Detektion af ladede partikler

Vælg den bedste detektor for ladede partikler til din applikation

PIPS®-detektorer (Passivated Implanted Planar Silicon)

Mirion tilbyder to typer siliciumdetektorer for ladede partikler, der dækker et bredt spektrum af applikationer. Den første type er PIPS-detektoren (Passivated Implanted Planar Silicon), som anvender en implanteret barrierekontakt, der danner en præcis, tynd, brat overgang for god opløsning af ladede partikler. Den anden type er den lithium-driftede siliciumdetektor, som opfylder behovet for bedre detektionseffektivitet for ladede partikler med høj energi. I begge tilfælde har detektorerne en P-I-N-struktur, hvor der dannes et udtyndingsområde ved at anvende omvendt forspænding, og hvor det resulterende elektriske felt opsamler de elektron-hul-par, der dannes af en indfaldende ladet partikel. Siliciumets resistivitet skal være tilstrækkelig høj til at muliggøre et tilstrækkeligt stort udtyndingsområde ved moderate forspændingsspændinger.

I den implanterede barrierekontaktforbindelse sker der en frastødning af majoritetsbærere (elektroner i n-typen og huller i p-typen), således at der findes et udtyndingsområde. En påført omvendt forspænding udvider dette udtømte område, som er det følsomme detektorvolumen, og kan udvides til grænsen for nedbrydningsspændingen. PIPS-detektorer fås generelt med en udtyndingsdybde på 100 til 1000 µm.

Disse detektorer kan anvendes sammen med forforstærkeren model 2003BT. De er også kompatible med Alpha Analyst™- eller Alpha-spektrometre model 7401 til størrelser på op til 1200 mm2.

Detektorerne er specificeret med hensyn til overfladeareal og alfa- eller betapartikelopløsning samt udtyndingsdybde. Opløsningen afhænger i høj grad af detektorstørrelsen, idet den er bedst for detektorer med lille areal. Alphaopløsning på 12 til 35 keV og betaopløsning på 6 til 30 keV er typisk. Arealer på 25 til 5000 mm2 er tilgængelige som standard, mens større detektorer kan fås i forskellige geometrier til specialtilpassede applikationer. Desuden kan PIPS-detektorer leveres fuldt udtømt, således at der kan foretages en dE/dx-energitabsmåling ved at stable detektorer på hinanden på en akse. Detektorer til denne anvendelse leveres i en transmissionsmontering (dvs. med bias-stikket på siden af detektoren).

Med standardtykkelser på mellem 2 og 5 mm og på anmodning op til 10 mm har disse såkaldte Si(Li)-detektorer en bedre stopkraft end PIPS-detektorer, hvilket opfylder behovet for bedre detektionseffektivitet for ladede partikler med høj energi. Si(Li)-detektorer fås i cirkulær geometri på mellem 200 og 500 mm2 og i rektangulær form med en opløsning fra 30 keV afhængigt af størrelsen. Disse detektorer fås også i transmissionsmontering.

Hvis der er behov for lokalisering af ladede partikler, kan Mirion tilbyde segmenterede Si(Li)-detektorer (se oplysninger om detektorer af LTS Si(Li)-typen). Si(Li)-detektorer har ved stuetemperatur en stor lækstrøm. For at polarisere Si(Li)-detektorerne skal spændingsfaldet i forspændingskredsløbene minimeres. I den forbindelse bør modstandene i HV-filteret eller i vekselstrømskoblingsnettet holdes på 10 Mohms. Mirion anbefaler forforstærkere af typen 2003BT eller 2004, men for Si(Li)-detektorer bør modstanden i HV-filteret og i vekselstrømskoblingsnettet sænkes fra 100 Mohms til 10 Mohms for at undgå et for stort spændingsfald.

Lithium-drevne siliciumdetektorer

Sammenligning af PIPS med lithium-drevne siliciumdetektorer

SILICON CHARGED PARTICLE DETECTORS

Tabel 1 viser en oversigt over energierne for forskellige partikler målt ved forskellige udtyndingsdybder. Bemærk, at selv den tyndeste detektor er tilstrækkelig til alfapartikler fra radioaktive kilder, men at kun elektroner med meget lav energi absorberes fuldt ud. For en detektor, der ser en kilde af elektronlinjer, f.eks. konverteringselektronlinjer, vil der imidlertid blive observeret skarpe toppe, da nogle elektroners vejlængder vil ligge helt i det udtømte område. Figur 1 viser intervaller af partikler, der almindeligvis forekommer i kernereaktioner.

Figur 1 – Interval-energikurver i silicium

Da den opsamlede ladning fra partikelioniseringen er så lille, at det er upraktisk at bruge de resulterende impulser uden mellemliggende forstærkning, anvendes en ladningsfølsom forforstærker til indledningsvis at forberede signalet.

Figur 2 illustrerer den elektronik, der anvendes i en alfa-spektroskopiapplikation med en enkelt indgang. Bemærk, at prøven og detektoren er placeret i et vakuumkammer, så energitabet i luft ikke er involveret.

Figur 2 – Elektronikkæde anvendt i alfaspektrometri

Energimæssigt område for de forskellige siliciumdetektorer for ladede partikler er vist i figur 3, figur 4 og figur 5 for energimålinger. Energiområdet vil blive udvidet med transmissionsmonteringer (FD-serien for PIPS og LTC/LTR-serien for Si(Li)), da detektorerne kan stables og anvendes til partikelidentifikation, detektorteleskoper og til andre dE/dx-målinger.

Figur 3 – Energiområde for de forskellige detektormodeller for en komplet ladningssamling af elektroner

Figur 4 – Energimæssigt område for de forskellige detektormodeller for en komplet ladningssamling af elektroner

. Energiområde for de forskellige detektormodeller for en komplet ladningssamling af protoner

Figur 5 – Energiområde for de forskellige detektormodeller for en komplet ladningssamling af alfaer

Kanaliseringseffekter, hvor energirige ioner trænger ind i detektoren i visse vinkler, vil forårsage kanalisering af ioner mellem krystalplanerne. Denne effekt kan medføre betydelige variationer i de angivne intervaller.