英国Kromek伽马探测器光谱仪GR1/GR1+—CZT半导体能谱分析解决方案

英国Kromek伽马探测器光谱仪GR1/GR1+—CZT半导体能谱分析解决方案

一、原厂背景：Kromek Group plc

Kromek Group plc成立于2003年，是英国杜伦大学的衍生企业，在伦敦AIM市场上市。公司专注于基于碲锌镉（CZT）半导体材料的辐射探测解决方案，业务覆盖医疗成像、安全筛查和核探测三大领域。

制造资质与产能

Kromek在英国和美国均设有制造基地，两个生产基地均通过ISO 9001:2015质量管理体系认证，每年接受ISO审核周期审查。公司在全球拥有5个运营站点（英国、美国、德国），员工约100人。

技术地位

Kromek是全球较早实现CZT晶体商业化规模化生产的企业之一，采用多管物理气相传输（MTPVT）方法制造CZT晶体，区别于传统高压布里奇曼法和移动加热器法。该方法的优势在于晶体均匀性和生产一致性更高。公司还与西门子（Siemens Healthineers）签署了多年期协议，为其CZT基SPECT探测器生产提供技术授权，该协议涉及Kromek将15台CZT生产炉转让给西门子。

二、产品类型

Kromek辐射探测产品按应用场景分为以下主要系列：

GR Family：小型CZT基伽马探测器光谱仪，用于实验室分析和OEM集成

D3M / D3S PRD：个人辐射剂量计，可穿戴伽马/中子探测器

D3S ID：可穿戴放射性同位素识别装置

D5 RIID：手持式放射性同位素识别仪

RayMon：手持式伽马能谱仪，支持CZT、NaI和Alpha Beta可互换探头

AARM：区域辐射监测系统

Static Node D / Static Node R：固定式辐射监测节点

Quant GR1：屏蔽容器内置CZT探测器的样品分析系统

Sigma 25/50：碘化铯闪烁体伽马辐射探测器

TN15：热中子探测器，采用硅光电倍增管技术

三、主要型号

Kromek GR Family涵盖以下真实型号：

GR1 — CZT基伽马能谱仪，1 cm³ CZT晶体，USB输出

GR1+ — 高分辨率版本，<2.0% FWHM @ 662 keV

GR1-A — 带3个MCX输出通道的增强版，含MultiSpect Analysis软件

GR1-A+ — GR1-A的高分辨率版本，<2.0% FWHM @ 662 keV

GR05 — 高通量环境专用版本，0.125 cm³ CZT晶体，最大剂量率约10 mSv/hr

GR05+ — GR05的高分辨率版本

Quant GR1 — 屏蔽容器内置GR1探测器的定量分析系统

D3S PRD — 可穿戴个人辐射剂量计

RayMon10 — 手持式核素识别仪

D5 RIID — 手持式放射性同位素识别仪

四、产品概述

Kromek GR1/GR1+伽马探测器光谱仪是一款自包含的CZT基伽马能谱分析设备，用于放射性核素的定性识别和定量活度测量。

核心参数

探测器：10 mm × 10 mm × 10 mm CZT共面栅探测器

能量范围：30 keV – 3.0 MeV

能量分辨率：GR1 < 2.5% FWHM @ 662 keV；GR1+ < 2.0% FWHM @ 662 keV

能量阈值：20 keV

最大计数率：32,000 counts/s

通道数：4096（12位）

功耗：250 mW

尺寸：25 mm × 25 mm × 62 mm

重量：60 g

供电方式：USB总线供电，无需外部电源

工作原理

CZT（碲锌镉）是一种直接带隙半导体材料，当伽马射线光子进入晶体后，通过光电效应或康普顿散射释放电子-空穴对。在偏压电场作用下，载流子向电极漂移形成电荷脉冲，脉冲高度与入射光子能量成正比。与闪烁体探测器需要“闪烁体+光电倍增管"两阶段转换不同，CZT直接将辐射能量转换为电信号，减少了信号转换环节带来的分辨率损失。GR1内置前置放大器、整形放大器、基线恢复器、脉冲高度数字化仪和高压电源，数字化后的脉冲高度数据通过USB传输至计算机。

