Гуров Телескопические полупроводниковые детекторы 2012

ределяемой с помощью генератора импульсов точной амплитуды (ГИТА) и по значениям энергии α-частиц на входе детектора. Преимуществом этого способа является возможность совмещения в одном измерении процессов градуировки и определения поправки на потери энергии во входном окне.

Рассмотрим влияние потерь энергии в переднем «мертвом» слое детектора на калибровку спектрометрического канала. На рис. 3.1 показаны калибровочные прямые, проведенные по двум α- пикам, положение которых определено с учетом (прямая 1) и без учета (прямая 2) потерь энергии во входном окне детектора. Прямая 2, из-за нелинейного характера зависимости ионизационных потерь в «мертвом» слое, не отражает реальной связи между входной энергией α-частицы и откликом СК, и поэтому не пересекает ось энергий в нуле. Используя величину этого отклонение можно определить толщину переднего «мертвого» слоя для данного типа ионизирующих частиц.

Рис. 3.1. Калибровочные прямые, построенные с учетом (прямая 1) и без учета (прямая 2) энергопотерь во входном окне детектора

Если удельная ионизация dE/dx постоянна, а потери энергии δЕ во входном окне малы, можно записать

61

где Wэф − эффективная толщина входного окна.

Условие пропорциональности между энергией, выделенной в чувствительной области детектора, Еiчо , и номером канала ампли- тудно-цифрового преобразователя определяется равенством

где Bα, кэВ/канал – цена деления шкалы СК; Ni – положение пика, соответствующее Еi – входной энергии α-частицы.

Пользуясь соотношениями (3.1) и (3.2), получим:

Из выражения (3.3) следует, что ошибка в определении Wэф зависит от погрешности величины N0, и ее значение уменьшается при увеличении отношения Е2/Е1 .

3.1.2. Экспериментальная проверка методики калибровки

Проверка методики калибровки с помощью α-источников проводилась на спектрометре, который состоял из двух ППДтелескопов. Каждый телескоп комплектовался двумя поверхност- но-барьерными (Si(Au))-детекторами с толщинами 100 и 450 мкм и 14 литий-дрейфовыми (Si(Li))-ППД с толщиной 3 мм.

Для определения потерь энергии во входном окне ППД необходимо обеспечить высокую точность измерения линейности и стабильности спектрометрических каналов. С этой целью обычно используют ГИТА. Импульсы амплитудой Uг подают на вход предварительного усилителя через дозирующую емкость Сд. На входе

62

Для нашего случая диаметр и длина коллиматора, которые рассчитывались с учетом угла φмакс и интенсивности источников 226Ra, составили соответственно 5 и 9 мм.

Определение потерь энергии в выходном окне источников 226Ra (рис. 3.2) и переднем «мертвом» слое Si(Li)-детекторов осуществлялось с использованием Si(Au)-детектора, сравнительной калибровки по α-источнику 238Pu (Е = 5499,2 кэВ) и метода экстраполяции к нулю энергий. В измерениях использовались Si(Au)- ППД с высоким энергетическим разрешением (рис. 3.3), и специально изготовленный источник 238Pu, для которого собственная ширина линии на полувысоте составляла 2 кэВ.

Рис. 3.2. Спектр α-источника226Ra, измеренный с помощью Si(Au)-ППД с высоким энергетическим разрешением

Следует также отметить, что для источников 238Pu из комплекта ОСАИ потери энергии в выходном окне, которые определялись из измерений под разными углами расположения источника и детектора, составили (5±3) кэВ. Полученное значение также указывает на возможность использования стандартных источников 238Pu.

64

где E1 = 4784,5 кэВ, Е2 = 7687,1 кэВ, Вα = 3 кэВ/канал.

Таблица 3.1. Энергии α-частиц 226Ra, определенные с помощью

Si(Au)-детектора для различных источников ОСАИ

№Энергии α-частиц 226Ra, кэВ

Отметим, что выражения (3.3) и (3.10) можно упростить, используя расчетные коэффициенты, представленные в табл. 3.2,

В проведении расчетов вещество суммарного нечувствительного слоя считалось однородным. Значения удельных ионизационных потерь были взяты для вещества, состоящего из 226Ra. Следует

отметить, что в выражение (3.9) входит отношение дифференциальных потерь для двух энергий. При переходе от 226Ra к 28Si это

отношение меняется незначительно от 1,24 до 1,36. Поэтому слож-

66

ный состав суммарного «мертвого» слоя не должен приводить к существенным погрешностям.

Преимуществом представленного метода является его слабая чувствительность к абсолютной привязке энергетической шкалы, что следует из выражения (3.3). Результат калибровки источника 226Ra по источнику 238Pu можно записать:

где ЕPuчо – энергия α-частиц 238Pu, потерянная в чувствительном объ-

еме ППД; K1 и K2 – коэффициенты, полученные при калибровке. Тогда выражение (3.3) можно преобразовать к виду

Отсюда видно, что от регистрируемой энергии Е зависят только Вα и dE/dx. Так как потери в нашем случае не превышают 1 % от полной энергии, то и погрешность за счет отклонения энергии реперной линии от его истинного значения не превысит этой величины.

Полученные результаты указывают на то, что погрешность разработанной методики в диапазоне энергий α-частиц 226Ra не хуже 5 кэВ. Следовательно, неопределенность калибровки Si(Li)- ППД, регистрирующих энергосбросы 50 МэВ от заряженных частиц, не превысит 50 кэВ.

