Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

ском диапазоне. К тому же бета-спектрометры с полупроводни­ ковыми детекторами характеризуются линейностью выходного сигнала в широком диапазоне энергий, малым временем нара­ стания импульсов, нечувствительностью в значительном диапа­ зоне к магнитным полям и возможностью использовать детек­ торы специальной структуры (мозаики, кольца и т. д.). Вслед­ ствие этого бета-спектрометры с полупроводниковыми детекто­ рами находят все более широкое применение как для изучения непрерывных p-спектров и спектров конверсионных электронов, так и при решении различных прикладных задач.

Регистрация и спектрометрия р-частнц и конверсионных электронов с помощью полупроводниковых детекторов имеют свои особенности. Они обусловлены тем, что электроны как лег-

кие элементарные частицы характеризуются относительно большой проникающей способностью. Это накладывает опре­ деленные требования на выбор типа детектора и условия его эксплуатации. В зависимости от энергии исследуемых спектро­ метром электронов используемый в нем полупроводниковый де­ тектор должен обладать такими свойствами и эксплуатиро­ ваться в таких условиях, которые обеспечили бы полное погло­ щение всей энергии электронов в чувствительном объеме детек­ тора. Так как используемые для регистрации и спектрометрии электронов полупроводниковые детекторы обычно изготавли­ вают из чистого материала (как правило, кремния), то, исходя из длины пробега электронов в кремнии, можно подобрать де­ тектор с необходимой толщиной чувствительной области для регистрации электронов данной энергии с учетом приложенного’ обратного напряжения.

В табл. 4.1 приведены удельные энергетические потери и пробеги для электронов и позитронов в кремнии в зависимости от их энергии [1]. Небольшая разница в приведенных значе­ ниях удельных энергетических потерь и пробегов для электро­ нов и позитронов обусловлена влиянием их собственного заря­ да на механизм взаимодействия с веществом. Однако ясно, что указанной разницей можно пренебрегать при оценке удельных энергетических потерь и пробегов электронов п позитронов в кремнии при помощи табл. 4.1 по той причине, что толщина чувствительной области детектора определяется с гораздо' большей погрешностью.

§4.2. ТИПЫ ДЕТЕКТОРОВ

Взависимости от -способа и технологии изготовления для спектрометрии и регистрации (5-частиц и конверсионных элек­

тронов могут быть использованы следующие типы детекторов: поверхностно-барьерные, диффузионно-дрейфовые и диффузион­ но-дрейфовые с поверхностным барьером.

Наиболее перспективны для регистрации н спектрометрии электронов поверхностно-барьерные золото-кремниевые детек­ торы. В детекторах этого типа для получения области с низкой концентрацией носителей используется обедненный слой в п—/^-переходе, толщину которого можно увеличить, приложив к переходу обратное напряжение. Чувствительная область изго­ товленных таких ППД сравнительно невелика. Толщина обед­ ненной области поверхностно-барьерных детекторов обычносоответствует пробегу электронов с энергиями до 0,7 МэВ. од­ нако с их помощью можно измерять спектры электронов и большей энергии, но с некоторой потерей эффективности. При прохождении электронов через чувствительную область детек­

162

ласти за счет процесса многократных рассеянии. Это приводит к образованию импульса, соответствующего распределению пи­ ка полного поглощения конверсионных электронов. Та часть электронов, которая не полностью теряет энергию в чувстви­ тельной области, участвует в образовании в измеренном спек­ тре пика наиболее вероятных потерь. Последний в аппаратур­ ном спектре расположен ниже пика полного поглощения, и его средняя энергия тем меньше, чем больше разница между тол­ щиной чувствительной области и пробегом исследуемых элек­ тронов в кремнии. Пик наиболее вероятных потерь аппаратур­ ного спектра можно полностью исключить, если за относитель­ но тонким поверхностно-барьерным детектором поместить дру-

К от. ед

Рис. 4.1. Изменение отношения пло­ щади пика полного поглощения ко всей площади в зависимости от энергии падающих электронов.

