WYBIERZ NAJLEPSZY DETEKTOR CZĄSTEK NAŁADOWANYCH DO SWOJEGO ZASTOSOWANIA
Detektory PIPS® (Passivated Implanted Planar Silicon)
Mirion oferuje dwa typy krzemowych detektorów cząstek naładowanych, które pokrywają szeroki zakres zastosowań. Pierwszy typ to detektor PIPS (Passivated Implanted Planar Silicon), w którym zastosowano implantowany styk barierowy tworzący precyzyjne, cienkie, przerwane złącze zapewniające dobrą rozdzielczość cząstek naładowanych. Drugi typ to detektor krzemowy z przesunięciem litowym, który jest odpowiedzią na potrzebę uzyskania lepszej skuteczności wykrywania wysokoenergetycznych cząstek naładowanych. W obu przypadkach detektory mają strukturę P-I-N, w której obszar zubożony jest tworzony przez zastosowanie odwrotnego polaryzowania, a powstałe pole elektryczne zbiera pary elektron-dziura wytworzone przez padającą cząstkę naładowaną. Rezystywność krzemu musi być wystarczająco wysoka, aby umożliwić wystarczająco duży region zubożenia przy umiarkowanych napięciach bias.
Na implikowanej bariery styku skrzyżowanie jest odpychanie nośników większościowych (elektrony w n-typu i dziury w p-typu) tak, że zubożony region istnieje. Przyłożony wsteczny bias rozszerza ten zubożony obszar, który jest czułą objętością detektora i może być rozszerzony do granicy napięcia przebicia. Detektory PIPS są ogólnie dostępne z głębokością zubożenia od 100 do 1000 µm.
Te detektory mogą być używane z przedwzmacniaczem Model 2003BT. Są one również kompatybilne ze spektrometrami Alpha Analyst™ lub Model 7401 Alpha o rozmiarach do 1200 mm2.
Detektory są określone pod względem powierzchni i rozdzielczości cząstek alfa lub beta, jak również głębokości zubożenia. Rozdzielczość zależy w dużej mierze od wielkości detektora i jest najlepsza w przypadku detektorów o małej powierzchni. Rozdzielczość alfa wynosi od 12 do 35 keV, a rozdzielczość beta od 6 do 30 keV. Standardowo dostępne są detektory o powierzchni od 25 do 5000 mm2 , a w przypadku zastosowań niestandardowych dostępne są większe detektory o różnej geometrii. Ponadto detektory PIPS są dostępne w wersji całkowicie zubożonej, co umożliwia wykonywanie pomiarów strat energii dE/dx poprzez układanie detektorów na osi. Detektory do tego zastosowania są dostarczane w montażu transmisyjnym (tzn. ze złączem biasowym z boku detektora).
Detektory Si(Li) o standardowej grubości od 2 do 5 mm, a na życzenie nawet do 10 mm, charakteryzują się lepszą zdolnością zatrzymywania niż detektory PIPS, odpowiadając na zapotrzebowanie na lepszą skuteczność wykrywania wysokoenergetycznych cząstek naładowanych. Detektory Si(Li) są dostępne w geometrii okrągłej o powierzchni od 200 do 500 mm2 oraz w kształcie prostokątnym, z rozdzielczością od 30 keV w zależności od rozmiaru. Detektory te są również dostępne w wersji do montażu transmisyjnego.
W przypadku, gdy wymagana jest lokalizacja cząstek naładowanych, Mirion może zaoferować segmentowe detektory Si(Li) (patrz informacje dotyczące detektorów Si(Li) typu LTS). Detektory Si(Li) w temperaturze pokojowej charakteryzują się dużym prądem upływu. Aby spolaryzować detektory Si(Li) należy zminimalizować spadek napięcia w obwodach biasujących. W związku z tym rezystory w filtrze HV lub w sieci sprzęgającej AC powinny być utrzymywane na poziomie 10 Mohmów. Mirion zaleca przedwzmacniacze typu 2003BT lub 2004, ale dla detektorów Si(Li) rezystory w filtrze HV i w sieci sprzęgającej AC powinny być zmniejszone ze 100 Mohmów do 10 Mohmów, aby uniknąć nadmiernego spadku napięcia.
Detektory krzemowe z znoszeniem litu
Porównanie PIPS z detektorami krzemowymi z znoszeniem litu
Detektory cząstek naładowanych silikonem
W tabeli 1 przedstawiono wykres energii różnych cząstek zmierzonych przy kilku głębokościach zubożenia. Zauważmy, że nawet najcieńszy detektor jest odpowiedni dla cząstek alfa ze źródeł radioaktywnych, ale tylko elektrony o bardzo niskich energiach są w pełni absorbowane. Jednakże, dla detektora oglądającego źródło linii elektronowych, takich jak linie elektronów konwersji, ostre piki będą obserwowane, ponieważ niektóre długości ścieżek elektronów będą leżeć całkowicie w zubożonym regionie. Rysunek 1 przedstawia zakresy cząstek powszechnie występujących w reakcjach jądrowych.
Figure 1 – Range-Energy Curves in Silicon
Ponieważ ładunek zebrany w wyniku jonizacji cząstek jest tak mały, że niepraktyczne jest używanie impulsów wynikowych bez pośredniego wzmocnienia, do wstępnego przygotowania sygnału używany jest przedwzmacniacz czuły na ładunek.
Rysunek 2 ilustruje elektronikę używaną w aplikacji spektroskopii alfa z jednym wejściem. Należy zauważyć, że próbka i detektor są umieszczone wewnątrz komory próżniowej, więc straty energii w powietrzu nie są uwzględnione.
Rysunek 2 – Łańcuch elektroniczny stosowany w spektrometrii alfa
Zakres energii różnych krzemowych detektorów cząstek naładowanych jest przedstawiony na Rysunku 3, Rysunku 4 i Rysunku 5 dla pomiarów energii. Zakres energii rozszerzy się dzięki uchwytom transmisyjnym (seria FD dla PIPS i seria LTC/LTR dla Si(Li)), ponieważ detektory można układać jeden na drugim i używać w identyfikacji cząstek, teleskopach detektorów i w innych pomiarach dE/dx. Zakres energetyczny różnych modeli detektorów dla kompletnego zbioru ładunków protonów
Rysunek 5 – Zakres energetyczny różnych modeli detektorów dla kompletnego zbioru ładunków alf
Efekty kanałowe, gdzie energetyczne jony wchodzą do detektora pod pewnymi kątami powodują kanały jonów pomiędzy płaszczyznami kryształu. Efekt ten może powodować znaczne odchylenia prezentowanych zakresów.
Załącznik 1 – Zakresy energii dla elektronów, protonów i alfa
Rysunek 6 – Zakres energii dla elektronów w krzemie
Rysunek 7 – Zakres energii dla protonów w krzemie
Rysunek 8 – Zakres energii dla alfa w krzemie
Dodatek 2 – Straty energii różnych cząstek naładowanych w krzemie
Rysunek 9 – Straty energii elektronu w krzemie Strata energii elektronu w krzemie
Rysunek 10 – Strata energii protonów w krzemie
Rysunek 11 – Strata energii alfa w krzemie
Rysunek 12 – Strata energii różnych cząstek naładowanych w krzemie