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半导体探测器原理和性能以及碲锌镉探测器原理

2.1基本半导体探测器原理

2.1.1基本半导体探测器原理

如图2.1.1-1所示，半导体探测器有两个电极，并且在两个电极上加有偏压。

当入射粒子进入半导体探测器的灵敏区时，粒子与晶体发生相互作用产生电子-

空穴对。在外电压的的驱动下，电子-空穴对分别向两级做漂移运动，从而在收集

[5]

电极上产生感应电荷。产生的感应电荷将在外电路上产生脉冲信号。

图2.1.1-1半导体探测器的工作原理图

2.1.2基本半导体探测器性能

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半导体探测器的主要优点：（1）具有很高的能量分辨率。电离辐射在半导

体介质中产生一对电子-空穴对平均所需能量大约为在气体中产生一对离子所需

要能量的十分之一，即：同样能量的带电粒子在半导体中产生的离子对数要比在

空气中产生的大约多一个数量级，因此电荷数的相对统计涨落也就小很多，所以

半导体探测器的能量分辨率很高。（2）具有极高的空间分辨率和快时间响应特性。

由于半导体晶体密度远大于空气的密度，所以粒子在半导体中产生的电离密度大

约是在一个大气压的气体中产生的1000倍，因此当测量具有较高能量的电子或γ

射线时气体探测器的尺寸要比半导体探测器的尺寸大很多，因而半导体探测器具

有高空间分辨率和快时间响应的特性。（3）测量电离辐射的能量时，线性范围很

宽。

半导体探测器的主要缺点：（1）半导体材料在受到强辐照后性能就会变差。

因此半导体探测器对辐射损伤较灵敏。（2）有些半导体探测器对工作环境的条件

要求比较苛刻，需要在低温条件下工作，甚至需要在低温下保存，使用很不方便。

2.2伽马射线与半导体探测器的相互作用

2.2.1光电效应

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光电效应是具有一定波长的伽马光子将自身的能量全部转移给靶物质中

原子的束缚电子，导致束缚电子发射出去变为自由电子，而伽马光子自身消失的

过程，如图2.2.1-1所示。而发射出去的电子称为光电子。伽马光子被吸收的能

量并不是全部转化为了光电子的动能，其中有一部分能量转化为了电子脱离原子

束缚所需要的电离能。发生光电效应的概率与靶物质的原子序数以及束缚电子所

在的壳层有关。实验表明光电子的方向时随机的。

图2.2.1-1光电效应过程示意图

2.2.2康普顿效应

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康普顿效应又称康普顿散射，它是由于伽马光子与靶物质原子的核外电子

发生了非弹性碰撞，伽马光子将自身的能量一部分转移给了靶原子的核外电子，

使电子反冲出靶物质，该电子称为反冲电子，而光子的能量和运动方向都发生了

一定的改变，该光子称为散射光子，原来的伽马光子称为入射光子。见图2.2.2-

1为康普顿效应示意图。康普顿效应与光电效应很类似但却完全不同。光子发生

康普顿效应时只是损失了一部分能量，而发生光电效应时光子的能量全部转移给

了束缚电子，自身消失。发生光电效应产生的光电子的运动方向时随机的，而康

普顿散射具有一定的角分布。

图2.2.2-1康普顿效应过程示意图

2.2.3电子对效应

电子对效应是伽马光子的能量超过1.02MeV时，入射的伽马光子将在靶物

质中原子核的库仑场作用下转变为具有一定动能的正-负电子对。见图2.2.3-1

图2.2.3-1电子对效应过程示意图

实验表明上述三种效应对于靶物质的原子序数和入射的伽马光子的能量具

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有一定的依赖关系见图2.2-1。不同的情况下发生三种效应的概率时不同的，

具体情况如下：

1、对于能量比较低的伽马射线和靶物质的原子序数比较高的情况来说，光

电效应相对有明显优势。

2、对于能量适中的伽马射线和靶物质的原子序数较低的情况来说，康普顿

效应占相对优势。

3、对于能量比较高的伽马射线和靶物质的原子序数也较高的情况，电子对

效应占有绝对优势。

图2.2-1射线与物质相互作用的主要三种方