打破国外公司技术垄断 成功实现CZT半导体探测器商品化——国家重大科学仪器设备开发专项项目“新型CZT半导体X射线和γ射线探测器研制”成果

2017-11-09

对各种辐射的探测和检测技术决定着相关工业技术领域的整体水平。高能射线探测材料碲锌镉（CdZnTe，CZT）因其性能优异而成为航天探测、核安全、核科学研究、反恐、医疗及安检设备研制等领域的新型探测材料，开展CZT晶体材料与器件研制对于发展医疗设备、工业及安检设备等先进科学技术，保障国家重大专项计划的实施至关重要。

由西北工业大学主持的国家重大科学仪器设备开发专项项目“新型CZT半导体X射线和γ射线探测器研制”突破了大尺寸探测器级CZT晶体的设计、合成、生长，晶体加工、电极制备与封装，不同应用背景探测器结构设计和评测，单元及像素探测器专用ASIC芯片设计等10余项关键技术，开发出高单晶率、低缺陷密度的大尺寸探测器级CZT晶体材料生长与加工技术，建立并完善了单元型、线阵及像素阵列CZT探测器的制备工艺，形成了质量可靠的系列化CZT探测器产品。项目基于所研制的各种CZT探测器，开发出新型安检设备样机、医用静态能量分辨CT扫描仪样机、便携式伽马谱仪、强脉冲辐射探测仪器、用于X射线时变与偏振探测卫星的高分辨X射线能谱仪以及用于地下矿产资源检测的放射性勘探仪器。项目技术成果已实现工业化生产，组建了探测器级CZT晶体生产企业——陕西迪泰克新材料有限公司，批量生产的探测器级CZT单晶已被西北核技术研究所、中国科学院高能物理研究所、同方威视技术股份有限公司等19家单位采用，应用涉及核科学技术、空间天文观测、安检和医学成像等领域。

该项目主要完成单位有西北工业大学材料学院、计算机学院、清华大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院高能物理研究所、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所、西北核技术研究所、同方威视以及核工业203所等9家单位。项目负责人为西北工业大学材料学院介万奇教授。

一、CZT晶体材料

基于常压布里奇曼法，发明了成分补偿与掺杂、对流控制和可控气氛退火等10项技术，开发出探测器级CZT晶体及高效率、低成本单晶制备技术和关键设备。所生长的CZT晶体经英国卢瑟福国家实验室、中核北京核仪器厂等多家国内外权威机构测定，晶体性能优异。所制备的探测器对241Am的能谱分辨率优于5%，对137Cs的分辨率优于2%。晶体成品率比高压布里奇曼法提高了3～5倍，生产效率比THM法提高3倍以上，综合成本降低50%以上。

二、专用芯片

完成了单路前端读出集成电路芯片、高分辨率ADC芯片和多路前端读出集成电路芯片等3个系列芯片的研发，最终测得结果符合预期指标，部分结果超越预期指标，其中单路和多路读出芯片的测试指标与国际上先进的读出芯片（RENA3、VA64TA2等）指标持平，在完成辐射试验和量产测试后，功能上可以取代国外芯片。开发的CZT探测器物理信号仿真程序，可以快速评估新型探测器结构的大致性能，为探测器的物理设计等提供指导。研制了用于CZT探测器、单路CZT探测器读出ASIC以及多路CZT像素探测读出ASIC的测试装置，完成了探测器以及读出ASIC芯片的性能评估，为探测器和ASIC芯片的设计和优化提供了反馈，同时也为最终探测器的定型打下了基础。

三、器件设计与器件技术

CZT半导体的辐射探测器设计在我国没有先例，同时，CZT半导体的性能和应用背景特殊，传统的半导体工艺不适用于CZT探测器。该项目根据不同应用背景条件下材料与器件的作用原理以及器件输运特性，设计了器件结构。解决了多种不同规格面阵探测器与电路之间的互联封装任务。形成了一整套从电极制作、电路板设计、凸点制备、倒装对准、下填充以及验证性测试的工艺方法。电学、力学及老化特性的相关测试结果表明，探测器的稳定性、可靠性达到了商用要求。以上研究工作使我国独立掌握了CZT探测器的设计、制备、封装等工艺。

四、基于CZT探测器的安检设备

形成了基于CZT的安检设备的理论计算和探测器模块电子学系统的设计方案，完成了安检系统的设计和集成，确定了探测器模块的尺寸和排列方式、被检货物通道、X光机位置、光路及前后准直器等。

五、医用静态能量分辨CT扫描仪

针对现有临床CT辐射剂量高、成像系统复杂以及关键部件依赖进口等问题，利用国内已有优势资源研发出基于CZT探测器的具有能量分辨功能的医用CT系统。

六、便携式CZT伽马谱仪

研制了便携式CZT伽马谱仪，自主设计了电荷灵敏前置放大器、主放大器和64k定时多道系统，实现了远程控制和数据传输，带动了国内伽马谱仪系统的技术进步。由于实现了高性能谱仪级CZT材料的国产化、批量化以及谱仪研制关键技术的突破，显著拉低了国外同类产品的售价，使得国外公司生产的单台便携式CZT伽马谱仪的报价由每台人民币15.5万元降低至10万元以下。

七、强脉冲辐射探测器样机

基于CZT的强脉冲辐射探测器对某项国家重大工程的核心工作提供了关键部件支撑，带动了我国脉冲伽马辐射探测技术的进步。项目建立了CZT强脉冲辐射探测器研制和性能评估的技术方法，实现了特殊环境下的工程化应用。

八、空间研究用CZT探测器

项目研发的空间科学实验用CZT探测器满足了我国背景型号XTP（X射线时变与偏振）天文观测卫星对核心探测器元件的需求。提供的探测器元件已经通过XTP卫星关键技术攻关计划的验收，为该卫星计划的实施攻克了一项核心技术。

九、新型测井仪

研制了适应于核工业地矿测井和石油测井行业的新型放射性矿物地质勘探仪器，具有技术先进、体积小（外径43毫米）、组合功能强等特点。

该项目开发研制的CZT半导体探测器打破了国外公司技术和产品的垄断，实现了商品化。同时，项目牵头及合作单位培养了一支较高水平的CZT半导体探测器研制队伍。项目成果有望带动相关产业的技术进步，有利于提升国产核与辐射仪器的核心竞争力，提高国产仪器市场占有率，对促进CZT半导体探测器技术提升及开发相关领域的科学仪器具有重要意义。