Detectie van geladen deeltjes

SELECTEER DE BESTE CHARGED PARTICLE DETECTOR VOOR UW TOEPASSING

PIPS® (Passivated Implanted Planar Silicon)-detectoren

Mirion biedt twee typen detectoren voor geladen deeltjes in silicium voor een breed scala van toepassingen. Het eerste type is de PIPS-detector (Passivated Implanted Planar Silicon), die gebruik maakt van een geïmplanteerd barrièrecontact dat een nauwkeurige, dunne, abrupte junctie vormt voor een goede resolutie van geladen deeltjes. Het tweede type is de Lithium-drifted siliciumdetector om tegemoet te komen aan de behoefte aan een betere detectie-efficiëntie voor geladen deeltjes met een hoge energie. In beide gevallen hebben de detectoren een P-I-N structuur waarin een depletiegebied wordt gevormd door toepassing van een omgekeerde voorspanning, waarbij het resulterende elektrische veld de elektron-gatparen verzamelt die worden geproduceerd door een invallend geladen deeltje. Het weerstandsvermogen van het silicium moet hoog genoeg zijn om een voldoende groot depletiegebied mogelijk te maken bij gematigde voorspanningsspanningen.

Op de geïmplanteerde barrièrecontactverbinding is er een afstoting van meerderheidsdragers (elektronen in het n-type en gaten in het p-type), zodat er een verarmd gebied bestaat. Een toegepaste tegengestelde voorspanning verbreedt dit verarmde gebied, dat het gevoelige detectorvolume is, en kan worden uitgebreid tot de grens van de doorslagspanning. PIPS-detectoren zijn in het algemeen verkrijgbaar met depletiedieptes van 100 tot 1000 µm.

Deze detectoren kunnen worden gebruikt met de model 2003BT voorversterker. Zij zijn ook compatibel met de Alpha Analyst™ of Model 7401 alfaspectrometers voor afmetingen tot 1200 mm2.

Detectoren worden gespecificeerd in termen van oppervlakte en alfa- of betadeeltjesresolutie, alsmede depletiediepte. De resolutie hangt grotendeels af van de grootte van de detector en is het best voor detectoren met een klein oppervlak. Alfaresoluties van 12 tot 35 keV en bètaresoluties van 6 tot 30 keV zijn typisch. Standaard zijn oppervlakken van 25 tot 5000 mm2 beschikbaar, terwijl grotere detectoren in verschillende geometrieën beschikbaar zijn voor toepassingen op maat. Bovendien zijn PIPS-detectoren volledig gedepleteerd verkrijgbaar, zodat een dE/dx-energieverliesmeting kan worden uitgevoerd door detectoren op as te stapelen. Detectoren voor deze toepassing worden geleverd in een transmissiebevestiging, (d.w.z. met de bias-connector aan de zijkant van de detector).

Met standaarddiktes tussen 2 en 5 mm en op verzoek tot 10 mm hebben deze zogenaamde Si(Li)-detectoren een betere stopkracht dan PIPS-detectoren, waarmee wordt voorzien in de behoefte aan een betere detectie-efficiëntie voor hoogenergetisch geladen deeltjes. Si(Li)-detectoren zijn verkrijgbaar in cirkelvormige geometrie tussen 200 en 500 mm2 en in rechthoekige vormen, met een resolutie vanaf 30 keV, afhankelijk van de grootte. Deze detectoren zijn ook verkrijgbaar in transmissie mount.

In geval lokalisatie van geladen deeltjes nodig is kan Mirion gesegmenteerde Si(Li)’s aanbieden (zie informatie voor LTS Si(Li) type detectoren). Si(Li) detectoren bij kamertemperatuur hebben een grote lekstroom. Om de Si(Li) detectoren te polariseren moet de spanningsval binnen de biasing circuits worden geminimaliseerd. In dit kader moeten de weerstanden in het HV filter of in het AC koppelingsnetwerk op 10 Mohms waarde worden gehouden. Mirion beveelt voorversterkers van het type 2003BT of 2004 aan, maar voor Si(Li) detectoren moeten de weerstanden in het HV-filter en in het AC-koppelnetwerk worden verlaagd van 100 Mohms naar 10 Mohms om overmatige spanningsval te voorkomen.

Lithium-drifted siliciumdetectoren

Vergelijking van PIPS met Lithium-drifted siliciumdetectoren

SILICON CHARGED PARTICLE DETECTORS

Een grafiek van de energieën van verschillende deeltjes, gemeten bij verschillende depletiedieptes, is weergegeven in tabel 1. Merk op dat zelfs de dunste detector geschikt is voor alfadeeltjes van radioactieve bronnen, maar dat alleen elektronen met zeer lage energie volledig worden geabsorbeerd. Voor een detector die een bron van elektronenlijnen bekijkt, zoals conversie-elektronenlijnen, zullen echter scherpe pieken worden waargenomen, aangezien sommige elektronenbaanlengtes volledig in het verarmde gebied zullen liggen. Figuur 1 toont bereiken van deeltjes die gewoonlijk voorkomen in kernreacties.

Figuur 1 – Bereik-Energiekrommen in Silicium

Omdat de verzamelde lading van de deeltjesionisatie zo klein is dat het onpraktisch is om de resulterende pulsen zonder tussentijdse versterking te gebruiken, wordt een ladingsgevoelige voorversterker gebruikt om het signaal aanvankelijk voor te bereiden.

Figuur 2 illustreert de elektronica gebruikt in een single-input alfa spectroscopie toepassing. Merk op dat het monster en de detector zich in een vacuümkamer bevinden, zodat het energieverlies in de lucht geen rol speelt.

Figuur 2 – Elektronische keten gebruikt in alfa-spectrometrie

Het energiebereik van de verschillende detectoren voor geladen deeltjes in silicium wordt getoond in figuur 3, figuur 4 en figuur 5 voor energiemetingen. Het energiebereik zal worden uitgebreid met transmissiebevestigingen (FD-serie voor PIPS en LTC/LTR-serie voor Si(Li)), aangezien detectoren kunnen worden gestapeld en gebruikt in deeltjesidentificatie, detectortelescopen en in andere dE/dx-metingen. Energiebereik van de verschillende detectormodellen voor een volledige ladingsverzameling van protonen

Figuur 5 – Energiebereik van de verschillende detectormodellen voor een volledige ladingsverzameling van alfa’s

Channeling-effecten, waarbij energetische ionen onder bepaalde hoeken de detector binnendringen, veroorzaken kanalisatie van ionen tussen de kristalvlakken. Dit effect kan een aanzienlijke variatie van de gepresenteerde bereiken veroorzaken.