Seleccione el mejor detector de partículas cargadas para su aplicación

Detectores PIPS® (Silicio plano implantado pasivado)

Mirion ofrece dos tipos de detectores de partículas cargadas de silicio para cubrir una amplia gama de aplicaciones. El primer tipo es el detector PIPS (Passivated Implanted Planar Silicon), que emplea un contacto de barrera implantado que forma una unión precisa, fina y abrupta para una buena resolución de partículas cargadas. El segundo tipo es el detector de silicio con desplazamiento de litio, que responde a la necesidad de mejorar la eficacia de la detección de partículas cargadas de alta energía. En ambos casos, los detectores tienen una estructura P-I-N en la que se forma una región de agotamiento aplicando una polarización inversa, y el campo eléctrico resultante recoge los pares electrón-hueco producidos por una partícula cargada incidente. La resistividad del silicio debe ser lo suficientemente alta como para permitir una región de agotamiento lo suficientemente grande a voltajes de polarización moderados.

En la unión del contacto de la barrera implantada hay una repulsión de los portadores mayoritarios (electrones en el tipo n y huecos en el tipo p) de modo que existe una región agotada. Una polarización inversa aplicada amplía esta región agotada, que es el volumen sensible del detector, y puede extenderse hasta el límite de la tensión de ruptura. Los detectores PIPS suelen estar disponibles con profundidades de agotamiento de 100 a 1000 µm.

Estos detectores pueden utilizarse con el preamplificador modelo 2003BT. También son compatibles con los espectrómetros Alpha Analyst™ o Model 7401 Alpha para tamaños de hasta 1200 mm2.

Los detectores se especifican en términos de área de superficie y resolución de partículas alfa o beta, así como de profundidad de agotamiento. La resolución depende en gran medida del tamaño del detector, siendo mejor para los detectores de área pequeña. Las resoluciones alfa de 12 a 35 keV y beta de 6 a 30 keV son típicas. Las áreas de 25 a 5000 mm2 están disponibles como estándar, con detectores más grandes disponibles en varias geometrías para aplicaciones personalizadas. Además, los detectores PIPS están disponibles totalmente agotados, de modo que se puede realizar una medición de pérdida de energía dE/dx apilando los detectores en el eje. Los detectores para esta aplicación se suministran en un montaje de transmisión, (es decir, con el conector de polarización en el lado del detector).

Con espesores estándar de entre 2 y 5 mm y, a petición, de hasta 10 mm, estos detectores de Si(Li) tienen un mayor poder de detención que los detectores PIPS, lo que responde a la necesidad de una mayor eficacia de detección de partículas cargadas de alta energía. Los detectores de Si(Li) están disponibles en geometrías circulares de entre 200 y 500 mm2 y en formas rectangulares, con una resolución a partir de 30 keV dependiendo del tamaño. Estos detectores también están disponibles en montaje de transmisión.

En caso de que se necesite alguna localización de partículas cargadas, Mirion puede ofrecer detectores de Si(Li) segmentados (ver información para detectores de tipo LTS Si(Li)). Los detectores de Si(Li) a temperatura ambiente tienen una gran corriente de fuga. Para polarizar los detectores de Si(Li) hay que minimizar la caída de tensión dentro de los circuitos de polarización. En este marco, las resistencias dentro del filtro de alta tensión o en la red de acoplamiento de CA deben mantenerse a un valor de 10 Mohms. Mirion recomienda preamplificadores del tipo 2003BT o 2004, pero para los detectores de Si(Li) las resistencias en el filtro HV y en la red de acoplamiento AC deben bajarse de 100 Mohms a 10 Mohms para evitar una caída de tensión excesiva.

Detectores de silicio a la deriva de litio

Comparación de PIPS con detectores de silicio a la deriva de litio

Detectores de partículas cargadas de silicio

En la tabla 1 se muestra un gráfico de las energías de varias partículas medidas a varias profundidades de agotamiento. Obsérvese que incluso el detector más fino es adecuado para las partículas alfa procedentes de fuentes radiactivas, pero que sólo se absorben completamente los electrones de muy baja energía. Sin embargo, para un detector que vea una fuente de líneas de electrones, como las líneas de electrones de conversión, se observarán picos agudos, ya que algunas longitudes de trayectoria de los electrones se encontrarán totalmente en la región agotada. La figura 1 muestra los rangos de partículas que suelen aparecer en las reacciones nucleares.

Figura 1 – Curvas de energía de rango en el silicio

Dado que la carga recogida de la ionización de las partículas es tan pequeña que no es práctico utilizar los pulsos resultantes sin amplificación intermedia, se utiliza un preamplificador sensible a la carga para preparar inicialmente la señal.

La figura 2 ilustra la electrónica utilizada en una aplicación de espectroscopia alfa de una sola entrada. Obsérvese que la muestra y el detector están situados dentro de una cámara de vacío, de modo que no interviene la pérdida de energía en el aire.

Figura 2 – Cadena electrónica utilizada en la espectrometría alfa

El rango de energía de los diferentes detectores de partículas cargadas de silicio se muestra en la Figura 3, Figura 4 y Figura 5 para las mediciones de energía. El rango de energía se ampliará con los soportes de transmisión (serie FD para PIPS y serie LTC/LTR para Si(Li)), ya que los detectores pueden apilarse y utilizarse en la identificación de partículas, telescopios de detectores y en otras mediciones dE/dx.

Figura 3 – Rango de energía de los diferentes modelos de detectores para una colección de carga completa de electrones

Figura 4 – Rango de energía de los diferentes modelos de detectores para una colección de carga completa de protones

Figura 5 – Rango de energía de los diferentes modelos de detectores para una colección de carga completa de alfas

Efectos de canalización, donde los iones energéticos entran en el detector en ciertos ángulos causarán la canalización de los iones entre los planos del cristal. Este efecto puede causar una variación significativa de los rangos presentados.

Apéndice 1 – Rangos de energía para electrones protones y alfas

Figura 6 – Rango de energía para los electrones en el silicio

Figura 7 – Rango de energía para los protones en el silicio

Figura 8 – Rango de energía de los alfa en el silicio

Apéndice 2 – Pérdida de energía de diferentes partículas cargadas en el silicio

Figura 9 – Pérdida de energía del electrón en el silicio

Figura 10 – Pérdida de energía de los protones en el silicio

Figura 11 – Pérdida de energía de los alfa en el silicio

Figura 12 – Pérdida de energía de diferentes partículas cargadas en el silicio

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