均是针对该类快速上升的信号设计和优化的，不适用于钙钛矿类等载流子迁移慢的半导体探测器。基于传统电子学，不仅导致探测器的测量性能没有得到优化，而且对探测器的平均电离能、迁移率寿命积等与材料相关的本征参数无法精确测量。
[0005]基于传统核电子仪器的能谱测量方法的结构框图如图1所示。探测器输出信号首先经电荷灵敏前放进行放大，输出快速上升、缓慢下降的波形。其中，快速上升对应着电荷在探测器内部的收集过程；缓慢下降对应着反馈电容上的积分电荷通过反馈电阻放电的过程。若探测器的电荷收集较快(如硅，收集时间仅数十个纳秒)，则可忽略电荷在收集过程中，由反馈电阻泄放掉的电荷。此时，电荷灵敏前放的上升沿的高度代表着探测器收集到的总电荷量，这正比于射线在探测器中沉积的总能量。测量上升沿的高度，即可达到对沉积能量测量的目标，即能谱测量。为了便于测量，同时提高计数率，传统核电子学会进一步通过主放大器对前置放大器输出的信号进行滤波成形，使之成为准高斯型，经滤波成形后，主放信号的脉冲高度正比于前置放大器输出信号的上升沿高度。故，通过对主放大器的脉冲高度的测量，即可达到对射线能谱测量的目的。核电子仪器中，一般再利用多道采集卡测量主放脉冲的高度，总之，传统射线能谱的测量方法是基于对脉冲高度的测量。
[0006]基于传统电子学测量钙钛矿类半导体探测器的能谱性能时，其中存在2个关键问题。首先，钙钛矿类探测器中电荷收集时间长，这导致电荷在收集过程中，就会通过反馈泄放电阻泄漏一部分电荷。且，不同的电荷收集时间就会导致泄放电荷量不同。最终这将导致信号的幅度不仅与射线在探测器中产生的总电荷量相关，还与电荷的收集时间相关，如图2
所示。这种效应一般被称为“弹道亏损效应”，在钙钛矿半导体探测器中，表现尤为突出。
[0007]对于电荷灵敏前放输出的上升时间较长的脉冲波形，目前的主放成形时间不足。以ORTEC 572A为例，其最常成形时间为10μs，这小于或可比拟钙钛矿半导体探测器输出信号的上升时间。这将导致主放信号的成形时间不足，波形偏离高斯峰型，如图3所示。该波形的高度不再线性正比于探测器输出的电荷量，从主放输出的波形也偏离了高斯波形，最终导致探测器的能谱性能变差。
[0008]总之，传统核电子仪器不适用于钙钛矿类半导体探测器的能谱测量。

技术实现思路

[0009]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中基于传统电子学测量钙钛矿类半导体探测器的能谱不准确的问题。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种半导体探测器能谱测量方法，包括：
[0011]将半导体探测器每次输出的脉冲信号经电荷灵敏前置放大器放大，得到前放信号；
[0012]计算信号的波形面积；
[0013]统计每次输出脉冲信号对应的波形面积，经过多道计数，得到探测器测量高能射线的能谱。
[0014]优选地，利用单个或多个并行的主放大器对多通道的前放信号进行滤波成形，得到主放信号。
[0015]优选地，将所述前放信号分为两路，其中一路经过主放大器，得到采样电子学的触发信号，触发采样电子学采集多通道的前放信号；
[0016]将采集到的前放信号经过滤波成形，得到主放信号。
[0017]优选地，所述数字滤波采用CR
‑
RC4滤波成形算法。
[0018]优选地，所述采用CR
‑
RC4滤波成形算法对采集到的前放信号进行滤波的公式表示为：
[0019]E
out
＝(E/n！)(t/τ)
n
exp(
‑
t/τ)
[0020]其中，当n＝4时，为CR
‑
RC4滤波，E为输入信号，E
out
为输出信号，τ为时间常数，t为滤波时间。
[0021]优选地，所述数字滤波采用梯形滤波成形算法。
[0022]优选地，所述数字滤波采用三角滤波成形算法。
[0023]优选地，所述半导体探测器能谱测量方法用于钙钛矿半导体探测器的高能射线能谱测量，所述钙钛矿半导体包括卤化物钙钛矿半导体及其固溶体和低维卤化物钙钛矿半导体。
[0024]优选地，所述半导体探测器能谱测量方法用于含有卤素原子的三元及三元以上的多元半导体材料的探测器的能谱测量。
[0025]优选地，所述半导体探测器能谱测量方法用于半导体探测器平均电离能的测量。
[0026]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0027]由于前放信号波形面积不受电荷灵敏前放输出的上升时间的影响，本专利技术所提供的半导体探测器能谱测量方法，针对钙钛矿类半导体探测器信号上升时间长的问题，通过
计算前放信号的波形面积来标识射线在探测器中的能量沉积，达到能谱测量目的，能谱测量的结果更加准确。
附图说明
[0028]为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中：
[0029]图1是传统核电子仪器的能谱测量框图；
[0030]图2是利用传统核电子仪器测量钙钛矿类探测器的框图；
[0031]图3是不同电荷收集时间造成前放信号和主放信号的脉冲幅度示意图；
[0032]图4为本专利技术所提供的一种半导体探测器能谱测量方法的实现流程图；
[0033]图5是本专利技术实施例所提供的一种半导体探测器能谱测量方法的技术方案框图；
[0034]图6是不同偏压下的CsPbBr3探测器能谱示意图；
[0035]图7是Hecht本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体探测器能谱测量方法，其特征在于，包括：将半导体探测器每次输出的脉冲信号经电荷灵敏前置放大器放大，得到前放信号；计算信号的波形面积；统计每次输出脉冲信号对应的波形面积，经过多道计数，得到探测器测量高能射线的能谱。2.根据权利要求1所述的半导体探测器能谱测量方法，其特征在于，所述得到前放信号后包括：利用单个或多个并行的主放大器对多通道的前放信号进行滤波成形，得到主放信号。3.根据权利要求1所述的半导体探测器能谱测量方法，其特征在于，所述得到前放信号后包括：将所述前放信号分为两路，其中一路经过主放大器，得到采样电子学的触发信号，触发采样电子学采集多通道的前放信号；将采集到的前放信号经过滤波成形，得到主放信号。4.根据权利要求3所述的半导体探测器能谱测量方法，其特征在于，所述数字滤波采用CR
‑
RC4滤波成形算法。5.根据权利要求4所述的半导体探测器能谱测量方法，其特征在于，所述采用CR
‑
RC4滤波成形算法对采集到的前放信号进行滤波的公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：何亦辉，王仁生，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：