Varautuneiden hiukkasten havaitseminen

VALITSE PARAS VARAUTUNEEN HIUKKASEN HAVAITSEMISEN ILMAISIN SOVELLUKSEEN

PIPS® (Passivated Implanted Planar Silicon) -ilmaisimet

Mirionilla on tarjolla kahta erityyppistä varautuneiden hiukkasten havaitsemislaitteita, jotka kattavat monenlaisia sovelluksia. Ensimmäinen tyyppi on PIPS-ilmaisin (Passivated Implanted Planar Silicon), jossa käytetään istutettua estokontaktia, joka muodostaa tarkan, ohuen ja äkillisen liitoskohdan, joka takaa hyvän varattujen hiukkasten erotuskyvyn. Toinen tyyppi on litiumilla ajelehtiva pii-ilmaisin, joka vastaa tarpeeseen parantaa suurienergisten varattujen hiukkasten havaitsemisen tehokkuutta. Molemmissa tapauksissa detektoreissa on P-I-N-rakenne, jossa tyhjenemisalue muodostuu käänteisellä jännitteellä, jolloin syntyvä sähkökenttä kerää vastaan tulevan varautuneen hiukkasen tuottamat elektroni-aukkoparit. Piin resistiivisyyden on oltava riittävän suuri, jotta riittävän suuri tyhjentymisalue saadaan muodostettua kohtalaisilla biasjännitteillä.

Implatoidun esteen kontaktiliitoksessa enemmistökantajat (n-tyypin elektronit ja p-tyypin reiät) hylkivät toisiaan, joten tyhjentymisalue syntyy. Käänteinen harhautus laajentaa tätä köyhdytettyä aluetta, joka on herkkä detektoritilavuus, ja se voi laajentua läpilyöntijännitteen rajalle asti. PIPS-ilmaisimia on yleensä saatavana 100-1000 µm:n tyhjennyssyvyydellä.

Näitä ilmaisimia voidaan käyttää mallin 2003BT esivahvistimen kanssa. Ne ovat myös yhteensopivia Alpha Analyst™- tai Model 7401 -alfa-spektrometrien kanssa aina 1200 mm2 :n kokoon asti.

Detektorit määritetään pinta-alan ja alfa- tai beetahiukkasresoluution sekä köyhtymissyvyyden mukaan. Erotuskyky riippuu suurelta osin detektorin koosta, ja se on paras pienen pinta-alan detektoreissa. Tyypillisiä ovat 12-35 keV:n alfaresoluutio ja 6-30 keV:n beetaresoluutio. Vakiovarusteena on saatavana 25-5000 mm2 :n pinta-aloja, ja räätälöityjä sovelluksia varten on saatavana suurempia ilmaisimia eri geometrioilla. Lisäksi PIPS-ilmaisimia on saatavana täysin tyhjennettyinä, joten dE/dx-energiahäviön mittaus voidaan tehdä pinoamalla ilmaisimia akselille. Tähän sovellukseen tarkoitetut ilmaisimet toimitetaan läpäisyasennuksessa (eli siten, että bias-liitin on ilmaisimen sivulla).

Vakiopaksuudet ovat 2-5 mm ja pyynnöstä jopa 10 mm, ja näillä niin sanotuilla Si(Li)-ilmaisimilla on parempi pysäytysteho kuin PIPS-ilmaisimilla, mikä vastaa tarpeeseen parantaa suurienergisten varattujen hiukkasten ilmaisutehokkuutta. Si(Li)-ilmaisimia on saatavana 200-500 mm2 :n ympyränmuotoisina ja suorakulmaisina, ja niiden resoluutio on koosta riippuen 30 keV alkaen. Näitä ilmaisimia on saatavana myös transmissiokiinnityksellä.

Jos tarvitaan varattujen hiukkasten lokalisointia, Mirion voi tarjota segmentoituja Si(Li)-ilmaisimia (ks. tiedot LTS Si(Li)-tyyppisistä ilmaisimista). Si(Li)-ilmaisimilla on huoneenlämmössä suuri vuotovirta. Si(Li)-ilmaisimien polarisoimiseksi jännitehäviö biasointipiireissä on minimoitava. Tässä yhteydessä HV-suodattimessa tai AC-kytkentäverkossa olevat vastukset olisi pidettävä 10 Mohmin arvossa. Mirion suosittelee 2003BT- tai 2004-tyyppisiä esivahvistimia, mutta Si(Li)-ilmaisimia varten HV-suodattimessa ja AC-kytkentäverkossa olevat vastukset olisi pudotettava 100 Mohmista 10 Mohmiin liiallisen jännitehäviön välttämiseksi.

Liitiumista ajelehtivat pii-ilmaisimet

PIPS:n vertailu litiumista ajelehtiviin pii-ilmaisimiin

SIILISTÄ LADATTUJEN HIUKKASEN ILMAISIMET

Taulukossa 1 on taulukko 1 taulukosta, jossa on esitetty erilaisten hiukkasien energiat mitattuina useilla tyhjennyssyvyyksillä. Huomaa, että ohuimmatkin ilmaisimet riittävät radioaktiivisista lähteistä peräisin oleville alfahiukkasille, mutta että vain hyvin matalaenergiset elektronit absorboituvat täysin. Elektroniviivojen lähdettä, kuten konversioelektroniviivoja, tarkastelevassa ilmaisimessa havaitaan kuitenkin jyrkkiä piikkejä, koska jotkin elektronien kulkureittien pituudet sijoittuvat täysin köyhdytetylle alueelle. Kuvassa 1 on esitetty ydinreaktioissa yleisesti esiintyvien hiukkasten alueet.

Kuva 1 – Alue-energiakäyrät piissä

Koska hiukkasen ionisaatiosta kerätty varaus on niin pieni, että tuloksena syntyviä pulsseja ei ole käytännöllistä käyttää ilman välivahvistusta, signaalin alustavaan esivalmisteluun käytetään varaustuntevaa esivahvistinta.

Kuvassa 2 havainnollistetaan elektroniikkaa, jota käytetään yhden tulon alfaspektroskopiasovelluksessa. Huomaa, että näyte ja ilmaisin sijaitsevat tyhjiökammion sisällä, joten ilmassa tapahtuva energiahäviö ei vaikuta asiaan.

Kuva 2 – Alfaspektrometriassa käytetty elektroniikkaketju

Kuvassa 3, kuvassa 4 ja kuvassa 5 on esitetty erilaisten piistä valmistettujen varattujen hiukkasten ilmaisimien energia-aluetta energiamittausten osalta. Energia-alue laajenee läpäisykiinnikkeillä (FD-sarja PIPS:lle ja LTC/LTR-sarja Si(Li):lle), koska detektorit voidaan pinota ja niitä voidaan käyttää hiukkastunnistuksessa, detektoriteleskoopeissa ja muissa dE/dx-mittauksissa.

Kuva 3 – Eri detektorimallien energia-alue elektronien täydelliselle varauskokoelmalle

Kuva 4 – Eri detektorimallien energia-alueet elektronien täydelliselle varauskokoelmalle

Kuva 4 – Energiankulutusalueet. Eri detektorimallien energia-alue protonien täydelliselle varauskokoelmalle

Kuva 5 – Eri detektorimallien energia-alue alfojen täydelliselle varauskokoelmalle

Kanavoitumisvaikutukset, joissa energeettiset ionit tulevat detektoriin tietyissä kulmissa, aiheuttavat ionien kanavoitumista kidetasojen välillä. Tämä vaikutus voi aiheuttaa merkittävää vaihtelua esitettyihin alueisiin.