컴프턴 카메라의 흡수부로서 위치 민감형 CdZnTe 검출기의 성능

국문 초록 (Abstract)

감마선원의 3차원 분포를 영상화하는 컴프턴 카메라의 흡수부로 사용할 위치 민감형 반도체 검출기인 16개 픽셀형 CdZnTe (CZT) 검출기의 특성 연구를 수행하였다. CZT 검출기는 양공(hole)의 트래핑으로 인해 발생하는 에너지 분해능의 저하 문제를 가지고 있는데, 이는 검출기 내부에서 감마선의 반응 깊이 결정 방법을 통해서 해결할 수 있다.
16개 픽셀형 CZT 검출기는 두께가 5 mm이고 면적이 5.9 mm x 5.9 mm 인 평판형 결정에 16개의 픽셀로 나눠진 어노드 전극과 한 개의 캐소드 전극을 입힌 전극 소자로 구성되어 있다. 검출기의 에너지 분해능을 향상시키기 위해 한 종류의 전극에서 발생하는 신호의 오름 시간을 이용하여 감마선의 반응 위치를 결정할 수 있는 방법이 제안되었다.
전극에서 발생하는 신호 파형을 계산하기 위해서 weighting potential을 이용하였고 검출기 내부에서 전하 운반자의 이동 특성들이 측정되었다. 전자(electron)의 운반 특성을 측정하기 위해서 검출기의 캐소드에 241Am 로부터 발생하는 알파 입자를, 양공(hole)의 운반 특성을 측정하기 위해서 133Ba을 사용하였다. 그리고 신호 파형 계산과 전하 운반자들의 이동 특성 측정의 정확성을 판단하기 위해서 MINUIT code를 이용한 피팅을 수행하였다.
신호 파형의 T5-50% 오름 시간을 이용한 반응 깊이 결정 방법이 16개 픽셀형 CZT 검출기에 적용되었다. 양공에 의한 에너지 손실을 보정하기 위해서 보정 함수를 만들었고, 에너지 분해능은 향상되었다. 또한, 반응 깊이 결정 함수에 의해서 검출기 내부에서 감마선의 반응 깊이가 결정되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The performances of a 16-pixellated CdZnTe (CZT) detector have been investigated as an absorber of Compton camera. Since CZT detectors suffer from poor energy resolution caused by the hole trapping, the depth sensing technique is proposed through the comparison between experiments and calculations.
The 16-pixellated CdZnTe detector is a planar type detector with dimensions of 5.8 mm x 5.9 mm x 5mm. Since the anode is pixellated with 16 segments, each pixel size of 1mm x 1mm, acts as an individual gamma-ray detector. For improving energy resolution in the pixellated detector, the pulse rise time method by using signals from one electrode was proposed to determine the interaction depth.
To calculate actual signal currents from electrodes, the weighting potential method was applied for the 16-pixellated CZT detector. And the transport properties of charge carriers were measured in the detector. To obtain electron transport properties, the cathode of the detector was irradiated with 5.5-MeV alpha particles from a 241Am source. The cathode of the detector was irradiated with 81-keV gamma rays from a 133Ba source for hole transport properties and induced pulse shapes on the anode were measured. The mobility-lifetime product of electrons, , could be obtained to be (9.88 ± 2.33) × 10-3 cm2/V and is (8.28 ± 0.17) × 10-4 cm2/V in the CZT detector. The drift mobility of electrons is determined by using a time-of-flight (TOF) method as 906.4 cm2/ V∙s.
To check the accuracy of pulse shapes calculation and the time properties of charge carriers that we obtained, we performed fitting process by comparing measured pulse shapes with calculated shapes using MINUIT code. From the fitting process, the lifetime of electrons in CZT material can be estimated as 9 μs. For holes, the mobility of holes is 100 cm2/ V∙s and the lifetime is 0.5 μs.
The technique of interaction depth sensing using the T5-50% rise-time correlation of pulse shapes is applied to the 16-pixellated CZT detector. To compensate the energy loss with rise time, the correction function using the exponential function is made. Energy resolution for photopeak is improved by the correction caused by the hole trapping. Also, the interaction depth in the CZT detector is extracted by the function.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Principles of Compton camera system 1
• 1.2 Importance of room temperature semiconductor detector 7
• 1.3 Overview of this dissertation 11
• 2. Signal generation due to charge motion 12
• 2.1 The Shockley - Ramo theorem 13
• 2.2 16-pixellated CdZnTe detector 16
• 2.3 Transport of charge carriers 17
• 2.3.1 Electron charge transport properties 19
• 2.3.2 Hole charge transport properties 20
• 2.3.3 Experimental setup 22
• 2.3.4 Results and discussion 24
• 3. Improvement of energy resolution using rise-time method 31
• 3.1 Pulse shape analysis 31
• 3.2 Pulse shape fitting using MINUIT 34
• 3.3 Rise-time correlation 37
• 4. Conclusion and future works 46
• 4.1 Conclusion 46
• 4.2 Future works 48
• Bibliography 49
• Publication list 53
• 국문초록 54
• Abstract 56