Detektering av laddade partiklar

Välj den bästa detektorn för laddade partiklar för din tillämpning

PIPS®-detektorer (Passivated Implanted Planar Silicon)

Mirion erbjuder två typer av detektorer för laddade partiklar i kisel för att täcka ett stort antal tillämpningar. Den första typen är PIPS-detektorn (Passivated Implanted Planar Silicon), som använder en implanterad barriärkontakt som bildar en exakt, tunn, abrupt övergång för god upplösning av laddade partiklar. Den andra typen är en kiseldetektor med litiumdrift för att tillgodose behovet av bättre detektionseffektivitet för laddade partiklar med hög energi. I båda fallen har detektorerna en P-I-N-struktur där ett utarmningsområde bildas genom att tillämpa omvänd förspänning, med det resulterande elektriska fältet som samlar in de elektron-hål-par som produceras av en infallande laddad partikel. Kiselets resistivitet måste vara tillräckligt hög för att möjliggöra ett tillräckligt stort utarmningsområde vid måttliga förspänningsspänningar.

I den implanterade barriärkontaktövergången sker en avstötning av majoritetsbärare (elektroner i n-typen och hål i p-typen) så att ett utarmat område existerar. En tillämpad omvänd förspänning vidgar detta utarmade område, som är den känsliga detektorvolymen, och kan förlängas till gränsen för genombrottsspänningen. PIPS-detektorer finns i allmänhet tillgängliga med utarmningsdjup på 100 till 1000 µm.

Dessa detektorer kan användas med förförstärkaren modell 2003BT. De är också kompatibla med Alpha Analyst™ eller Alpha-spektrometrar av modell 7401 för storlekar upp till 1200 mm2.

Detektorerna specificeras med avseende på yta och alfa- eller betapartikelupplösning samt utarmningsdjup. Upplösningen beror till stor del på detektorns storlek och är bäst för detektorer med liten yta. Alfaupplösning på 12-35 keV och betaupplösning på 6-30 keV är typiska. Areor på 25-5000 mm2 är tillgängliga som standard, med större detektorer tillgängliga i olika geometrier för kundanpassade tillämpningar. Dessutom finns PIPS-detektorer som är helt tömda, så att en dE/dx-mätning av energiförlust kan göras genom att stapla detektorer på axeln. Detektorer för denna tillämpning levereras i ett transmissionsmontage (dvs. med förspänningskontakten på sidan av detektorn).

Med standardtjocklekar mellan 2 och 5 mm och på begäran upp till 10 mm har dessa s.k. Si(Li)-detektorer bättre stoppförmåga än PIPS-detektorer, vilket tillgodoser behovet av bättre detektionseffektivitet för laddade partiklar med hög energi. Si(Li)-detektorer finns i cirkulär geometri mellan 200 och 500 mm2 och i rektangulär form, med en upplösning från 30 keV beroende på storlek. Dessa detektorer finns också tillgängliga i transmissionsmontering.

Om någon lokalisering av laddade partiklar behövs kan Mirion erbjuda segmenterade Si(Li)-detektorer (se information om detektorer av typen LTS Si(Li)). Si(Li)-detektorer vid rumstemperatur har en stor läckström. För att polarisera Si(Li)-detektorerna bör spänningsfallet i förspänningskretsarna minimeras. Motstånden i HV-filtret eller i växelströmskopplingsnätverket bör därför hållas på 10 Mohm. Mirion rekommenderar förförstärkare av typen 2003BT eller 2004, men för Si(Li)-detektorer bör motstånden i HV-filtret och i växelströmskopplingsnätverket sänkas från 100 Mohm till 10 Mohm för att undvika alltför stora spänningsfall.

Litiumdriftsdetektorer av kisel

För jämförelse mellan PIPS och litiumdriftsdetektorer av kisel

SILICON CHARGED PARTICLE DETECTORS

Tabell 1 visar ett diagram över energin för olika partiklar som uppmätts vid olika utarmningsdjup. Observera att även den tunnaste detektorn är tillräcklig för alfapartiklar från radioaktiva källor, men att endast elektroner med mycket låg energi absorberas fullt ut. För en detektor som tittar på en källa till elektronlinjer, t.ex. omvandlingselektronlinjer, kommer dock skarpa toppar att observeras eftersom vissa elektronbanelängder kommer att ligga helt och hållet i det utarmade området. Figur 1 visar intervall av partiklar som vanligen förekommer i kärnreaktioner.

Figur 1 – Range-Energy Curves in Silicon

Då den laddning som samlas in från partikeljoniseringen är så liten att det är opraktiskt att använda de resulterande pulserna utan mellanliggande förstärkning, används en laddningskänslig förförstärkare för att initialt förbereda signalen.

Figur 2 illustrerar den elektronik som används i en tillämpning för alfa-spektroskopi med en enda ingång. Observera att provet och detektorn är placerade i en vakuumkammare så att energiförlusten i luft inte spelar någon roll.

Figur 2 – Elektronikkedja som används vid alfaspektrometri

Energimängden för de olika detektorerna för laddade partiklar i kisel visas i figur 3, figur 4 och figur 5 för energimätningar. Energiområdet kommer att utvidgas med transmissionsfästen (FD-serien för PIPS och LTC/LTR-serien för Si(Li)) eftersom detektorerna kan staplas och användas för partikelidentifiering, detektorteleskop och andra dE/dx-mätningar.

Figur 3 – Energiområde för de olika detektormodellerna för en komplett laddningssamling av elektroner

Figur 4 – Energimängd för de olika detektormodellerna. Energiområde för de olika detektormodellerna för en komplett laddningssamling av protoner

Figur 5 – Energiområde för de olika detektormodellerna för en komplett laddningssamling av alfer

Kanaleringseffekter, där energirika joner kommer in i detektorn i vissa vinklar kommer att orsaka kanalisering av joner mellan kristallplanerna. Denna effekt kan orsaka betydande variationer i de presenterade områdena.