тел: (495) 600-40-84

Принцип работы детектора с PIN диодом

На схеме ниже (рис.1) показана принципиальная схема конструкции детектора рентгеновского излучения Moxtek. 

XPIN detector.JPG

Рис.1 Конструкция детектора рентгеновского излучения Moxtek.

Детекторы Moxtek оснащены многослойным коллиматором, который служит для поглощения нежелательных переизлучённых квантов от корпуса и оправы (в случае попадания в указанные области первичного кванта от образца) и другого рассеянного излучения. Нижние слои коллиматора состоят из «тяжёлых» элементов, таких как вольфрам, верхнии – из «легких», к примеру – алюминий. Такая конструкция позволяет минимизировать вероятность прохожения переизлучённого кванта с высокой энергией и повышает качество получаемого спектра.

Для того, чтобы детектор работал и имел хорошее энергетическое разрешение, кремниевый кристалл должен иметь большое сопротивление, т.е. концентрация свободных носителей заряда в нём должна быть минимально возможной, в противном случае становится невозможным отличить полезный сигнал (носители, образованные рентгеновским фотоном) от шума (собственные носители в п/п) при приложении высокого напряжения между обкладками кристалла. Для увеличения сопротивления необходимо:

· охлаждать детектор (при этом концентрация электронов в зоне проводимости уменьшается) Детекторы Moxtek охлаждаются до -70 °С с помощью элементов Пельтье.

· удалить или скомпенсировать влияние примесей. Очистка от примесей связана с большими техническими трудностями, поэтому компенсируют примесную проводимость путём введения другой примеси с противоположной проводимостью. Таким образом создают скомпенсированный полупроводник, который имеет сопротивление, близкое к сопротивлению чистого п/п.

При прохождении рентгеновского кванта в активной (i) области образуются ЭДП, при приложении напряжения электроны и дырки перемещаются к электродам и во внешней цепи возникает импульс (рис.2). Заряд, собранный на электродах, пропорционален энергии кванта. Главное условие правильной работы детектора в том, чтобы фотон поглощался в активном слое полностью (отсюда ограничение «сверху» в 30 кэВ по диапазону энергий). Это означает, что при увеличении толщины активного слоя возрастает вероятность зарегистрировать фотон с высокой энергией. У детекторов Moxtek толщина активного слоя 625 мкм, у аналогов, к примеру Amptek – 400 или 523 мкм. Однако чем больше толщина слоя, тем хуже временное разрешение детектора и тем медленнее происходит охлаждение. Каждый фотон имеет свою энергию, соответственно на выходе усилителя получают различные токи. Быстрое время образования ЭДП и дрейфа электронов и дырок к электродам (порядка 10 нсек) обеспечивает высокое временное разрешение, таким образом можно зарегистрировать несколько квантов с различными энергиями. После детектора импульсы сортируются по энергиям в процессоре спектрометрических импульсов.

XPIN detector working principle.JPG

Рис.2 Принципиальная схема работы PIN детектора.

Среди полупроводниковых детекторов большое распространение получили детекторы с PIN диодом (выпускаются Moxtek) и SSD чипом (выпускаются Amptek, Ketek, PN Detector). SSD детекторы обладают лучшим разрешением, большей скоростью счёта, большим соотношением сигнал/шум (≈9000/1). Недостатком SSD детекторов является высокая стоимость. SSD детекторы применяют для анализа как лёгких, так и тяжёлых элементов. PIN детекторы, обладают меньшей стоимостью, но достаточно хорошими характеристиками для многих задач. Их используют для сортировки металла, обнаружения тяжёлых металлов (свинца) в продуктах питания, детских игрушках и т.д.

Детекторы Moxtek с PIN диодом способны зарегистрировать фотоны с энергиями до 35 кэВ. Энергия фотона более 50 кэВ может вывести детектор из строя. Нижняя граница по энергии соответствует пропусканию 25 мкм бериллиевого окна (≈1000 эВ). Есть возможность установить в детектор окно с толщиной 8 мкм, тогда нижняя граница сдвинется до 500 эВ.

Максимальная скорость счёта детектора с площадью рабочей поверхности 6 мм2 составляет 30000 имп./с, для 13 мм2 - 50000 имп./с.

В основном, детекторы используют с параметром shaping time в диапазоне от 4 до 8 мс. Этот диапазон обеспечивает оптимальную скорость счёта и разрешение.

Изготовление детектора с окном AP3 трудозатратно. Одной из причин является то, что полимер (основная составляющая окон AP3/AP5) разрушается при припаивании контактной части к корпусу детектора из-за нагрева (макс. рабочая температура окон AP3/AP5 70°C), следовательно нужно дополнительно охлаждать детектор в процессе производства, что ведёт к дополнительным затратам и к значительному удорожанию итоговой стоимости устройства.

Важное замечание

При работе с детектором серии XT (OEM исполнение) необходимо использовать средства защиты от статического напряжения. Электроника XT детектора очень чувствительна к статике и может быть легко повреждена, что не является гарантийным случаем.

Для обработки сигнала с детектора в Moxtek разработали процессор спектрометрических импульсов MX-DPP (digital pulse processor). MX-DPP позволяет отфильтровать нежелательные сигналы в спектре и передать инф. на ПК (USB). Для DPP поставляется ПО, позволяющее получить готовый спектр и провести количественный анализ элементов. С более подробной информацией о данном устройстве Вы можете ознакомиться по следующей ссылке.