[发明专利]基于钙钛矿p-i-n结的γ射线探测结构及校正方法

说明书

本发明提出基于钙钛矿p‑i‑n结的γ射线探测结构及校正方法，利用逆温溶液结晶法生长超厚本征钙钛矿晶体，作为γ射线光子吸收体，采用外延掺杂生长方法在本征钙钛矿晶体一侧生长p型钙钛矿外延层，在另外一侧生长n型钙钛矿外延层，利用钙钛矿p‑i‑n结抑制暗态电流和噪声，同时采用大尺寸的钙钛矿晶体更多地吸收和转换γ光子，为了克服γ光子入射深度不同引起的探测能量分辨率降低的问题，提出同时测量阴极端和阳极端的探测信号，根据这两个信号的比值标定γ光子的纵向互作用深，再将同样深度下的探测事件分别归类统计，利用已知特征峰确定校正参数，最后通过深度位置校正算法获得高探测效率、高能量分辨率的γ射线探测能谱。

技术领域

本发明涉及γ射线探测领域，具体为基于钙钛矿p-i-n结的γ射线探测结构及校正方法。

背景技术

高灵敏度、高能量分辨率的γ射线探测在国土安全、工业检测以及医学影像中具有重要应用，从1950年至今，商用的γ射线探测材料通常是高纯度的Ge(HPGe)以及CdTe等半导体材料，HPGe探测器能够获得的能量分辨率很高，因此它被认为是辐射探测的金标准，但是由于HPGe的带隙较窄，所以需要在液氮环境下工作，这限制了它的应用，人们一直在探索能够在室温下工作，且与HPGe获得相近性能的半导体探测材料，但是进展仍然受到限制，只有Cd1-xZnxTe(x≈0.1,CdZnTe或者CZT)得到了商用化，但是它的制备成本很高。

由于γ光子的能量很高，为了提高γ光子的探测效率，需要采用较大体积的CZT探测器，但是探测器体积增大后，除了制备成本急剧上升外，CZT晶体缺陷引起的载流子捕获严重影响探测能谱的能量分辨率，为了解决这一问题，人们提出了像素化的CZT探测结构，如图1所示。

在像素化的CZT探测结构中，阳极被设置为阵列的像素化阳极(1)，通过绝缘环带(3)，在像素化阳极(1)阵列外设置公共栅极(2)，而阴极则被设置为平面阴极(4)，该探测结构通过阵列化的像素阳极(1)和平面阴极(4)，可以大致确定γ光子与探测器发生互作用的位置，从而对获得的γ射线能谱进行校正，获得较高的能量分辨率，根据报道，它对662keV的γ射线光子能谱的半峰宽(FWHM)为1.1％(7.3keV)，但是在该像素化探测结构中，每一个像素阳极(1)都需要使用灵敏电荷放大器收集探测信号，因此增大了系统成本，同时也增大了读出电路的电子噪声。

因为单独的一个γ光子能够产生的光生电子/空穴对数目较少，它们很容易受到材料的缺陷以及杂质的作用，产生电性捕获。因此，不论是HPGe还是CZT探测器都必须要求探测材料具有很高的本征纯度(至少达到12N以及7N)，这样才能尽量减小载流子的陷阱复合概率，是光生载流子具有足够的收集效率，卤素钙钛矿APbX₃是一种新型半导体材料，虽然它的纯净度比较低(CsPbBr₃的纯净度大约5N)，但是因为钙钛矿晶体具有对寄生缺陷较好的容忍度，其载流子输运仍然具有很好的性能，前期研究已经表明(MA,FA)PbX₃钙钛矿具有很好的探测器应用前景。

美国西北大学研究组报道了一种基于钙钛矿晶体的高分辨率γ射线能谱仪，其结构如图2所示，在该探测结构中，为了增加光生载流子的传输性能，它分别采用PTAA和C₆₀作为空穴传输层(10)和电子传输层(8)，而钙钛矿晶体则作为γ光子的吸收和转换层，与图1的结构相似，该探测结构也采用共平面阴极(7)和像素化阳极(11)，根据报道，利用体积为6.65mm3的探测器对对662keV的γ射线获得了1.4％的能量分辨率，但是因为它采用有机材料作为电子传输层和空穴传输层，这些功能层在高能γ射线辐照下很快性能老化，产生额外噪声，另外，这些有机功能层与钙钛矿晶体构成的异质结界面存在较多的缺陷，也会产生附加噪声，从而降低探测能量分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供基于钙钛矿p-i-n结的γ射线探测结构及校正方法，以解决上述技术问题。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：基于钙钛矿p-i-n结的γ射线探测结构，包括以下部分：