Калибровка Si(Li)-детекторов полупроводникового спектрометра проводилась в две стадии: калибровка ГИТА для каждого электронного канала на шкале 3 кэВ/канал и последующая перекалибровка СК на 20 кэВ/канал. В амплитуду ГИТА вводилась поправка на потери энергии во входном окне детекторов. В расчетах использовались значения энергий из табл. 3.1. Сбросы во входном окне, которые вычислялись по формуле (3.10) для энергии 5,5 МэВ, представлены в табл. 3.3.

В табл. 3.3 представлены результаты трех методических измерений для шести Si(Li)-ППД. Первые две серии измерений δE1 и δE2 отстоят друг от друга на полгода, третья калибровка δE3 была проведена через два месяца после второй. Видно, что «мертвый» слой кремния для Si(Li)-детекторов изменяется с течением време-

67

ни. Дополнительно в табл. 3.3 приведены значения потерь энергии для третьей серии измерений, которые фитировались по набору четырех линий 226Ra (δE3 фит). Небольшие расхождения относительно исходных значений объясняются нелинейностью спектрометрического канала, которая не учитывалась при обработке данных по двум α-пикам. Погрешность величин, представленных в табл.3.3, не превышает 1 кэВ.

Таблица 3.3. Потери энергии во входных окнах Si(Li)-ППД, измеренные по методике экстраполяции к нулю энергии

№Потери энергии, кэВ

Таким образом, показано, что разработанный метод калибровки полупроводниковых телескопов обладает технической простатой, оперативностью и независимостью от временной нестабильности толщины входного окна детектора.

3.2. Определение толщины структурных слоев детекторов

При выполнении физических измерений наряду с такими параметрами полупроводниковых детекторов, как энергетическое разрешение и рабочее напряжение, необходимо знать полную толщину (W) и толщину чувствительной области детектора (Wчо). Это особенно важно в случае использования ППД в многослойных телескопах для регистрации длиннопробежных заряженных частиц. В этих устройствах регистрируемая частица проходит несколько детекторов. Для восстановления ее начальной энергии необходимо знать толщины нечувствительных областей («мертвых» слоев) wмс. Значения толщин чувствительных и нечувствительных слоев необходимы

68

также для идентификации частиц и для интерпретации результатов измерений, в которых происходит нарушение ионизационной зависимости потерь энергии (например, в случае ядерных реакций в веществе ППД) или выход частиц из чувствительного объема телескопа. Поэтому необходимость в определении геометрических параметров структурных слоев телескопических детекторов достаточно прозрачна.

Многокристальные полупроводниковые установки комплектуются различными типами детекторов из кремния и сверхчистого германия (HPGe), которые изготавливаются с использованием как традиционных, так и усовершенствованных технологий. В качестве первых детекторов телескопических систем, которые служат для снижения порога регистрации, идентификации и спектрометрии частиц, используются поверхностно-барьерные детекторы (Si(Au)) толщиной 10−600 мкм. Кроме того, Si(Au)-детекторы наиболее эффективны для регистрации и спектрометрии заряженных пионов. Основными спектрометрическими элементами ППД-телескопов являются кремниевые литий-дрейфовые детекторы (Si(Li)) и HPGeдетекторы с полной толщиной W = 1,5−7 мм и 5−10 мм соответственно. В зависимости от способов изготовления толщина «мертвых» слоев Si(Li)-детекторов может составлять 300−500 мкм и 20−40 мкм, а для HPGe-детекторов 400−1000 мкм и 0,1 мкм.

В настоящее время известны способы определения геометрических параметров ППД с использованием измерений электрической емкости, с помощью пучков частиц или излучения радиоактивных источников. Определение емкости ППД дает, как правило, неудовлетворительною точность, поэтому обсуждаемые двлее измерения были выполнены в пучках ускоренных частиц и с применением радиоактивных источников. При этом мы пытались избавиться от некоторых недостатков известных способов:

1)необходимости работы на пучках частиц с хорошим разрешениемиабсолютнойэнергетической калибровкой;

2)необходимости наличия прецизионного спектрометрическоготрактасхорошоизвестнойэнергетическойшкалой;

3)необходимости использования расчетных зависимостей энергетических потерь.

69

Ошибки в определении этих величин и зависимостей непосредственно связаны с ошибками измерения геометрических параметров ППД и требуют тщательной проверки, что часто является весьма сложной самостоятельной задачей.

Следует отметить, что на начальном этапе использования кремниевых телескопов для измерения геометрических параметров детекторов использовался пучок протонов. Однако необходимость длительных измерений ограничивает возможность применения такого подхода. Поэтому для оперативного контроля структурных слоев кремниевых и германиевых детекторов стала использоваться методика с применением радиоактивных источников электронов, γ- квантов и α-частиц.

3.2.1. Измерение геометрических параметров детекторов на пучках частиц

Схема измерений для определения толщин Si-детекторов с помощью пучка протонов представлена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схемаэксперимента дляопределениягеометрических размеровSi-детекторов

в пучке протонов

Коллиматоры К1 и К2 выделяют пучок протонов диаметром немного меньше диаметров чувствительных областей детекторов Д1 и Д2. Диаметр чувствительной области детектора Д3 был больше, чем у Д1 и Д2. Измерения выполнялись на пучке с достаточно большим энергетическим разбросом со средним импульсом 150 МэВ/с и разрешением 10 % (мезонный тракт синхроциклотрона ЛЯП ОИЯИ). Для такого пучка разброс пробегов протонов в кремнии составляет ~6 мм. Детектор Д2 выбирается достаточно тонким, его толщина должна быть много меньше разброса пробега протонов (использо-

70