基于CGSim模拟的炉膛空气对流对碲锌镉晶体生长温场影响研究

碲锌镉晶体生长周期长、生长体系复杂,采用垂直布里奇曼法或者垂直温度梯度法生长碲锌镉(CdZnTe)晶体材料时,晶体的生长过程往往无法直观观察,晶体内部的温场也缺乏相应的手段检测,这对改进晶体生长工艺带来了诸多不便。利用计算机仿真能够将晶体生长的过程重构或再现。本文利用数值模拟软件,在晶体生长炉模型顶部塞子和底部塞子中心开孔,通过调节孔径大小(20~40 mm),对炉膛内气体的对流行为进行了规律性的调控。开孔前,炉膛内气体流速极低(只有10^(-5) m/s),形成流动缓慢、形状稳定的对流胞;开孔后,炉膛内气体流速明显增加(0.25~0.90 m/s),流动状态变为层流。通过控制模型的孔径大小,可以有效改变炉膛内气体层流的流速,相同温度设定下,流速从0.25 m/s增加到0.90 m/s时,温度梯度将从0.5 K/mm增加到1.1 K/mm。在实际空炉上进行开孔测温实验,验证了模拟结果中温度梯度变大的结论。通过监控炉膛内温度随时间的变化,发现层流模式下提高流速,有利于减小炉内温度随时间的波动,提高温场稳定性。温场温度梯度的增加和稳定性的提升,将有利于高质量碲锌镉晶体的制备。

高温热处理对碲锌镉衬底中Zn组分的影响

随着高性能碲镉汞红外探测器对碲锌镉衬底质量要求的不断提高,研制高质量的碲锌镉衬底材料势在必行。本文采用真空高温热处理温场与源控制的衬底高温热处理工艺,系统地研究了主要热处理参数对碲锌镉衬底中Zn组分的影响,给出了Zn组分控制的热处理经验公式,初步获得了碲锌镉衬底中Zn组分的成分控制和高组分均匀性分布的方法,提高了碲锌镉衬底质量。

碲锌镉晶体生长温度梯度与界面形状稳定性关系的研究

碲锌镉晶体被广泛用作红外探测器碲镉汞薄膜的外延衬底和制造室温核辐射探测器。在晶体生长过程中,界面形状与热量传输状态密切相关。本文结合数值模拟技术控制碲锌镉晶体生长过程中温度场分布,设计了垂直布里奇曼法和垂直温度梯度凝固法微凸固液界面的晶体生长程序,并根据实际晶体生长实验,分析了晶体生长方法差异与碲锌镉晶体单晶率之间的关系。通过光致发光谱进行成分测试获得了碲锌镉晶体等径段纵截面中Zn值分布谱图,以研究固液界面温度场分布与晶体Zn值宏观偏析之间的关系。结果表明,在晶体生长过程中固液界面两侧温场梯度分布对界面的形状选择和稳定性有重要影响,更大的固相侧温度梯度有助于实现稳定的凸界面晶体生长,从而提高晶体成晶率。

碲锌镉晶片的X射线貌相研究

X射线貌相测试是一种针对样品晶体结构完整性的非破坏性检测手段。通过高分辨率数字式X射线形貌仪对碲锌镉 (111 )晶片表层进行貌相测试,通过缺陷形式及密度来评价碲锌镉晶体质量。经过大量数据分析统计出5种常见于碲锌镉晶体中的缺陷:划痕、空洞、小角晶界、孪晶和杂晶。结合具体工艺阐述和分析了5类缺陷的形成原因,并针对碲锌镉晶体生长和加工工艺提出了建设性意见。这有利于获取高质量衬底材料,进而提升外延碲镉汞膜的质量。

碲锌镉晶体的铟碲共掺杂退火研究

针对生长态碲锌镉晶体缺陷密度大和电学性能无法满足室温核辐射探测器的制备要求等问题,研究了铟碲共掺杂退火对碲锌镉晶体碲夹杂和电学性能的影响。利用分子动力学方法模拟了不同温度下铟原子在碲锌镉晶体中的扩散过程,获得了铟原子的扩散系数表达式,计算了铟原子扩散至碲锌镉晶体所需理论时长,在此基础上开展了铟碲共掺杂退火实验,进一步优化了退火工艺。实验结果表明,铟碲共掺杂退火70 h的碲锌镉晶体碲夹杂密度下降至27.61 mm^(-2),体电阻率接近1011Ω·cm、漏电流低于4 nA(400 V),电学性能达到核辐射探测器应用要求。

