가상 Frisch-그리드를 이용한 CdZnTe 감마선 소자 제작

Fabrication of Virtual Frisch-Grid CdZnTe γ-Ray Detector

Traveling heater method(THM) 방법을 이용하여 성장시킨 CdZnTe(CZT) 단결정 방사선 소자에 대한 고 에너지(high energy) 감마선 에너지 분해능(energy resolution)을 평가하고자 6×6×12 mm 크기의 CZT 소자를 제작하였다. 두꺼운 방사선 소자의 경우, 전자에 비해 상대적으로 이동속도가 느린 정공(hole)으로 인해 발생하는 hole-tailing 효과가 심화되어 고에너지 영역의 에너지 분해능이 저하되는 현상이 발생한다. 전자 (electron)와 정공(hole)의 두 개의 전하 운반자(charge carrier) 중에서 하나의 전하 운반자를 선택적으로 수집하여 에너지 분해능을 높이는 것이 가능하다. 가상 Frisch-그리드(virtual Frisch-grid) 소자는 소자 내부의 가중 퍼텐셜(weighting potential)을 조절하여 전자에 의한 유도전류(induced current)만을 선택적으로 이용하는 방법으로써 제작 과정과 적용이 용이하다. 본 연구에서는 THM 방법으로 성장한 큰 부피의 CZT 방사선 소자의 특성과 가상 Frisch-그리드의 효용성을 평가하였다. 가상 Frisch-그리드의 적절한 위치와 너비는 Maxwell ver.14(ANSYS, 미국)를 이용하여 모의실험으로 정하였다. 137 Cs 동위원소를 이용한 펄스 높이 스펙 트럼(pulse height spectrum) 측정에서 가상 Frisch-그리드를 적용했을 때 662 keV 피크에 대해 2.2%의 에너지 분해능을 확인할 수 있었다.

Large volume of 6×6×12 mm CdZnTe γ-ray detector was fabricated with CdZnTe single crystals grown by Traveling Heater Method (THM) to evaluate the energy resolution of 662 keV in 137 Cs. Hole tailing ef-fect which originated from the large mobility difference in electron and hole degrade energy resolution of radiation detector and its effects become more severe for a large volume detectors. Generally, single car-rier collection technique is very useful method to remove/minimize hole tailing effect and thereby im-provement in energy resolution. Virtual Frisch-grid technique is also one of single charge collection meth-od through weighting potential engineering and it is very simple and easily applicable one. In this paper, we characterized CZT detector grown by THM and evaluated the effectiveness of virtual Frisch-grid techni-que for a high energy gamma-ray detector. The proper position and width of virtual Frisch-grid was de-termined from electric field simulation using ANSYS Maxwell ver. 14.0. Energy resolution of 2.2% was achieved for the 662 keV γ-peak of 137 Cs with virtual Frisch-grid CdZnTe detector.