книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

чаев только рентгеновских квантов, генерируемых в веществе при помощи мощной рентгеновской трубки и образующей поток излучения необходимой плотности. Именно таким способом в. настоящее время измерены длины волн (а соответственно и энергии) характеристического излучения практически всех хи­ мических элементов с погрешностью не хуже 10~3%. Эти зна­ чения приведены в табл. 6.2.

Некоторые радиоизотопные источники в результате распада излучают у-кванты малой энергии, их также можно использо­ вать для градуировки шкалы спектрометра рентгеновского из­ лучения с ППД. Энергию квантов радиоизотопных источниковопределяют обычно на этом спектрометре, проградуировав его предварительно при помощи характеристических рентгеновских квантов элементов, энергии которых известны с хорошей точ­ ностью. При этом, естественно, принимают все меры, чтобы сам

Стандартный способ определения энергии мягкого у-излуче- ния заключается в одновременной регистрации на спектромет­ ре с ППД наряду с исследуемым излучением еще двух линий у- или рентгеновского излучения с хорошо известными энер­ гиями, расположенных по обе стороны искомого излучения.

Чем ближе значения этих энергий к определяемой (с уче­ том, конечно, величины энергетического разрешения спектро­ метра), тем с меньшей погрешностью может быть выполнено’ измерение. В большинстве случаев линейная экстраполяция обеспечивает необходимую точность.

В приводимой ниже табл. 6.3 указаны характеристики источников мягкого у- и рентгеновского излучений, широко ис­ пользуемые для калибровки спектрометров рентгеновского из­ лучения с ППД.

Линейность. Точность измерения энергии спектрометром рентгеновского излучения с ППД во многом определяется сте­ пенью линейности коэффициента преобразования энергия — заряд в материале детектора. Проведенные в данном направ­ лении работы показали, что эта величина характеризуется вы­ сокой линейностью во всем диапазоне рентгеновского и мягкого у-излучения с энергией выше 10 кэВ, отклонения от линейногозакона не превышают ±100 эВ [3].

Ниже энергии 10 кэВ эти отклонения имеют большую вели­ чину, однако по имеющимся данным это обусловлено не фун­ даментальными свойствами и особенностями материалов ППД, а, по-видимому, потерей энергии в мертвом слое детектора или выходом ее части за поверхность ППД.

В табл. 6.4 [3] приведено отклонение от линейного закона коэффициента преобразования для германиевого ППД в диа­ пазоне 6— 122 кэВ.

270

Т а б л и ц а 6.3

Время нарастания импульса. При прочих равных условиях время нарастания импульса в ППД рентгеновского излучения короче этого времени в ППД у-излучения из-за меньшей тол­ щины обедненной области. Для детектора с толщиной 3—5 мм при температуре жидкого азота и электрическом поле, обеспе­ чивающем насыщение дрейфовой скорости носителей заряда, теоретическое значение времени нарастания составляет 15—

274

20 нс. На практике в зависимости от качества материала ППД. зто значение в 2—3 раза больше. Уменьшая толщину чувстви­ тельной области ППД, можно получить детектор с временем нарастания выходного импульса в несколько наносекунд. По­ этому детекторы мягкого у- и рентгеновского излучений могут с успехом использоваться в схемах совпадения с высоким вре­ менным разрешением. К сожалению, существующие способы усиления и формирования импульсов с ППД, как было пока­ зано выше, не позволяют полностью использовать малое время нарастания импульса для построения спектрометров с очень высокими скоростями набора информации.

§ 6.2. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФОРМУ АППАРАТУРНОЙ КРИВОЙ

Важность такой измерительной характеристики, как энерге­ тическое разрешение, для любого спектрометрического детек­ тора и ППД рентгеновского излучения объясняется, во-первых, необходимостью измерения энергии исследуемого излучения с возможно более высокой точностью и, во-вторых, желанием выделить без искажения в спектре излучения наибольшее число моноэнергетических линий для определения их интенсивностей. Первое обстоятельство наиболее существенно при регистрации жесткого у-излученпя, ибо абсолютное энергетическое разре­ шение ППД в этой области в подавляющем большинстве слу­ чаев оказывается значительно меньше расстояния между у-лнниями.

В области энергий мягкого у- и рентгеновского излучений наблюдается иная картина. «Чистых» у-линий в данном энер­ гетическом диапазоне ввиду его малой ширины относительно немного. В то же время на этот участок энергий приходятся характеристические линии всех элементов периодической си­ стемы, причем число только основных К- и L-линий химических элементов составляет около 103. Характеристические линии ря­ дом расположенных элементов часто отличаются по энергии лишь на десятки электронвольт. Поскольку эти линии и их энергии в настоящее время хорошо известны из измерений на кристалл-дифракцнонных спектрометрах, роль энергетического разрешения в большинстве задач сводится к раздельной реги­ страции известных линий для обнаружения того пли иного эле­ мента или измерения интенсивности его излучения.

Энергетическое разрешение спектрометров рентгеновского излучения ППД принято характеризовать полной шириной пи­ ка полного поглощения (который в данном случае на 95—99% образован за счет фотоэффекта) на половине его высоты ДЕ, выраженной в килоэлектронвольтах пли в электронвольтах. Такое представление особенно наглядно и полезно при решении задачи о возможности регистрации линий с известной энергией. Для сравнения с другими типами детекторов относительное

275

энергетическое разрешение можно получить, разделив ДЕ на энергию излучения.