电流型碲锌镉探测器模拟信号调理方法研究

针对电流型碲锌镉(CdZnTe,CZT)探测器输出的快脉冲模拟信号后沿存在过冲、振铃等信号畸变问题,采用传输线理论,分析了阻抗匹配对CZT探测器输出电流型快脉冲信号的影响,仿真研究了电流型快脉冲信号的典型阻抗匹配方法。根据仿真结果,采用平面型CZT探测器样品,在西安120 MeV电子直线加速器上开展了实验研究,研究了不同阻抗匹配位置、不同匹配电阻阻值下CZT探测器输出的模拟信号,实测波形和仿真结果符合较好,验证了本文提出的模拟信号调理方法的可行性。提出的以阻抗匹配为核心的模拟信号调理方法,对电流型半导体探测器,及其他类似超快时间响应探测器中的脉冲信号畸变问题,具有一定的借鉴意义和参考价值。

碲锌镉心脏专用SPECT的特性及其临床应用进展

随着半导体探测器碲锌镉(Cadmium-Zinc-Telluride,CZT)心脏专用单光子发射计算机断层成像(Singlephoton EmissionComputed Tomography,SPECT),即CZT-SPECT的出现,核医学在仪器设备上的发展有了新的突破,以性质稳定的CZT半导体材料直接取代传统的NaI晶体和光电倍增管。CZT半导体组织密度大、原子序数高,因此对SPECT能量探测范围内的光子具有极高的捕获能力,且具有优异的光电性能,是目前γ射线探测器最为理想的半导体材料。技术上的优势有望为CZT-SPECT的临床应用带来更大的研究意义和更高的诊断效能,现对CZT-SPECT在心脏相关疾病方面的应用情况进行综述,以期为其临床应用提供一定的参考价值。

碲锌镉器件技术进展及其在SPECT中的应用

核医学成像设备中的探测器是整个设备的核心部件。基于闪烁体探测器的核医学成像设备存在光电转换效率低和能量分辨率差等关键问题,短期内难以有效解决。而近年来碲锌镉半导体探测器的发展使得核医学成像设备在能量分辨率和空间分辨率等方面取得了很大的提高。本文以单光子发射计算机断层成像(SPECT)技术为例,首先介绍了核医学成像原理及设备组成,然后从碲锌镉探测器的工作原理及基本结构出发,综述了碲锌镉探测器的新技术及其在临床核医学的应用,最后结合核医学领域应用的需求展望了碲锌镉探测器的研究重点和技术发展趋势。

碲锌镉衬底表面处理研究

主要从碲锌镉表面处理工艺及表面位错缺陷揭示两个方面对碲锌镉衬底的表面处理研究进行了详细介绍。从表面处理机理和工艺参数对衬底表面的影响两个方面介绍了机械研磨、机械抛光、化学机械抛光以及化学抛光4种表面处理工艺。同时,介绍了能揭示碲锌镉不同晶向表面的位错缺陷的Everson、Nakagawa及EAg三种化学腐蚀液。

基于碲锌镉探测器的高精度毫米级厚度测量技术研究

目前厚度测量精度不高或者测量方式复杂,为设计一套操作简单、高效、无损、适用范围广的高精度厚度测量装置,本研究利用^(241)Am放射源和碲锌镉(CZT)探测器,开发一套高精度厚度测量系统,同时提出采用测量条件补偿法实现样品无损、高精度在线测量。利用Geant4程序对厚度测量系统进行模拟设计,确定准直孔尺寸、源与探测器相对位置和屏蔽层厚度等关键参数。利用搭建的厚度测量系统测量纸张、圆台型样品、陶瓷和高速钢等样品。结果表明,该系统对厚度精度在百微米量级时,可以实现高效、实时在线厚度测量;当对测量精度要求提高时,通过延长测量时间、采用测量条件补偿法等,可实现高精度测量。对于1 mm厚的物质,测量精度可达1μm;该系统长时间工作稳定,24 h内相对标准偏差约为0.057%。

