学术报告: 提高像素化CdZnTe（CZT）探测器伽玛射线探测效率的方法研究

主要作者及机构

本文的主要作者包括Yu Xiang, Xiaopan Jiang, Baotong Feng, Daowu Li, Xianchao Huang, Xiaoxuan Li, Zhiming Zhang, Cunfeng Wei 和 Long Wei，作者主要隶属于以下研究机构：中国科学院高能物理研究所北京工程研究中心、中国科学院大学核科学与技术学院、济南应用核科学实验室，以及中国核技术应用卓越中心。本研究发表在《IEEE Transactions on Nuclear Science》2024年4月的第71卷第4期上。

学术背景和研究动机

镉锌碲（Cadmium Zinc Telluride, CZT）探测器适用于伽玛射线探测，具有宽带隙、高电阻率和高原子序数的特点，这使得CZT探测器能够在室温下工作，且对光子及带电粒子的探测灵敏度高。然而，CZT探测器也存在若干限制，包括因晶体生长困难导致的探测器体积有限，以及孔电荷俘获效应对载流子收集效率的影响。此外，在像素化CZT探测器中，康普顿散射和电荷共享进一步降低了全能峰（photopeak）的探测效率。

研究者提出了两种新的谱构建方法用于像素化CZT探测器的伽玛射线探测，其目的是通过数值分析研究这些方法是否能够有效提高探测效率，同时评估其在不同辐射环境下的性能。本研究旨在系统分析这些构建方法对探测效率提升的影响，最终为伽玛射线检测技术提供改进方案。

研究流程与研究方法

本研究的工作流程可划分为以下几部分：

方法介绍与实验设计

1. 现有方法的局限性：研究指出，目前常见的方法（如将各像素的单独谱相加形成的谱，简称SEPS）无法解决康普顿散射和电荷共享效应导致的全能峰计数损失问题。

2. 新方法提出：提出了两种谱构建方法：

   • 能量和谱（SES）：将所有像素的总能量进行求和构建谱。
   • 能量组合和谱（SECS）：对多像素事件中所有可能的能量组合取和，并绘制谱。

蒙特卡洛模拟设计

研究使用GEANT4工具包进行蒙特卡洛模拟，模拟了一个尺寸为22×22×15毫米的11×11像素化CZT探测器，以及直接对准阳极像素的伽玛射线源。具体实验细节包括： - 不同伽玛射线强度：改变每次事件中的伽玛射线数量，从1到5。 - 不同伽玛射线能量：选择122keV、356keV、511keV、662keV和1333keV的伽玛射线源。 - 不同辐射环境：测试多能量情况下（例如同时存在511keV和662keV）及宽能量范围背景（50-1000keV）下的方法表现。 - 探测器能量分辨率变化：以5%等FWHM为准，研究能量分辨率对构建方法的影响。

数据分析

数据采用基于全能峰计数的探测效率指标进行评估，并通过基线减法消除无意义计数对峰计数精确性的影响。同时对比了SEPS、SES、SECS构建方法的谱图，量化了各种配置下的探测效率差异。

核心研究结果

1. 新方法的有效性

   • 当每次事件只有一个伽玛射线（如662keV）时，SES和SECS显著提高了探测效率，两者的探测效率均超过14%，而SEPS仅为5.9%。
   • SES能够很好地恢复因康普顿散射和电荷共享导致的能量损失，但当伽玛射线通量增加（每事件大于3个伽玛光子）时，SES效率显著下降，甚至低于SEPS。而SECS在高通量下维持了两倍于SEPS的探测效率。

2. 伽玛射线能量对效率的影响

   • 探测效率随着伽玛射线能量的增加而降低，这是由于CZT材料的质量衰减系数随能量增加而下降所致。
   • SECS/SES相对于SEPS的效率比值与伽玛射线能量呈正线性关系，表明这两种方法在高能伽玛射线探测中更优越。

3. 复杂辐射环境下的性能

   • 在同时发生511keV及662keV伽玛射线事件的高强度多源环境下，SECS对高能伽玛射线（662keV）的探测效率最高达14.4%，远高于SES（7.6%）和SEPS（5.9%）。
     
   • 在宽能量范围背景下，SECS依然保持对662keV伽玛射线的高探测效率，相比SES和SEPS无明显下降。

4. 能量分辨率的影响

   • SECS和SES在探测器能量分辨率较差（如5%FWHM）时，探测效率有所下降，但仍是SEPS的两倍以上。
   • SEPS的能量分辨率几乎不随变化而改变，而SECS和SES的线性叠加计算导致分辨率稍有恶化，但其变化幅度小于1%FWHM。

研究结论及意义

本研究提出的能量和谱（SES）及能量组合和谱（SECS）构建方法有效改善了像素化CZT探测器的伽玛射线探测效率。其中，SECS方法在中高能量伽玛射线和高强度射线通量下表现出更大的优势。研究还表明，尽管能量分辨率对结果稍有影响，新方法依然能够提供显著的效率提升。

这两种方法不仅适用于像素化CZT探测器，也可推广至其他类型的像素化辐射探测器阵列。研究方法简单易行，在伽玛射线复杂检测环境（如核反应后及时伽玛射线的输出检测）中具有潜在应用价值。

研究亮点

• 系统分析了新方法在不同辐射条件和探测器性能参数（如能量分辨率）下的有效性。
• 提出更高效的能量谱构建方法，特别在高通量伽玛射线探测中表现卓越。
• 方法无需修改探测器结构或材料，经济且操作性强，为改进现有探测器性能提供重要参考。

重要意见及期待

未来研究可进一步探讨如何优化能量组合算法减少无意义计数对探测系统实时处理的影响；同时，可验证方法在实际实验环境中能否达到相同的改进效果。这将为伽玛射线探测与成像技术的发展带来积极推动力。