当今世界,核辐射的应用和探测正在逐渐引起人们的重视。X射线和伽玛射线探测技术作为空间科学、原子核科学和生物医学等科学领域的关键技术手段,在核能利用、医学成像、安全检测、环境监测和天文探测等方面都有重要的应用。特别是近年来,随着我国“神光-III”原型的建成及惯性约束核聚变ICF研究的发展、太阳探测和宇宙背景辐射探测的开展、大型航空航天器的无损探伤和先进核医学成像需求的增加,高分辨率的伽玛射线探测器的研究已经成为核辐射探测领域的研究热点。CdZnTe材料具有平均原子序数高、电阻率高(≥1010?·cm)、禁带宽度大(1.57eV)、不存在极化现象等特点,这些优异的材料特性使得CdZnTe核辐射探测器相对于传统的闪烁体探测器具有更好的能量分辨率和成像能力;同时CdZnTe材料的出现也填补了硅(Si)对高能射线探测效率低和高纯锗(HPGe)不能在室温下工作等不足,使得CdZnTe探测器成为最具潜力的室温半导体核辐射探测器。然而CdZnTe材料的载流子传输特性较差(特别是空穴),导致了探测器电荷收集效率的降低和能谱特性的变差。研究者们也在不断地从晶体生长、脉冲信号处理和探测器设计等方面做出努力来克服这一问题。目前关于CdZnTe探测器的研究,国外多集中在集成读出电路的开发、信号处理和脉冲幅度修正技术等方面;国内的研究起步较晚,与国外有一定差距,研究主要侧重在大体积、高品质的晶体生长方面。而对于如何通过CdZnTe探测器的结构设计或是采用外部激励方式来提高电荷收集效率,改进探测器的能谱特性等方面的研究较少。为了进一步提高CdZnTe探测器的能谱特性,面向“神光-III”等国家大科学装置、核医学、天体物理等领域对X和伽玛射线的诊断需求,在国家自然科学基金(NSAF.10876044,NO.62174048)的资助下,开展了“单极性CdZnTe核辐射探测器”这一课题的研究。本研究从单极性CdZnTe探测器的基本原理出发,采用权重势、电场和电荷收集效率模拟仿真和能谱探测实验相结合的研究方式,以改进CdZnTe探测器的能谱性能为主旨,主要研究内容如下:(1)根据核辐射探测器中的电荷感生和收集理论,分析了传统平板CdZnTe探测器中由差的空穴传输特性引起的问题。详细讨论了各种单载流子收集技术及单极性CdZnTe探测器的结构及原理。使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对Frisch栅探测器、半球形探测器、共面栅探测器和像素探测器等单极性探测器进行了模拟仿真,求解了探测器内部的权重势和电场分布,基于Shockley-Ramo理论探讨了各种单极性CdZnTe探测器结构的优化,为单极性CdZnTe探测器的设计和制作提供了一定的依据。(2)通过权重势和权重场的有限元仿真,分析了电容式Frisch栅CdZnTe探测器各结构参数、材料参数以及外加电压等因素对探测器电荷收集效率的影响。在仿真优化的基础上,制备了5×5×10 mm3的电容式Frisch栅探测器,通过能谱测定实验,验证了增加屏蔽环高度对电容式Frisch栅探测器单极性的改进过程。在屏蔽环高度为10 mm时得到了对662 keV的137Cs放射源的最佳能量分辨率FWHM2.8%和峰谷比15.3。(3)采用940 nm的红外光激励实验,研究了红外光照射如何改进电容式Frisch栅探测器的载流子传输特性,进而提高探测器的能谱特性。通过适当选择红外LED的光强,红外激励后实现了探测器能量分辨率FWHM从3.3%到2.3%(662 keV)的提高,峰谷比也从14.0提高到了21.0。同时在较低的工作电压和较弱的单极性条件下,通过红外激励也可以实现相对较好的能量分辨率。该方式既不需要脉冲整形修正,同时也不损失探测效率,为CdZnTe探测器电荷收集效率的提高和能谱特性的改善提供了外在方法。(4)使用同一块CdZnTe晶体设计并制作了像素大小不等的4×4公共格栅像素CdZnTe探测器。这种设计排除了材料差异带来的影响,可以在相同的CdZnTe晶体上研究不同的阵列结构。通过能谱测定实验结合具体的权重势和电场仿真,综合研究了公共格栅像素CdZnTe探测器中的小像素效应、公共格栅的引导效应以及边缘效应。在像素宽度为0.8 mm,格栅偏压为-60 V时,得到了对662 keV的137Cs放射源的最佳能量分辨率3.80%和峰谷比5.65。探测器结构的优化设计及边缘效应的讨论为大阵列高分辨率像素CdZnTe探测器的设计和制作提供了理论和实验依据。