Как указывалось выше, полное энергетическое разрешение ППД определяется рядом физических процессов и явлений, наиболее существенными из которых оказываются статистиче­ ские флуктуации сбора образовавшихся носителей Д Д Ст, элек­ тронные шумы ППД и головного каскада усилителя Д Д Эл и влияние неполного и неоднородного сбора носителей по объему ППД ДДсгД

Д Е 2 = Д £ с т - г Д Е Д - г Д Е ё б ,

причем Д£^т = 5,52 еДЕ, а е — энергия образования пары носи­

телей.

Статистические флуктуации образовавшихся носителей обу­ словливают предельное энергетическое разрешение спектро­ метра рентгеновского излучения с ППД. Его наименьшее зна­ чение определяется величиной фактора Фано, составляющего на основании современных экспериментальных данных около 0,06—0,07 как для кремния, так и для германия. Подсчитанное с учетом этих значений фактора Фано предельное энергетиче­ ское разрешение для энергий в диапазоне 100 э В — 100 кэВ приведено в табл. 6.5.

Указанные значения — верхний предел, и при более точном измерении фактора Фано их можно несколько уменьшить.

Основное препятствие в достижении предельного энергети­ ческого разрешения рентгеновского спектрометра с ППД — шу­ мы, величина которых определяется рядом характеристик как самого ППД, так и головного каскада предусилителя и основ­ ного усилителя.

Полное значение этого шума в энергетических единицах (ширина пика на половине его высоты) можно представить в виде [10]

276

крутизна вольт-амперной характеристики полевого транзистора; C g—-емкость ППД; СП.т — входная емкость полевого транзи­ стора; Cf — емкость обратной связи; Rf — сопротивление рези­ стора утечки; Ig —- обратный ток и ток утечки ППД; /п. т — ток исток — затвор полевого транзистора.

Первое слагаемое в фигурных скобках обусловлено так называемым последовательным шумом, зависящим от полной входной емкости головного каскада, крутизны полевого тран­ зистора и времени формирования. Второе слагаемое, являю­ щееся следствием параллельного шума, определяется обратны­ ми токами детектора и полевого транзистора, а также сопро­ тивлением резистора утечки. Отметим, что изменение постоян­ ной времени формирования основного усилителя приводит к противоположному изменению значений последовательного и параллельного шумов. Приведенное уравнение позволяет рас­ считать в зависимости от конкретных параметров системы Топт, при котором вклад Д£эл минимален:

R , ' 2кТ ( /« '+ / п -т)

На рис. 6.4 представлены кривые зависимости ДДЭл от по­ стоянной времени формирования основного усилителя при раз­

277

Этот случай наиболее типичен для современных спектромет­ ров рентгеновского излучения с ППД, имеющих высокое энер­ гетическое разрешение. Применяемые в них детекторы и поле­ вые транзисторы имеют малые токи при рабочих температу­ рах, что обеспечивает им низкое значение параллельного шума. В то же время из-за конечных значений емкостей самого ППД и особенно полевого транзистора последовательный шум не мо­

жет быть снижен в той же

рентгеновского излучения с ППД от величины загрузки при по­ стоянной времени формирования 10 и 18 мкс.

Наряду с шумами указанных типов при плохом качестве комплектующих изделий увеличение AEa.-i могут вызвать также шумы типа 1//, возникающие в результате больших электриче­ ских потерь, резкой зависимости величины активного сопро­ тивления нагрузки от частоты и т. п. Вклад шумов этого типа не зависит от постоянной времени формирования.

Перечислим основные требования, которые необходимо учи­ тывать при разработке спектрометра рентгеновского излучения

сППД для снижения вклада электрических шумов:

1.Низкая температура ППД и оптимальная температура: полевого транзистора. При этом снижается обратный ток ППД,

акрутизна вольт-амперной характеристики полевого транзисто­ ра достигает наибольшего значения. Расположение полевого-

транзистора в непосредственной близости к ППД снижает об­ щую входную емкость.

2.Применение высокоомного резистора обратной связи с минимально возможной зависимостью его сопротивления от ча­ стоты в диапазоне 1— 100 кГц.

3.Использование ППД и полевых транзисторов с мини­ мальными емкостью и обратным током и током исток — затвор.

Оценим вклад отдельных составляющих АЕ0Л, входящих в. уравнение (6.1).

278

Вклад в энергетических единицах резистора утечки при тем­ пературе 273 и 100 К (здесь и далее по кремнию) приведен в табл. 6.6 (при Тф = 5 мкс).

Т а б л и ц а 6.6

Энергетический эквивалент шумов резистора утечки

Из приведенных данных видно преимущество охлаждения резистора. Для спектрометров с высоким разрешением его ве­ личина должна быть не меиее 1010 Ом. Заметим, что вклад ре­ зистора практически несколько выше расчетного значения из-за шумов поверхностного слоя, нерегулярной структуры омическо­

Наряду с обратным током в создании шума и ухудшении разрешения участвуют и поверхностные токи утечки. Данные таблицы говорят о том, что общий ток, обусловленный внут­ ренней структурой ППД, чистотой и обработкой поверхности, а также током исток — затвор полевого транзистора, в хороших спектрометрах должен составлять единицы или доли наноампер.

Вклад в общее энергетическое разрешение, связанный с суммарной входной емкостью, зависит от крутизны вольт-ампер- ной характеристики полевого транзистора. Чем выше эта вели­ чина, тем меньше шум, вносимый данной емкостью. В табл. 6.8

279