衰减校正对碲锌镉SPECT定量分析心肌血流量与心肌血流储备的影响

目的观察衰减校正(AC)对碲锌镉(CZT)SPECT定量分析心肌血流量(MBF)与心肌血流储备(MFR)的影响。方法回顾性分析79例接受CZT-SPECT心肌灌注显像的疑诊或确诊冠心病患者,分别将AC处理前、后图像纳入非AC组(n=79)与AC组(n=79),测算左心室(LV)、左前降支(LAD)、左回旋支(LCX)及右冠状动脉(RCA)的静息MBF(rMBF)、负荷MBF(sMBF)及MFR,并进行定量分析。结果AC组LV、LAD、LCX及RCA的rMBF与sMBF均低于非AC组(P均<0.001),而组间MFR差异均无统计学意义(P均>0.05)。非AC组LV、LAD、LCX及RCA的rMBF、sMBF及MFR均与AC组上述参数测值呈中度正相关(P均<0.001)。结论AC可致CZT-SPECT定量分析冠状动脉各主要分支MBF结果减低,但对MFR无明显影响。

移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究

碲锌镉(Cd_(1-x)Zn_(x)Te,简称CdZnTe或CZT)是一种在室温下工作的半导体核辐射探测材料,因其优越的光电特性近年来受到越来越多的关注,在医学成像、环境监测和空间探测领域的应用也愈发广泛。移动加热器法(THM)被认为是目前生长CZT单晶最有前景的方法之一。晶体生长过程中,合适的温场是获得优质晶体的前提条件。本文使用Fluent软件对电阻加热式THM生长CZT单晶生长系统展开热场研究,首先建立描述系统热输运的物理和数学模型,提出一种设立控温点的逆模拟方法解决了加热器功率并非既定值的模拟难点,设定功率分别为225.6、343.7、1045.9、92.5、199.6 W的5个加热器情况下的炉内温场计算值与实验测量值有了较好的吻合。进而研究加热器与炉膛管距离、散热区宽度等炉膛结构对坩埚内CZT原料区温度分布的影响。研究结果表明,Canthal炉管与加热器间距离由5 mm增大至10、15 mm后,最高温度减小3.7%、5.6%,散热区宽度由30 mm增大至50、80 mm后,熔区宽度分别减小32.7%、50.0%。

大尺寸非规则碲锌镉晶片双面抛光技术

碲锌镉(CdZnTe)晶体性能优越,是高性能碲镉汞(HgCdTe)外延薄膜的首选衬底材料。双面抛光是一种加工质量较高的碲锌镉晶片表面抛光方式,其具有效率高、平整度好、晶片应力堆积少的优点。但当碲锌镉晶片尺寸增大后,其加工难度也随之上升,易出现碎片多、加工速率慢、表面平整度差等问题。本文开展了大尺寸非规则碲锌镉晶片双面抛光技术研究,深入分析了面积大于50 cm^(2)的非规则碲锌镉晶片双面抛光工艺中,不同参数对抛光质量的影响,通过模拟并优化晶片运动轨迹,优化抛光液磨粒粒型、抛光压力、抛光液流量等抛光工艺参数,实现了具有较高抛光速率和较好表面质量的大尺寸非规则碲锌镉晶片双面抛光加工,对进一步深入研究双面抛光技术有着重要意义。

碲锌镉衬底的化学机械抛光液研究

作为碲锌镉衬底表面加工的重要工序,化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)的加工效果决定了碲锌镉衬底的表面质量和生产效率。抛光液是CMP的关键影响因素之一,直接影响衬底抛光后的表面质量。对碲锌镉衬底CMP工艺使用的抛光液进行了研究,探究了以二氧化硅溶胶和过氧化氢为主体的抛光液体系在不同pH值、不同磨料浓度下对衬底抛光表面质量和去除速率的影响。结果表明,使用改进后的抛光液体系对碲锌镉衬底进行CMP,能够在获得超光滑表面的同时实现高效率加工,为批量化制备高表面质量的碲锌镉衬底奠定了良好基础。

碲锌镉晶体VGF法生长温场的梯度区高度设计研究

本文对不同梯度区高度的VGF法温场生长碲锌镉(CdZnTe)晶体过程进行了稳态和非稳态仿真模拟分析。研究发现,晶体生长等径初期界面凸度随着梯度区高度的增加而减小;等径末期界面凸度受梯度区高度的影响不大;界面的凸度与固液界面温度梯度变化率正相关。非稳态模拟结果显示,现有变温条件下,晶体生长过程中固液界面凸度存在先增大后减小的趋势,趋势转变点接近梯度区高度中点;界面形状的变化趋势受固液界面上生长速度分布直接影响;对比而言,10 cm高的梯度区更容易实现前中期固液界面凸界面的获得,利于形成高单晶率CdZnTe晶体。

