тел: (495) 600-40-84

Повышение производительности кремниевых детекторов с PIN диодом.

Для повышения производительности оборудования для задач РФА анализа требуется улучшение характеристик отдельных компонентов, в особенности детекторов рентгеновского излучения. Ниже приведена информация о новых разработках компании Moxtek, целью которых является улучшение рабочих характеристик кремниевых детекторов с PIN диодом.

Энергетическое разрешение детектора

На рис.1 показаны факторы, влияющие на разрешение детектора.

Рис.1.JPG

Рис.1 Зависимость разрешения (Total Resolution) детектора от времени нарастания импульса (Peaking time) или времени счёта (Count rate) с учётом влияния различных типов шумов.

Шумы возникают под влиянием множества факторов. 1/f шум (1/f noise) или фликкер-шум связан с неоднородностями в проводящей среде, генерацией и рекомбинацией носителей заряда в компонентах электронных устройств. Источником теплового шума (thermal noise) является беспорядочное тепловое движение электронов в проводнике, которое приводит к образованию случайной разности потенциалов на его концах. Дробовой шум (shot noise) вызван неравномерностью диффузии носителей тока в полупроводнике.

Из графика видно, что при малых временах нарастания импульса, дробовой шум незначительно влияет на разрешение детектора. Наибольшее влияние на разрешение оказывают термический и 1/f шум, которые, в свою очередь, зависят от ёмкости рабочей области диода. Поэтому уменьшение ёмкости значительно влияет на разрешение детектора.

Одним из способов уменьшения ёмкости диода является увеличение его толщины. К примеру, диод с толщиной 400 мкм имеет ёмкость 1.6 пФ, в то время как у диода с толщиной 625 мкм ёмкость составляет 1 пФ.

Однако при увеличении толщины диода возникают некоторые проблемы:

· Требуется повысить напряжение смещения или уменьшить концентрацию свободных носителей заряда (повысить сопротивление кремниевого полупроводника).

· Диод с увеличенной толщиной рабочей области имеет большие токи утечки, что нужно учитывать при производственном процессе.

В настоящее время Moxtek серийно выпускает кремниевый детектор с PIN диодом толщиной 625 мкм. Ведутся разработки детектора с толщиной диода 875 мкм, имеющего более высокое разрешение по сравнению с предшествующей моделью детектора с толщиной диода 400 мкм. Преимущество в разрешении наблюдается особенно заметно при малом времени нарастания импульса. На рис.2 можно видеть, что при фиксированном разрешении, скорость счёта у детекторов с увеличенной толщиной диода выше. Таким образом, с увеличением толщины диода производительность детекторов с PIN диодом с увеличенной толщиной активной области приближается к показателям SDD детекторов. Стоит принять во внимание, что PIN детекторы значительно дешевле, чем SDD детекторы. 

Рис.2.JPG

Рис.2 Зависимость разрешения SDD и PIN детекторов с различной толщиной диода от времени нарастания импульса.

Энергетический диапазон детектирования рентгеновских фотонов

Другим важным преимуществом PIN детекторов с более широкой толщиной активной области PIN диода является возможность детектировать фотоны с высокими энергиями, что является важным в случае анализа «тяжёлых» элементов. На рис.3 показаны кривые поглощения для детекторов с различными толщинами PIN-диодов. Стоит отметить, что при энергиях фотонов более 25 кэВ, эффективность поглощения для детектора с толщиной диода 625 мкм выше на 50% по сравнению с поглощением детектора с диодом с толщиной 400 мкм.

Рис.3.JPG

Рис.3 Зависимость степени поглощения фотонов от их энергии в случае с PIN детекторами с различной толщиной диода (400, 625 и 875 мкм). 

В случае, когда требуется анализ «лёгких» элементов, необходимо уменьшение толщины рентгеновского окна. Наименьшая толщина бериллиевого рентгеновкого окна серии DuraBeryllium, встраиваемого в детекторы Moxtek, составляет 8 мкм. Как видно из рис. 4, коэффициент пропускания рентгеновского окна с толщиной 8 мкм значительно превосходит соответствующий показатель для окон с толщинами 25 и 100 мкм в области энергий менее 10 кэВ.

Рис.4.JPG

Рис.4 Зависимость коэффициента пропускания от энергии фотона для бериллиевых рентгеновских окон с толщиной 8, 25 и 100 мкм. 

Выводы

Объединяя различные методы по улучшению производительности детекторов рентгеновского излучения с PIN-диодом, в Moxtek добились следующих результатов:

  • Сокращение времени измерения
  • Повышение разрешения
  • Расширение диапазона детектирования рентгеновских квантов

На рис.5 наглядно продемонстрировано различие в производительности детекторов с PIN-диодом с различным конструктивным исполнением.

Рис.5.JPG

Рис.5 Зависимость доли зарегистрированных рентгеновских квантов от энергии фотона для детекторов: с толщиной рентгеновского окна 8 мкм и толщиной диода 625 мкм; с толщиной рентгеновского окна 25 мкм и толщиной диода 400 мкм. На графике показаны соответствующие кривые для рентгеновского окна с толщиной 100 мкм и диода с толщиной 875 мкм.

В настоящее время в Moxtek выпускают детектор в стандартном исполнении с толщиной диода 625 мкм и толщиной бериллиевого окна 25 мкм (опционально толщину окна возможно уменьшить до 8 мкм). Детектор с толщиной диода 875 мкм находится в стадии разработки.