Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

260

Глава б

СПЕКТРОМЕТРИЯ МЯГКОГО у-

И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

§6.1. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Крентгеновскому и мягкому у-излучению обычно относят квантовое излучение с энергией менее 130— 150 кэВ. Это излу­ чение практически полностью поглощается полупроводниковы­

ми детекторами из германия и арсенида галлия с толщиной чувствительной области в несколько миллиметров. В более узких энергетических пределах данное утверждение' справедли­ во и для кремниевых ППД. Поэтому общий объем ППД рент­ геновского излучения редко превышает 1 см3, а его ток утечки и емкость ниже, чем у детекторов у-пзлучения. В результате распределение электрического шума по его основным компонен­ там в ППД рентгеновского излучения в большинстве случаев отличается от аналогичного распределения в гамма-детекто­ рах, что обусловливает отличие схемных решений последующих усилительных устройств.

Из-за низкой энергии рентгеновских квантов сигнал на вы­ ходе детектора имеет малую амплитуду, поэтому необходимо принять меры для снижения собственного входного шума уси­ лителей, например, охладить полевой транзистор и разместить

разрешения. Например, в области 660 кэВ полное энергетиче­

для характеристического излучения железа с энергией 6,4 кэВ это отличие составляет пока 100— 130%.

Высокие эффективность регистрации и энергетическое раз­ решение, стабильность, быстрое время нарастания импульса, компактность спектрометра с ППД рентгеновского излучения

262

ляется в основном сечением фотоэффекта для полупроводнико­ вых материалов в данном энергетическом диапазоне. Из-за от­ носительно большого Z у германия и арсенида галлия ППД из этих материалов имеют высокую, а в большей части диапазо­ н а — практически 100%-ную эффективность регистрации; де­ текторы из кремния из-за меньшего Z эффективны лишь в ограниченном интервале энергий рентгеновских квантов. В об­

Знергия, кэВ

величине для кремния при 40 кэВ, для германия при 130 кэВ. Расчетные кривые фотоэффектнвпостн наиболее распространен­ ных детекторов рентгеновского излучения из кремния и герма­ ния приведены на рис. 6.1. Порядковые номера германия и гал­ лия расположены рядом, поэтому фотоэффективности и их за­ висимость от энергии у ППД из этих материалов различаются мало.

На рис. 6.1 виден характерный спад эффективности регист­ рации ППД из кремния и германия при увеличении энергии. Он вызван падением сечения фотоэффекта с увеличением энер­ гии квантов. Начиная с некоторого значения возрастание тол­ щины обедненной области ППД слабо влияет на увеличение эффективности детекторов со стороны больших энергий. По этой причине промышленно выпускаемые ППД мягкого у- и рентгеновского излучений имеют обычно толщину обедненной области, не превышающую 3—5 мм. При этом максимальное значение эффективности регистрации кремниевыми ППД дохо­

263

дит до 20—30% при энергии квантов около 40—50 кэВ. Кван­ ты с более высокой энергией предпочтительно регистрировать детекторами из германия или арсенида галлия. При той же толщине обедненной области ППД из этих материалов реги­

ППД создается в основном методом диффузии и последующего дрейфа лития в кремний д-типа проводимости. Германиевые ППД рентгеновского излучения изготовляют методом дрейфа лития в германий p-типа проводимости и методом компенса­ ции свободных носителей глубокими ловушками, образованны­ ми радиационными дефектами в германии и-типа проводимо­ сти. При методе компенсации из-за меньшего времени жизни носителей толщина обедненной области таких ППД обычно не превосходит 2—3 мм.

При регистрации и спектрометрии рентгеновского излучения с энергией более 5—6 кэВ можно с одинаковым успехом при­ менять либо кремниевые, либо германиевые ППД, причем по­ следние обеспечивают высокую эффективность регистрации рентгеновских квантов с энергией до 150 кэВ.

Не менее важна спектрометрия рентгеновского излучения с энергией менее 5—7 кэВ, хотя бы потому, что этот интервал энергии включает характеристическое излучение основных поррдообразующих химических элементов.

Спектрометрия рентгеновского излучения малой энергии с помощью ППД имеет особенности, обусловленные рядом об­ стоятельств. Известно, что рентгеновские кванты с этой энер­ гией значительно поглощаются воздухом, поэтому из простран­ ства между источником излучения и ППД воздух необходимо удалить либо в крайнем случае заменить легким газом (водо­ родом или гелием). Окно вакуумной камеры, в которой нахо­

энергией обусловлен их поглощением во входном окне из бе­ риллия различной толщины. Поскольку бериллиевая фольга характеризуется определенной пористостью и не очень высокой прочностью, ее толщина в лучшем случае составляет 10— 25 мкм. Например, через бериллиевую фольгу толщиной 25 мкм до ППД доходит только 0,5% квантов с энергией 0,52 кэВ, что соответствует характеристическому излучению кислорода. По­ этому для повышения эффективности регистрации квантов с энергией меньшей 1—3 кэВ источник излучения и ППД долж­ ны находиться в единой вакуумной камере.

Как и всякий ППД, детектор рентгеновского излучения имеет мертвый слой определенной толщины, также поглощаю­ щий проникающее излучение. (Принципиально можно регист­ рировать излучение, когда оно попадает в чувствительный

264