碲锌镉探测器的数字核信号处理系统设计

设计了完整的碲锌镉(Cd Zn Te,CZT)探测器数字核信号处理系统,包含了低功耗偏压电源、低噪声电荷灵敏放大器、数字梯形多道脉冲幅度分析器及数字上升时间甄别器。在考虑探测器与后端数字多道优化匹配前提下设计了低噪声电荷灵敏放大器;数字多道脉冲幅度分析器(Digital Multi-Channel Pulse Height Analyzer,DMCA)通过高速模数转换器将模拟核信号离散化后,在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)中实现数字核脉冲信号处理;FPGA芯片中以快慢双通道梯形成形器为核心,针对碲锌镉探测器空穴收集不完全的问题,设计了数字上升时间甄别模块,有效消除了空穴拖尾效应,显著提升碲锌镉探测器的能量分辨率。从实验结果可知,针对西北工业大学提供的4 mm×4 mm×2 mm的准半球结构碲锌镉探测器对241Am的分辨率最佳可达3.6%,对137Cs的分辨率可达0.96%。

碲锌镉晶体高效低损伤CMP工艺研究

本文采用新型的自行研制的化学机械抛光液,对碲锌镉晶体进行了化学机械抛光方法的尝试性试验,并分析了在化学机械抛光(CMP)过程中抛光垫的硬度、磨料的种类、氧化剂、抛光液的pH值对表面质量和材料去除率的影响,提出适合软脆功能晶体碲锌镉的高效低损伤抛光工艺。结果表明,采用自行研制的带有硝酸的化学机械抛光液,在pH优化值为2.5时,15min即可获得Ra为0.67nm的超光滑无损伤表面,大大提高了加工效率和精度。

碲锌镉晶片机械研磨和机械抛光工艺研究

研究了碲锌镉(CZT)晶片表面的机械研磨和机械抛光工艺。采用不同粒度的Al2O3磨料对CZT晶体表面进行机械研磨和机械抛光,并研究了工艺参数变化对CZT晶体表面质量、粗糙度、研磨速度和抛光速度的影响。结果表明,机械研磨采用粒度2.5μm的Al2O3磨料,最佳的研磨压力和研磨盘转速分别为120g/cm2和75r/min,研磨速度为1μm/min;机械抛光采用粒度0.5μm的Al2O3抛光液,最佳的抛光液浓度为6.5%(质量分数),抛光速度为0.28μm/min。AFM测试得到机械研磨后晶片表面粗糙度Ra值为13.83nm,机械抛光4h后,Ra降低到4.22nm。

射线探测用碲锌镉晶体及其器件研究

采用改进的布里奇曼(B ridgm an)方法进行锌组分为0.15碲锌镉(Cd0.85Zn0.15Te)晶体的生长。通过严格控制晶体生长过程中Cd的蒸气分压,使得所生长的碲锌镉晶体在结晶质量方面达到了较好的水平。对其性能进行测试,红外透射比T>60%、沉积相密度<1×104/cm2、位错腐蚀坑密度DEPD<6×104/cm2、X射线衍射双晶回摆曲线半峰全宽FWHM<20 arcsec、电阻率ρ>1010Ω.cm。利用所生长的晶体初步制作了平面型单元碲锌镉射线探测器,所用晶体的尺寸为5 mm×5 mm×2.5 mm,制成的探测器在室温下对125I和241Am放射源进行了探测测量。对125I放射源,探测出了强度为74.5%的27.5 keV的γ射线特征峰,不能仔细分辨出强度为39.8%的27.2 keV的γ射线特征结构;对241Am放射源,探测出了59.5 keV的γ射线特征峰,分辨率优于6 keV,半峰全宽FWHM<10%,同时还能检测出Te、Cd的X射线逃逸的混合峰以及241Am低能Te-K系、Np-L系的两个X射线特征峰。

碲锌镉单晶体的(110)面蚀坑形貌观察

本文报道了一种能够在室温下择优腐蚀碲锌镉(CZT)单晶体(110)晶面的腐蚀液配方,并对富Cd生长的CZT晶体蚀坑形貌进行了扫描电镜观察。结果表明晶体(110)面腐蚀坑形状为三角形,并初步对蚀坑的成因进行了分析,估算出CZT(110)面蚀坑密度约为103～105/cm2数量级。这说明富Cd原料的改进布里奇曼法可以生长出低蚀坑密度的CZT单晶体。