гой детектор и включить его с первым на антисовпадеиие. В таком случае в зарегистрированном спектре останутся толь­ ко пики полного поглощения, т. е. будут регистрироваться только те электроны, пробеги которых за счет многократного рассеяния уложились в чувствительном объеме детектора.

. Поверхностно-барьерные кремниевые детекторы, используе­ мые для регистрации и спектрометрии электронов, перед дру­ гими детекторами имеют то преимущество, что при их помощи можно получить очень хорошее энергетическое разрешение и обеспечить минимальные толщины мертвых слоев. К их недо­ статку следует отнести уменьшение эффективности регистра­ ции электронов, пробеги которых превосходят толщину чувст­ вительной области. В работе [2] было показано, что для элек­ тронов, пробег которых укладывается в пределах толщины обедненной области, высота пика полного поглощения остается постоянной, а при повышении энергии и, следовательно, увели­ чении пробега электрона высота пика уменьшается с увеличе­ нием энергии (рпс. 4.1).

В отличие от поверхностно-барьерных ППД использование для спектрометрии электронов диффузионно-дрейфовых крем­ ниевых детекторов позволяет выполнить измерения в достаточ­ но широком диапазоне энергии. Это связано с тем, что у та­

6* 163

(7-4-20 пФ) в настоящее время не представляет никакой труд­ ности.

Однако необходимо заметить, что хотя в кремниевых диф­ фузионно-дрейфовых детекторах можно получить достаточно протяженные чувствительные 'области, пх использование в ка­ честве детекторов для спектрометрии электронов ограничено из-за наличия в них значительного мертвого слоя. Дело в том, что избыток лития на одной из поверхностей детектора приво­ дит к возникновению на ней сильно легированного слоя толщи­ ной более 100 мкм. В полученном при использовании таких де­ текторов спектре конверсионных электронов линии будут не­ сколько уширены и смещены в сторону низких энергий па опре­ деленную величину. Подобные искажения будут наблюдаться и в спектрах непрерывных (3-частпц, что может существенно по­ влиять на точность определения их верхних границ.

Существенно лучшими свойствами обладают диффузионно-

поверхностно-барьерные (Д1\ПС. и ДК.Пгд), диффузионно-дрей­ фовые (ДДС) и диффузионно-дрейфовые с поверхностным барьером (ДКД-ПС и ДКД-Псд). С основными параметрами и особенностями их эксплуатации читатель может подробно ознакомиться в соответствующих каталогах.

§ 4.3. АППАРАТУРНАЯ ЛИНИЯ СПЕКТРОМЕТРОВ С ПИД

Аппаратурная линия в спектрометрах электронов на основе полупроводниковых кремниевых детекторов обусловлена раз­ личными искажениями. Эти искажения могут быть обусловлены наличием мертвого слоя детектора, недостаточной толщиной чувствительного слоя, процессами обратного рассеяния и тор­ мозного излучения электронов при прохождении ими чувстви­ тельной области, регистрацией сопутствующего у-излучения, конечной толщиной подложки и активного слоя источника, соз­ данием заряда на источнике и т. д. Поэтому при спектромет­ рии электронов должны быть приняты все меры предосторож­ ности, чтобы свести к.минимуму возможные причины искаже­ ния. В случаях, когда это невозможно, в измеренные аппара­ турные спектры необходимо вводить определенные поправки.

О влиянии мертвого слоя детектора на форму аппаратурной линии мы упоминали выше. Здесь же необходимо заметить, что наличие мертвого слоя накладывает ограничение на нижний предел измеряемых энергий электронов, приводит к смещению амплитуд импульсов в мягкую область спектра и уширенню линии. Однако, определив заранее толщину мертвого слоя

164

детектора, в измеренные спектры можно вводить соответствую­ щие поправки при их обработке.

