Detektion geladener Teilchen

Wählen Sie den besten Detektor für geladene Teilchen für Ihre Anwendung

PIPS®-Detektoren (Passivated Implanted Planar Silicon)

Mirion bietet zwei Typen von Siliziumdetektoren für geladene Teilchen an, um eine breite Palette von Anwendungen abzudecken. Der erste Typ ist der PIPS-Detektor (Passivated Implanted Planar Silicon), der einen implantierten Sperrschichtkontakt verwendet, der einen präzisen, dünnen, abrupten Übergang für eine gute Auflösung der geladenen Teilchen bildet. Der zweite Detektortyp ist ein mit Lithium getriebener Siliziumdetektor, der eine bessere Detektionseffizienz für hochenergetische geladene Teilchen bieten soll. In beiden Fällen haben die Detektoren eine P-I-N-Struktur, bei der durch Anlegen einer Sperrspannung ein Verarmungsbereich gebildet wird, in dem das entstehende elektrische Feld die von einem einfallenden geladenen Teilchen erzeugten Elektron-Loch-Paare auffängt. Der spezifische Widerstand des Siliziums muss hoch genug sein, um eine ausreichend große Verarmungszone bei mäßigen Vorspannungen zu ermöglichen.

An der implantierten Barriere-Kontaktverbindung kommt es zu einer Abstoßung von Majoritätsträgern (Elektronen im n-Typ und Löcher im p-Typ), so dass eine verarmte Zone entsteht. Eine angelegte Sperrvorspannung vergrößert diesen verarmten Bereich, der das empfindliche Detektorvolumen darstellt, und kann bis zur Grenze der Durchbruchspannung ausgedehnt werden. PIPS-Detektoren sind im Allgemeinen mit Verarmungstiefen von 100 bis 1000 µm erhältlich.

Diese Detektoren können mit dem Vorverstärker Modell 2003BT verwendet werden. Sie sind auch mit dem Alpha Analyst™ oder dem Alpha-Spektrometer Modell 7401 für Größen bis zu 1200 mm2 kompatibel.

Die Detektoren werden in Bezug auf die Oberfläche und die Auflösung der Alpha- oder Betateilchen sowie die Verarmungstiefe angegeben. Die Auflösung hängt weitgehend von der Detektorgröße ab und ist bei Detektoren mit kleiner Fläche am besten. Eine Alpha-Auflösung von 12 bis 35 keV und eine Beta-Auflösung von 6 bis 30 keV sind typisch. Standardmäßig sind Detektoren mit einer Fläche von 25 bis 5000 mm2 erhältlich, wobei größere Detektoren in verschiedenen Geometrien für kundenspezifische Anwendungen verfügbar sind. Darüber hinaus sind PIPS-Detektoren auch vollständig abgereichert erhältlich, so dass eine dE/dx-Energieverlustmessung durch Stapeln der Detektoren auf der Achse durchgeführt werden kann. Die Detektoren für diese Anwendung werden in einer Transmissionsfassung geliefert (d. h. mit dem Bias-Anschluss an der Seite des Detektors).

Mit Standarddicken zwischen 2 und 5 mm und auf Anfrage bis zu 10 mm haben diese so genannten Si(Li)-Detektoren ein besseres Bremsvermögen als PIPS-Detektoren, was dem Bedarf an einer besseren Nachweisleistung für hochenergetische geladene Teilchen entgegenkommt. Si(Li)-Detektoren sind in kreisförmiger Geometrie zwischen 200 und 500 mm2 und in rechteckiger Form erhältlich, mit einer Auflösung ab 30 keV je nach Größe. Diese Detektoren sind auch als Transmissionsdetektoren erhältlich.

Für den Fall, dass eine Lokalisierung geladener Teilchen erforderlich ist, kann Mirion segmentierte Si(Li)-Detektoren anbieten (siehe Informationen zu LTS Si(Li)-Detektoren). Si(Li)-Detektoren haben bei Raumtemperatur einen großen Leckstrom. Um die Si(Li)-Detektoren zu polarisieren, sollte der Spannungsabfall innerhalb der Vorspannungsschaltungen minimiert werden. In diesem Rahmen sollten die Widerstände im HV-Filter oder im AC-Kopplungsnetzwerk auf einem Wert von 10 Mohms gehalten werden. Mirion empfiehlt Vorverstärker vom Typ 2003BT oder 2004, aber für Si(Li)-Detektoren sollten die Widerstände im HV-Filter und im AC-Koppelnetzwerk von 100 Mohms auf 10 Mohms gesenkt werden, um einen übermäßigen Spannungsabfall zu vermeiden.

Lithiumdrift-Siliziumdetektoren

Vergleich von PIPS mit Lithiumdrift-Siliziumdetektoren

SILICON-Ladungsteilchen-Detektoren

Eine Tabelle mit den Energien verschiedener Teilchen, die bei verschiedenen Verarmungstiefen gemessen wurden, ist in Tabelle 1 dargestellt. Man beachte, dass selbst der dünnste Detektor für Alphateilchen aus radioaktiven Quellen ausreicht, dass aber nur Elektronen sehr niedriger Energie vollständig absorbiert werden. Bei einem Detektor, der eine Quelle von Elektronenlinien betrachtet, wie z. B. Konversionselektronenlinien, werden jedoch scharfe Spitzen beobachtet, da einige Elektronenpfadlängen vollständig im verarmten Bereich liegen werden. Abbildung 1 zeigt die Bereiche von Teilchen, die üblicherweise in Kernreaktionen auftreten.

Abbildung 1 – Bereichs-Energie-Kurven in Silizium

Da die bei der Teilchenionisation gesammelte Ladung so klein ist, dass es unpraktisch ist, die resultierenden Impulse ohne Zwischenverstärkung zu verwenden, wird ein ladungsempfindlicher Vorverstärker verwendet, um das Signal zunächst vorzubereiten.

Abbildung 2 zeigt die Elektronik, die in einer Alpha-Spektroskopie-Anwendung mit einem Eingang verwendet wird. Man beachte, dass sich Probe und Detektor in einer Vakuumkammer befinden, so dass der Energieverlust in der Luft keine Rolle spielt.

Abbildung 2 – In der Alpha-Spektrometrie verwendete Elektronikkette

Der Energiebereich der verschiedenen Siliziumdetektoren für geladene Teilchen ist in Abbildung 3, Abbildung 4 und Abbildung 5 für Energiemessungen dargestellt. Der Energiebereich wird mit Transmissionsfassungen (FD-Serie für PIPS und LTC/LTR-Serie für Si(Li)) erweitert, da die Detektoren gestapelt und in der Teilchenidentifikation, in Detektorteleskopen und in anderen dE/dx-Messungen eingesetzt werden können.

Abbildung 3 – Energiebereich der verschiedenen Detektormodelle für eine vollständige Ladungssammlung von Elektronen

Abbildung 4. Energiebereich der verschiedenen Detektormodelle für eine vollständige Ladungssammlung von Protonen

Abbildung 5 – Energiebereich der verschiedenen Detektormodelle für eine vollständige Ladungssammlung von Alphas

Kanalisierungseffekte, bei denen energiereiche Ionen unter bestimmten Winkeln in den Detektor eintreten, führen zu einer Kanalisierung der Ionen zwischen den Kristallebenen. Dieser Effekt kann zu erheblichen Abweichungen von den dargestellten Bereichen führen.