Sélectionnez le meilleur détecteur de particules chargées pour votre application

Détecteurs PIPS® (Passivated Implanted Planar Silicon)

Mirion propose deux types de détecteurs de particules chargées en silicium pour couvrir une large gamme d’applications. Le premier type est le détecteur PIPS (Passivated Implanted Planar Silicon), qui utilise un contact barrière implanté qui forme une jonction précise, mince et abrupte pour une bonne résolution des particules chargées. Le second type est le détecteur au silicium à dérive de lithium, qui répond au besoin d’une meilleure efficacité de détection des particules chargées à haute énergie. Dans les deux cas, les détecteurs ont une structure P-I-N dans laquelle une région d’appauvrissement est formée en appliquant une polarisation inverse, le champ électrique résultant collectant les paires électron-trou produites par une particule chargée incidente. La résistivité du silicium doit être suffisamment élevée pour permettre une région d’appauvrissement assez grande à des tensions de polarisation modérées.

Au niveau de la jonction de contact de la barrière implantée, il existe une répulsion des porteurs majoritaires (électrons de type n et trous de type p) de sorte qu’une région appauvrie existe. Une polarisation inverse appliquée élargit cette région appauvrie qui constitue le volume sensible du détecteur, et peut être étendue jusqu’à la limite de la tension de claquage. Les détecteurs PIPS sont généralement disponibles avec des profondeurs d’appauvrissement de 100 à 1000 µm.

Ces détecteurs peuvent être utilisés avec le préamplificateur modèle 2003BT. Ils sont également compatibles avec les spectromètres Alpha Analyst™ ou le modèle 7401 Alpha pour des tailles allant jusqu’à 1200 mm2.

Les détecteurs sont spécifiés en termes de surface et de résolution des particules alpha ou bêta ainsi que de profondeur d’appauvrissement. La résolution dépend largement de la taille du détecteur, étant meilleure pour les détecteurs de petite surface. Une résolution alpha de 12 à 35 keV et une résolution bêta de 6 à 30 keV sont typiques. Des surfaces de 25 à 5000 mm2 sont disponibles en standard, avec des détecteurs plus grands disponibles dans différentes géométries pour des applications personnalisées. En outre, les détecteurs PIPS sont disponibles entièrement appauvris, de sorte qu’une mesure de la perte d’énergie dE/dx peut être effectuée en empilant les détecteurs sur l’axe. Les détecteurs pour cette application sont fournis dans un montage de transmission, (c’est-à-dire avec le connecteur de polarisation sur le côté du détecteur).

Avec des épaisseurs standard de 2 à 5 mm et sur demande jusqu’à 10 mm, ces détecteurs dits Si(Li) ont un meilleur pouvoir d’arrêt que les détecteurs PIPS, répondant ainsi au besoin d’une meilleure efficacité de détection des particules chargées à haute énergie. Les détecteurs Si(Li) sont disponibles en géométrie circulaire entre 200 et 500 mm2 et en forme rectangulaire, avec une résolution à partir de 30 keV selon la taille. Ces détecteurs sont également disponibles en montage par transmission.

Dans le cas où une localisation des particules chargées est nécessaire, Mirion peut proposer des Si(Li) segmentés (voir les informations pour les détecteurs de type Si(Li) LTS). Les détecteurs Si(Li) à température ambiante ont un courant de fuite important. Pour polariser les détecteurs Si(Li), la chute de tension dans les circuits de polarisation doit être minimisée. Dans ce cadre, les résistances du filtre HV ou du réseau de couplage AC doivent être maintenues à une valeur de 10 Mohms. Mirion recommande les préamplificateurs de type 2003BT ou 2004, mais pour les détecteurs Si(Li), les résistances dans le filtre HV et dans le réseau de couplage AC doivent passer de 100 Mohms à 10 Mohms pour éviter une chute de tension excessive.

Détecteurs au silicium dérivé du lithium

Comparaison de PIPS aux détecteurs au silicium dérivé du lithium

Détecteurs de particules chargées au silicium

Un tableau des énergies de diverses particules mesurées à plusieurs profondeurs d’appauvrissement est présenté dans le tableau 1. Notez que même le détecteur le plus fin est adéquat pour les particules alpha provenant de sources radioactives, mais que seuls les électrons de très faible énergie sont entièrement absorbés. Cependant, pour un détecteur observant une source de raies électroniques, telles que les raies électroniques de conversion, des pics nets seront observés puisque certaines longueurs de parcours des électrons se trouveront entièrement dans la région appauvrie. La figure 1 montre des plages de particules apparaissant couramment dans les réactions nucléaires.

Figure 1 – Courbes d’énergie de plage dans le silicium

Puisque la charge collectée à partir de l’ionisation de la particule est si petite qu’il n’est pas pratique d’utiliser les impulsions résultantes sans amplification intermédiaire, un préamplificateur sensible à la charge est utilisé pour préparer initialement le signal.

La figure 2 illustre l’électronique utilisée dans une application de spectroscopie alpha à entrée unique. Notez que l’échantillon et le détecteur sont situés à l’intérieur d’une chambre à vide de sorte que la perte d’énergie dans l’air n’intervient pas.

Figure 2 – Chaîne électronique utilisée en spectrométrie alpha

La gamme d’énergie des différents détecteurs de particules chargées au silicium est illustrée dans la figure 3, la figure 4 et la figure 5 pour les mesures d’énergie. La gamme d’énergie s’étendra avec les supports de transmission (série FD pour PIPS et série LTC/LTR pour Si(Li)) car les détecteurs peuvent être empilés et utilisés dans l’identification des particules, les télescopes de détection et dans d’autres mesures dE/dx.

Figure 3 – Gamme d’énergie des différents modèles de détecteurs pour une collection complète de charges d’électrons

Figure 4 – Plage d’énergie des différents modèles de détecteurs pour une collection de charge complète de protons

Figure 5 – Plage d’énergie des différents modèles de détecteurs pour une collection de charge complète d’alphas

Effets de canalisation, où les ions énergétiques pénètrent dans le détecteur sous certains angles, provoquent la canalisation des ions entre les plans cristallins. Cet effet peut provoquer une variation importante des plages présentées.

Annexe 1 – Gammes d’énergie pour les électrons, protons et alphas

Figure 6 – Plage d’énergie pour les électrons dans le silicium

Figure 7 – Plage d’énergie pour les protons dans le silicium

Figure 8 – Plage d’énergie pour les alpha dans le silicium

Appendice 2 – Perte d’énergie de différentes particules chargées dans le silicium

Figure 9 -. Perte d’énergie de l’électron dans le silicium

Figure 10 – Perte d’énergie des protons dans le silicium

Figure 11 – Perte d’énergie de l’alpha dans le silicium

Figure 12 – Perte d’énergie des différentes particules chargées dans le silicium

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