CdZnTe半导体在宽能谱辐射检测中的多用途性能研究及其医学应用潜力

针对传统半导体(Si/Ge)在高能辐射环境中的局限性，研究人员通过垂直布里奇曼法(Vertical Bridgman)生长CdZnTe(CZT)晶体，开发出具有高电阻率(1.9×1010 Ω·cm)、优异能量分辨率(4.3%@137 Cs)的辐射探测器。实验证实其对CT X射线、6-MV光子/6-MeV电子束的线性响应特性，为核医学诊疗一体化(theranostics)提供了新型多功能检测方案。

　　

在医疗影像和放射治疗领域，传统硅(Si)和锗(Ge)半导体探测器正面临根本性挑战——它们的低原子序数导致高能光子穿透损失，窄带隙(1.1 eV for Si)引发热噪声，而强制冷却需求又限制了设备便携性。这些问题在诊疗一体化(theranostics)场景中尤为突出，因为需要同时检测诊断级keV级X射线和治疗级MeV级射线。更棘手的是，现有系统往往采用分立探测器，不仅增加校准误差风险，还难以满足现代CT/SPECT设备对实时性、微型化的需求。

韩国全南大学医院生物医学研究所的Chansun Park团队在《Radiation Measurements》发表的研究，给出了突破性解决方案。他们通过改良垂直布里奇曼法生长出1英寸Cd_0.9
Zn_0.1
Te_1±δ
单晶，其宽禁带(1.57 eV)特性无需冷却即可实现1.9×10¹⁰
Ω·cm超高电阻率，电子迁移率-寿命积达10^?3
cm²
·V^?1
·s，显著降低了信号噪声。当用¹³⁷
Cs源测试时，能量分辨率达4.3%，远超传统闪烁体探测器。更令人振奋的是，该探测器在6-MV光子照射下呈现完美线性剂量响应，解决了放疗剂量监测中的非线性漂移难题。

关键技术包括：垂直布里格曼法晶体生长（1 mm/h速率）、Te富集条件优化、In掺杂控制载流子浓度、6×6×8 mm³
样品电极制备，以及使用¹³⁷
Cs、CT X射线、6-MeV电子束等多能辐射源的系统测试。

晶体生长与电学特性
通过精确控制CdTe/ZnTe/CdSe/InTe原料配比，获得的CZT晶体密度达5.85 g·cm^?3
，接近理论极限。霍尔效应测试显示空穴迁移率-寿命积为10^?5
cm²
·V^?1
·s，虽低于电子迁移率，但通过脉冲高度分析法证明仍能满足γ光子探测需求。

γ射线性能测试
使用¹³⁷
Cs(662 keV)源时，CZT探测器在室温下实现4.3%能量分辨率，优于商用NaI(Tl)闪烁体。特征X射线逃逸峰与康普顿边缘的清晰区分，验证了其精确能谱解析能力。

医疗级辐射响应
在CT X射线(80-140 kVp)照射下，探测器电流密度与电压呈线性关系，符合欧姆定律，表明其适用于低剂量诊断。6-MV光子束测试中，相对强度与剂量率相关系数R²

0.99，为放疗剂量验证提供新工具。

结论与展望
该研究证实CZT探测器可覆盖keV-MeV宽能谱检测，其线性响应特性将诊断CT与治疗加速器的剂量校准误差降低至少30%。未来通过像素化阵列设计，有望实现SPECT/MRI多模态融合成像。作者特别指出，该材料在无人机载辐射监测和空间探测中具有独特优势——5.85 g·cm^?3
的密度相当于3英寸硅的阻挡能力，而重量仅为其1/5。这项突破使"一个探测器覆盖从诊断到治疗全流程"的构想成为可能，为精准医疗时代提供了关键硬件支撑。