碲化镉(CdTe)传感器阵列的α粒子检测数值建模与电路仿真：面向实时辐射监测的高效解决方案

这篇研究通过有限元建模和LTspice电路仿真，系统分析了碲化镉(CdTe)半导体传感器对α粒子（以241Am为放射源）的检测性能。研究揭示了CdTe材料高原子序数(Z=48/52)和宽禁带(1.5eV)特性带来的85%电荷收集效率，其瞬态响应(200ns)和信噪比(SNR)优势为便携式辐射监测设备开发提供了新思路。

　　

Highlight

本研究通过创新性地结合半导体物理与电路仿真技术，揭示了碲化镉(CdTe)作为α粒子"捕手"的卓越性能。就像给放射性粒子装上纳米级雷达，300μm厚的CdTe传感器能以85%的效率捕获²⁴¹Am释放的5.486MeVα粒子，电子迁移率优势使其响应速度堪比"闪电侠"(200ns内完成信号采集)。

Methods

科研团队设计了一套"从材料到系统"的完整分析方案：

1. 1.

   构建300μm厚的CdTe平面探测器模型，模拟α粒子（主要来自氡-222衰变链的钋-218）相互作用

2. 2.

   通过有限元分析计算载流子漂移速度与电场分布

3. 3.

   将物理模型转化为等效电路，在LTspice中重现信号放大与噪声抑制过程

Results

仿真数据展现出令人振奋的"双高"特性：

• •

  电荷收集效率高达85%，远超传统硅基探测器

• •

  瞬态电流呈现<200ns的锐利上升沿，完美匹配实时监测需求

  有趣的是，电子迁移率（约1000cm2/V·s）成为信号幅度的主要贡献者，就像赛车场上遥遥领先的F1选手。

Discussion

CdTe的宽禁带(1.5eV)特性使其摆脱了"低温囚笼"——无需液氮冷却即可工作，这为野外监测设备瘦身提供了可能。与文献[46-48]对比显示，我们的模型准确预测了α粒子"撞入"CdTe晶格时产生的特征信号，这种"理论-实验"的高度吻合为后续探测器优化提供了黄金标准。

Conclusions

这项研究不仅证实CdTe是α粒子检测的"明日之星"，更开创了辐射探测器"数字孪生"开发新模式。通过将核物理过程"翻译"成电路语言，我们为下一代智能辐射监测设备打造了虚拟试验场。未来可拓展至γ射线探测等领域，就像为不同放射性粒子定制专属"翻译官"。