结构特点

GR1采用共面栅探测器设计，这种电极结构可改善载流子收集效率，降低空穴拖尾效应对能量分辨率的影响。整个封装尺寸为25 mm × 25 mm × 62 mm，重量仅60 g，可直接嵌入手持设备、无人机平台或定制化OEM系统中。多个GR1探测器可并排安装组成阵列，实现大面积区域覆盖。

五、优势特点

1. 室温工作，省去液氮冷却成本

CZT探测器在室温下即可正常运行，无需HPGe探测器所需的液氮冷却系统。对于放射性药物质量控制、核设施现场监测等场景，这意味着省去了液氮采购、定期补充和冷却系统维护的持续性开支，同时也降低了设备部署的启动门槛。

2. 即插即用，无需外部供电

GR1依靠USB总线供电，功耗仅250 mW，接入计算机即可开始采集数据，无需额外配置电源模块或信号调理设备。对于需要快速部署的现场监测任务，这一特性可显著缩短从设备开箱到获取数据的时间。

3. 实测性能与HPGe具有可比性

有用户研究将GR1的能谱数据与HPGe探测器进行对比，结果显示GR1生成的能谱结果与HPGe具有可比性，能量分辨率和探测效率满足正电子发射断层显像（PET）放射性药物质量控制的要求。在需要现场分析且无法使用液氮冷却设备的条件下，GR1提供了一个在性能和便携性之间的实际平衡点。

4. 多设备并行采集与核素库匹配

MultiSpect Analysis软件支持同时从多个GR1探测器获取实时能谱，具备能谱分组、叠加求和功能，内置超过400种核素的能谱库，支持自动匹配识别。MultiSpect Analysis Premium版本增加了效率校准功能，适用于固定几何条件下的定量分析。

5. 阵列化部署能力

GR1的小尺寸（25×25×62 mm）和USB供电方式使其可以便捷地组成探测器阵列。在需要大面积辐射监测的场景中，多个GR1可以并排安装，通过MultiSpect软件进行数据汇总，在不过度增加成本的前提下扩大有效探测面积。

六、主要应用

1. 放射性药物质量控制

在PET放射性药物的生产过程中，需要对最终产品进行核素纯度和活度检测。GR1的能量分辨率和探测效率经实验验证，满足PET放射性药物质量控制的要求。相比HPGe系统，GR1无需液氮冷却、体积小巧，可直接放置于洁净室或热室内使用。

2. 核设施退役与环境辐射调查

在核设施退役现场和放射性污染区域，需要对土壤、建材、设备表面等进行原位伽马能谱测量。GR1的体积和USB供电特性使其可以搭载于无人机平台，实现对人员难以到达区域（如高辐射区域、结构复杂区域）的远程辐射测量。Sandia国家实验室已验证了GR1 Plus在无人系统上的集成能力，可同步记录伽马能谱和GPS定位数据。

3. CERN-MEDICIS放射性核素在线监测

在欧洲核子研究中心（CERN）的MEDICIS设施中，GR1和GR05被用于放射性核素收集过程中的在线伽马能谱监测。GR1探测器置于收集腔前方，表现出更高的效率和活度变化检测准确性；GR05作为低效率备用探测器，用于防止高计数率下的死时间问题。GR1在256 keV处的最大探测效率为4.40E-04，在1000 keV以上仍保持可测量的效率水平，而GR05在400 keV以上效率已显著下降。

4. 高通量辐射环境监测

福岛核事故后的研究表明，GR-1 CZT能谱仪可在137Cs光电峰剂量率低于3 mGy/h的条件下正确测量伽马能谱。对于剂量率更高的环境（如核废料处理热室、加速器辐射场），GR05的10 mSv/hr最大剂量率规格使其成为更合适的选择。

5. 教学与科研平台

GR1的USB即插即用特性和60 g的重量，使其适合用于高校核物理实验教学和科研项目。珠穆朗玛峰大本营等海拔环境中的实际使用验证了其环境适应性。科研用户可将GR1集成到自定义实验装置中，通过GR1-A版本的MCX输出通道获取能量和定时信号，用于符合测量或时间关联分析。