SELEZIONA IL MIGLIORE RILEVATORE DI PARTICELLE CARICHE PER LA TUA APPLICAZIONE

Rilevatori PIPS® (Passivated Implanted Planar Silicon)

Mirion offre due tipi di rilevatori di particelle cariche in silicio per coprire una vasta gamma di applicazioni. Il primo tipo è il rivelatore PIPS (Passivated Implanted Planar Silicon), che impiega un contatto a barriera impiantato che forma una giunzione precisa, sottile e brusca per una buona risoluzione delle particelle cariche. Il secondo tipo è il rivelatore al silicio con deriva al litio per rispondere alla necessità di una migliore efficienza di rilevazione per le particelle cariche ad alta energia. In entrambi i casi, i rivelatori hanno una struttura P-I-N in cui una regione di deplezione si forma applicando una polarizzazione inversa, con il campo elettrico risultante che raccoglie le coppie di elettroni-hole prodotte da una particella carica incidente. La resistività del silicio deve essere abbastanza alta da permettere una regione di deplezione abbastanza grande a tensioni di polarizzazione moderate.

Alla giunzione di contatto della barriera impiantata c’è una repulsione dei portatori di maggioranza (elettroni nel tipo n e buchi nel tipo p) in modo che esista una regione impoverita. Una polarizzazione inversa applicata allarga questa regione impoverita che è il volume sensibile del rivelatore, e può essere estesa fino al limite della tensione di rottura. I rivelatori PIPS sono generalmente disponibili con profondità di esaurimento da 100 a 1000 µm.

Questi rivelatori possono essere utilizzati con il preamplificatore Modello 2003BT. Sono anche compatibili con gli spettrometri Alpha Analyst™ o Modello 7401 Alpha per dimensioni fino a 1200 mm2.

I rivelatori sono specificati in termini di area superficiale e risoluzione delle particelle alfa o beta, nonché di profondità di deplezione. La risoluzione dipende in gran parte dalle dimensioni del rivelatore, essendo migliore per i rivelatori di piccola superficie. Una risoluzione alfa da 12 a 35 keV e una risoluzione beta da 6 a 30 keV sono tipiche. Aree da 25 a 5000 mm2 sono disponibili come standard, con rivelatori più grandi disponibili in varie geometrie per applicazioni personalizzate. Inoltre, i rivelatori PIPS sono disponibili completamente esauriti, in modo che una misura di perdita di energia dE/dx possa essere fatta impilando i rivelatori sull’asse. I rivelatori per questa applicazione sono forniti in un montaggio a trasmissione, (cioè con il connettore di bias sul lato del rivelatore).

Con spessori standard da 2 a 5 mm e su richiesta fino a 10 mm, questi cosiddetti rivelatori Si(Li) hanno un potere di arresto migliore dei rivelatori PIPS, rispondendo alla necessità di una migliore efficienza di rivelazione per le particelle cariche ad alta energia. I rivelatori Si(Li) sono disponibili in geometria circolare tra 200 e 500 mm2 e in forme rettangolari, con una risoluzione a partire da 30 keV a seconda delle dimensioni. Questi rivelatori sono anche disponibili in montaggio a trasmissione.

Nel caso in cui sia necessaria la localizzazione di particelle cariche, Mirion può offrire rivelatori Si(Li) segmentati (vedi informazioni per i rivelatori tipo LTS Si(Li)). I rivelatori Si(Li) a temperatura ambiente hanno una grande corrente di perdita. Per polarizzare i rivelatori Si(Li), la caduta di tensione all’interno dei circuiti di polarizzazione deve essere minimizzata. In questo contesto, le resistenze all’interno del filtro HV o nella rete di accoppiamento AC dovrebbero essere mantenute al valore di 10 Mohms. Mirion raccomanda preamplificatori del tipo 2003BT o 2004, ma per i rivelatori Si(Li) le resistenze nel filtro HV e nella rete di accoppiamento AC dovrebbero essere abbassate da 100 Mohms a 10 Mohms per evitare una caduta di tensione eccessiva.

Rivelatori di silicio alla deriva del litio

Confronto tra PIPS e rivelatori di silicio alla deriva del litio

Rivelatori di particelle caricate con silicio

La tabella 1 mostra un grafico delle energie di varie particelle misurate a diverse profondità di esaurimento. Si noti che anche il rivelatore più sottile è adeguato per le particelle alfa da fonti radioattive, ma che solo gli elettroni di energia molto bassa sono completamente assorbiti. Tuttavia, per un rivelatore che visualizza una fonte di linee di elettroni, come le linee di elettroni di conversione, si osserveranno picchi acuti poiché alcune lunghezze del percorso degli elettroni si troveranno completamente nella regione impoverita. La figura 1 mostra le gamme di particelle che si verificano comunemente nelle reazioni nucleari.

Figura 1 – Curve gamma-energia nel silicio

Siccome la carica raccolta dalla ionizzazione delle particelle è così piccola che non è pratico usare gli impulsi risultanti senza amplificazione intermedia, un preamplificatore sensibile alla carica viene usato per preparare inizialmente il segnale.

La figura 2 illustra l’elettronica utilizzata in un’applicazione di spettroscopia alfa a ingresso singolo. Si noti che il campione e il rivelatore sono situati all’interno di una camera a vuoto in modo che la perdita di energia nell’aria non sia coinvolta.

Figura 2 – Catena elettronica usata nella spettrometria alfa

La gamma di energia dei diversi rivelatori di particelle cariche al silicio è mostrata nella Figura 3, Figura 4 e Figura 5 per misure di energia. La gamma di energia si estenderà con i supporti di trasmissione (serie FD per PIPS e serie LTC/LTR per Si(Li)) poiché i rivelatori possono essere impilati e utilizzati nell’identificazione delle particelle, nei telescopi dei rivelatori e in altre misure dE/dx.

Figura 3 – Gamma di energia dei diversi modelli di rivelatori per una collezione completa di cariche di elettroni

Figura 4 – Gamma di energia dei diversi modelli di rivelatori per una collezione completa di cariche di protoni

Figura 5 – Gamma di energia dei diversi modelli di rivelatori per una collezione completa di cariche di alfa

Effetti di canalizzazione, in cui gli ioni energetici entrano nel rivelatore con certe angolazioni, causano la canalizzazione degli ioni tra i piani del cristallo. Questo effetto può causare una variazione significativa delle gamme presentate.

Appendice 1 – Gamme di energia per elettroni, protoni e alfa

Figura 6 – Gamma di energia per elettroni nel silicio

Figura 7 – Gamma di energia per protoni nel silicio

Figura 8 – Gamma di energia per gli alfa nel silicio

Appendice 2 – Perdita di energia di diverse particelle cariche nel silicio

Figura 9 – Perdita di energia dell’elettrone nel silicio

Figura 10 – Perdita di energia dei protoni nel silicio

Figura 11 – Perdita di energia dell’alfa nel silicio

Figura 12 – Perdita di energia delle diverse particelle cariche nel silicio