浅谈几种X射线探测器比较

高智崛

摘要：X射线探测一直以来是探测领域的重点难点，对X射线探测的侧重点不同，所使用的探测器也多种多样，本文主要比较几种X射线探测器的性能和优缺点。

关键词：X射线；探测器；性能

一、引言

自从1895年伦琴发现X射线以来，高能射线对于人类社会产生了深远而广泛的影响，现已在环境监测、医学诊断、工业无损检测、安全检查、核科学与技术、天文观测以及高能物理等领域广泛应用。高能射线的探测是高能射线应用的关键技术之一，因此不断发展高能射线探测材料和高性能探测技术是目前高能射线应用领域的重要发展方向。

高能射线探测器已经经历了气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器三代探测器，其中气体探测器因其体积大和探测效率低而逐渐被闪烁体探测器和半导体探测器所取代。

二、X射线的产生

1895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，为保证放电管既不漏光又不被外界可见光影响，他将门窗封起来，然后涂上黑色颜料，放电管也用黑纸包住。接通电源后的确没有发现可见光的踪迹，但是在切断电源的时候，产生了一个难以置信的现象，一块荧光屏上发出了一道亮光，并且把荧光屏由近及远移动，荧光依然存在。由于陰极射线传播距离有限，他认为这是一种新型的射线，于是将这种射线命名为X射线。X射线的发现为放射性的发现开创了先河，揭开了20世纪物理学革命的序幕，是现代物理学的产生的重要标志。

正如太阳光包含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等许多不同波长的光一样，X光管中高速电子打靶产生的X光子同样不是单一波长（单色）的，而是包含有许多不同波长的X光子，构成连续的X光谱。从理论上讲，任何高速带电粒子被突然阻止，都将有韧致辐射产生，原理图如图1。高速的自由电子在不同时间、不同条件下撞击阳极靶上，产生的X光子具有不同的能量，使得产生的X射线组成复杂，具有不同的强度和能量。

X射线管（图1）是X射线机产生X射线的终端元件，其基本作用的是将电能转化为X射线。固定阳极X射线管的结构如图所示，它由阴极、阳极和玻璃壁组成。具有散热性能好、适合连续负载、结构简单等优点。阴极和阳极之间加高电压时，阴极灯丝产生的电子在电场的作用高速射向阳极靶，经高速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生X光子，通过X射线管窗后形成锥形X射线束。高速电子流轰击X射线管阳极靶时会产生两种不同类型的X射线：连续型X射线和特征X射线。他们的产生机制不同，用途也不同。

三、X射线探测器比较

闪烁体探测器

NaI（Tl）探测器作为一种常用的闪烁体探测器，其优点在于：对光子探测效率和相对发光效率比较高；同时价格便宜、使用方便；尺寸可以做得比较精确，并可以准确计算出探测效率，对于需要测量射线强度而能量分辨率要求不高的场合应用广泛。但是对于探测X射线而言，探测能量的线性度不好，其能量分辨率很差，一般都在50%-60%；而且NaI（Tl）探测器需要配备光电倍增管，系统较为笨重。

气体探测器

正比计数器也普遍用于测量X射线的强度和能量，理论上只要正比计数器中产生一个电子-离子对就能产生气体放大，形成可以探测到的信号，所以正比计数器具有探测能量下限低的优点。在测量低能γ和X射线时，分辨率为14%～20%，相比于NaI（Tl）探测器好2-3倍，但仍远不如半导体探测器。能量谱线加宽除了有离子对数产生的统计涨落原因外，还有制造工艺上的问题，为达到较好的分辨率必须采取纯化气体和选择均匀的阳极丝等措施。

半导体探测器

六十年代以来，半导体探测器作为一种核辐射探测器元件迅速的发展起来。它具有线性响应好，能量分辨率高，脉冲上升时间短，探测效率高，偏压低（除锗和高纯硅探测器需要上千伏的偏压外），结构简单，操作方便。何知宇.硒化镉多晶合成与单晶生长工艺的改进。因此广泛的应用于核物理实验和研究方面，而且在许多核科学技术应用中取代了气体探测器和闪烁计数器。常见的γ/X半导体探测器有高纯锗探测器（HPGe）、硅锂漂移探测器（SiLi）等

Si（Li）半导体探测器具有高能量分辨率、高探测效率、低工作偏压，且能量的线性与粒子种类和质量无关等特点，适合于精密的低能γ/X射线能谱测量。但由于Si（Li）探测器灵敏区较厚，在室温条件下其漏电流的涨落是探测器噪声的主要来源，所以必须工作在低温条件下。针对γ/X射线的测量，为了避免由于温度变化引起的热应力和漂移锂的重新分布，最好还是要在低温下保存。

高纯锗探测器（HPGe）除了具有Si（Li）半导体探测器的优点以外，还没有裡补偿，因此不需要在低温下保存。但是由于室温下锗晶体禁带宽度太小，为了降低反向电流，高纯锗探测器需要在低温条件下使用。锗晶体中形成一个电子-空穴所需的能量仅为2.98eV，即便锗晶体的固有"死层"厚度为0.1mm-0.5mm和高阻止本领，HPGe探测器所能测量的X射线能量下限依然可以达到2.3keV。（X射线能谱测量与模拟姚馨博）因此，采用高纯锗探测器（HPGe）测量X射线能谱是当下比较流行和发展前景较好的探测方法。

化合物半导体CdZnTe探测器

碲锌镉（CdZnTe，CZT）晶体是当前发展起来的一种新型室温化合物半导体探测器材料，具有原子序数大、电阻率高、禁带宽度大的特点，广泛应用于制作医学、工业、军事等领域的各种X/γ射线探测器和谱仪。对能量范围10keV-1MeV的X/γ射线具有较高的探测效率，且具有室温下正常工作以及暗电流较小等优点，能量分辨率介于NaI与HPGe探测器之间。

四、结论与展望

近年来，化合物半导体CdZnTe（简称为CZT）探测器受到人们的高度重视，这是因为：（1）与Si相比，CZT材料原子序数大，因而探测效率更高，1mm厚的CZT晶片对60keVγ射线的光电探测效率可达97.4%，而Si探测器对60keVγ射线的光电探测效率不到10%；（2）与高纯Ge相比，CZT具有较大的禁带宽度，因而CZT探测器可以在室温下工作，省去了制冷系统，体积较小，使用更加方便；（3）CZT晶体具有高电阻率和高载流子输运特性，可以保证CZT 探测器具有很好的电荷收集效率和能量分辨率；（4）与闪烁体相比，CZT探测器可以通过光刻工艺制备像素电极，探测器的单元探测面积可以很小，因此可以在成像系统中提供较高的空间分辨率；（5）CZT晶体还具有化学性质稳定、无极化和无潮解等特点，确保了器件性能的稳定性。

参考文献：

[1]丁洪林.半导体探测器及其应用[M].原子能出版社，1989，10.

[2]查钢强，项行，刘婷等.中国科学：技术科学2012，42（8）：874

[3]金慧茹，魏可新.辐射防护监测仪器校准[M].北京：原子能出版社，2002