英國Kromek伽馬探測器光譜儀GR1/GR1+—CZT半導體能譜分析解決方案

一、原廠背景：Kromek Group plc

Kromek Group plc成立于2003年，是英國杜倫大學的衍生企業，在倫敦AIM市場上市。公司專注于基于碲鋅鎘（CZT）半導體材料的輻射探測解決方案，業務覆蓋醫療成像、安全篩查和核探測三大領域。

制造資質與產能

Kromek在英國和美國均設有制造基地，兩個生產基地均通過ISO 9001:2015質量管理體系認證，每年接受ISO審核周期審查。公司在全球擁有5個運營站點（英國、美國、德國），員工約100人。

技術地位

Kromek是全球較早實現CZT晶體商業化規模化生產的企業之一，采用多管物理氣相傳輸（MTPVT）方法制造CZT晶體，區別于傳統高壓布里奇曼法和移動加熱器法。該方法的優勢在于晶體均勻性和生產一致性更高。公司還與西門子（Siemens Healthineers）簽署了多年期協議，為其CZT基SPECT探測器生產提供技術授權，該協議涉及Kromek將15臺CZT生產爐轉讓給西門子。

二、產品類型

Kromek輻射探測產品按應用場景分為以下主要系列：

GR Family：小型CZT基伽馬探測器光譜儀，用于實驗室分析和OEM集成

D3M / D3S PRD：個人輻射劑量計，可穿戴伽馬/中子探測器

D3S ID：可穿戴放射性同位素識別裝置

D5 RIID：手持式放射性同位素識別儀

RayMon：手持式伽馬能譜儀，支持CZT、NaI和Alpha Beta可互換探頭

AARM：區域輻射監測系統

Static Node D / Static Node R：固定式輻射監測節點

Quant GR1：屏蔽容器內置CZT探測器的樣品分析系統

Sigma 25/50：碘化銫閃爍體伽馬輻射探測器

TN15：熱中子探測器，采用硅光電倍增管技術

三、主要型號

Kromek GR Family涵蓋以下真實型號：

GR1 — CZT基伽馬能譜儀，1 cm3 CZT晶體，USB輸出

GR1+ — 高分辨率版本，<2.0% FWHM @ 662 keV

GR1-A — 帶3個MCX輸出通道的增強版，含MultiSpect Analysis軟件

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

GR05 — 高通量環境專用版本，0.125 cm3 CZT晶體，最大劑量率約10 mSv/hr

GR05+ — GR05的高分辨率版本

Quant GR1 — 屏蔽容器內置GR1探測器的定量分析系統

D3S PRD — 可穿戴個人輻射劑量計

RayMon10 — 手持式核素識別儀

D5 RIID — 手持式放射性同位素識別儀

四、產品概述

Kromek GR1/GR1+伽馬探測器光譜儀是一款自包含的CZT基伽馬能譜分析設備，用于放射性核素的定性識別和定量活度測量。

核心參數

探測器：10 mm × 10 mm × 10 mm CZT共面柵探測器

能量范圍：30 keV – 3.0 MeV

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

能量閾值：20 keV

最大計數率：32,000 counts/s

通道數：4096（12位）

功耗：250 mW

尺寸：25 mm × 25 mm × 62 mm

重量：60 g

供電方式：USB總線供電，無需外部電源

工作原理

CZT（碲鋅鎘）是一種直接帶隙半導體材料，當伽馬射線光子進入晶體后，通過光電效應或康普頓散射釋放電子-空穴對。在偏壓電場作用下，載流子向電極漂移形成電荷脈沖，脈沖高度與入射光子能量成正比。與閃爍體探測器需要“閃爍體+光電倍增管"兩階段轉換不同，CZT直接將輻射能量轉換為電信號，減少了信號轉換環節帶來的分辨率損失。GR1內置前置放大器、整形放大器、基線恢復器、脈沖高度數字化儀和高壓電源，數字化后的脈沖高度數據通過USB傳輸至計算機。