Для изучения вопроса влияния толщины чувствительного слоя па форму аппаратурной линии авторы работы [3] измерили спектры моиоэиергетических электронов в интервале энергии от 100 до 1200 кэВ. Толщина чувствительной области детектора, на котором проводили измерения, соответствовала пробегу электронов с энергией 350 кэВ ( ^—0,1 мм). Результаты изме­ рений представлены на рис. 4.2. Для электронов с меньшей

Номер канат

Рис. 4.2. Чувствительность диффузионного кремниевого де­ тектора к моноэнергетнческим электронам, г

энергией, пробеги которых полностью укладываются в чувстви­ тельной области, отношение числа уменьшенных по амплитуде импульсов к нх полному числу (в каждом случае регистриро­ валось одинаковое число электронов) составляет около 25%. В спектре амплитуд импульсов от таких электронов наблюдается только одни пик, соответствующий полному поглощению, а спектр уменьшенных импульсов имеет практически постоянный уровень. Как это наглядно подтверждается рис. 4.2, пик полного поглощения в измеренном спектре наблюдается и в тех случаях, когда пробеги электронов превышают толщину чувствительной области. Это обусловлено, как мы указывали выше, многократ­ ным рассеянием электронов внутри чувствительной области. Однако с увеличением энергии электронов высота пика полного поглощения непрерывно убывает, и все большая часть электро­ нов оставляет в детекторе энергию, близкую к средним потерям (примерно 180 кэВ) для электронов с минимальной ионизацией. Следовательно, эффективность счета по пику полного поглоще­ ния непрерывно уменьшается с ростом энергии электронов,

165

и в спектре появляется возрастающий по интенсивности второй пик, соответствующий наиболее вероятным значениям потерь энергии. Положение этого пика эквивалентно полному поглоще­ нию электронов с энергией около 180 кэВ, но сам пик имеет достаточно большое размытие.

Из анализа результатов работы [3] следует, что для пра­ вильного определения интенсивностей конверсионных электронов по их пикам полного поглощения в спектре необходимо вводить поправки в величины площадей под пиками полного поглощения.

Нежелательный эффект при регистрации электронов — их обратное рассеяние от чувствительной поверхности, которое, как известно, увеличивается с уменьшением массы частиц. Обратной рассеяние электронов приводит к уменьшению ампли­ туды импульсов на выходе детектора, вследствие чего трудно точно измерить интенсивность конверсионных линий. Явление обратного рассеяния также искажает форму непрерывного p-спектра, что приводит к необходимости введения соответст­ вующих поправок.

В полупроводниковых детекторах, изготовленных на основе кремния, обратное рассеяние электронов значительно превос­ ходит рассеяние от сцпнтиллпрующих пластмассовых детекто­ ров. Причина этого — относительно высокий порядковый номер кремния (Z= 14), что приводит к обратному рассеянию электро­ нов. достигающему 42% при энергиях около 1 МэВ.

Существуют различные способы, с помощью которых можно или исправить искаженный обратным рассеянием электронный спектр, или же устранить указанное искажение в процессе изме­ рения спектра посредством несложных устройств. Во-первых, исправить искаженный аппаратурный спектр можно, используя экспериментально определенные значения коэффициентов об­ ратного рассеяния [4]. Этим способом можно скорректировать спектры конверсионных электронов и непрерывные р-спектры. Второй способ исправления приборного спектра электронов — решение соответствующего интегрального уравнения, которое связывает истинный и приборный спектры [5]. Третий способ учета эффекта обратного рассеяния основан на расчете методом Монте-Карло величины обратного рассеяния в зависимости от энергии и угла падения .электронов на поверхность детектора. Метод Монте-Карло позволяет также учесть энергетические по­ тери электронов высокой энергии (>1 МэВ) в результате тор­ мозного излучения и утечки тормозных квантов из кремния [6]. Аппаратурные способы устранения искажения спектра обрат­ ным рассеянием — включение двух детекторов на антисовпаде­ ния при расположении их вплотную друг к другу [7] или сум­ мирование импульсов с выходов указанных детекторов [7, 8].

При исправлении искаженного обратным рассеянием элек­ тронного спектра с помощью экспериментально определенного значения коэффициента обратного рассеяния под последним по-

166