結構特點

GR1采用共面柵探測器設計，這種電極結構可改善載流子收集效率，降低空穴拖尾效應對能量分辨率的影響。整個封裝尺寸為25 mm × 25 mm × 62 mm，重量僅60 g，可直接嵌入手持設備、無人機平臺或定制化OEM系統中。多個GR1探測器可并排安裝組成陣列，實現大面積區域覆蓋。

五、優勢特點

1. 室溫工作，省去液氮冷卻成本

CZT探測器在室溫下即可正常運行，無需HPGe探測器所需的液氮冷卻系統。對于放射性藥物質量控制、核設施現場監測等場景，這意味著省去了液氮采購、定期補充和冷卻系統維護的持續性開支，同時也降低了設備部署的啟動門檻。

2. 即插即用，無需外部供電

GR1依靠USB總線供電，功耗僅250 mW，接入計算機即可開始采集數據，無需額外配置電源模塊或信號調理設備。對于需要快速部署的現場監測任務，這一特性可顯著縮短從設備開箱到獲取數據的時間。

3. 實測性能與HPGe具有可比性

有用戶研究將GR1的能譜數據與HPGe探測器進行對比，結果顯示GR1生成的能譜結果與HPGe具有可比性，能量分辨率和探測效率滿足正電子發射斷層顯像（PET）放射性藥物質量控制的要求。在需要現場分析且無法使用液氮冷卻設備的條件下，GR1提供了一個在性能和便攜性之間的實際平衡點。

4. 多設備并行采集與核素庫匹配

MultiSpect Analysis軟件支持同時從多個GR1探測器獲取實時能譜，具備能譜分組、疊加求和功能，內置超過400種核素的能譜庫，支持自動匹配識別。MultiSpect Analysis Premium版本增加了效率校準功能，適用于固定幾何條件下的定量分析。

5. 陣列化部署能力

GR1的小尺寸（25×25×62 mm）和USB供電方式使其可以便捷地組成探測器陣列。在需要大面積輻射監測的場景中，多個GR1可以并排安裝，通過MultiSpect軟件進行數據匯總，在不過度增加成本的前提下擴大有效探測面積。

六、主要應用

1. 放射性藥物質量控制

在PET放射性藥物的生產過程中，需要對最終產品進行核素純度和活度檢測。GR1的能量分辨率和探測效率經實驗驗證，滿足PET放射性藥物質量控制的要求。相比HPGe系統，GR1無需液氮冷卻、體積小巧，可直接放置于潔凈室或熱室內使用。

2. 核設施退役與環境輻射調查

在核設施退役現場和放射性污染區域，需要對土壤、建材、設備表面等進行原位伽馬能譜測量。GR1的體積和USB供電特性使其可以搭載于無人機平臺，實現對人員難以到達區域（如高輻射區域、結構復雜區域）的遠程輻射測量。Sandia國家實驗室已驗證了GR1 Plus在無人系統上的集成能力，可同步記錄伽馬能譜和GPS定位數據。

3. CERN-MEDICIS放射性核素在線監測

在歐洲核子研究中心（CERN）的MEDICIS設施中，GR1和GR05被用于放射性核素收集過程中的在線伽馬能譜監測。GR1探測器置于收集腔前方，表現出更高的效率和活度變化檢測準確性；GR05作為低效率備用探測器，用于防止高計數率下的死時間問題。GR1在256 keV處的最大探測效率為4.40E-04，在1000 keV以上仍保持可測量的效率水平，而GR05在400 keV以上效率已顯著下降。

4. 高通量輻射環境監測

福島核事故后的研究表明，GR-1 CZT能譜儀可在137Cs光電峰劑量率低于3 mGy/h的條件下正確測量伽馬能譜。對于劑量率更高的環境（如核廢料處理熱室、加速器輻射場），GR05的10 mSv/hr最大劑量率規格使其成為更合適的選擇。

5. 教學與科研平臺

GR1的USB即插即用特性和60 g的重量，使其適合用于高校核物理實驗教學和科研項目。珠穆朗瑪峰大本營等海拔環境中的實際使用驗證了其環境適應性。科研用戶可將GR1集成到自定義實驗裝置中，通過GR1-A版本的MCX輸出通道獲取能量和定時信號，用于符合測量或時間關聯分析。