Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

приведены значения шума в энергетических единицах для не­ скольких значений входной емкости (СВХ= С П. т+ Cg+ C/ )и кру­ тизны, вольт-амперной характеристики полевого транзистора, рассчитанные для Тф = 5 мкс и 7=100 К.

Т а б л и ц а 6.8

зывает, что чем ниже энергия регистрируемого излучения, тем большую роль в общем энергетическом разрешении спектромет­ ра играют шумы детектора и входных каскадов усилителя. По­ этому в спектрометрах с высоким энергетическим разрешением используют, как правило, Rf не менее 1010 Ом, полевые тран­ зисторы в керамическом корпусе с малым собственным шумом и высокой крутизной вольт-амперной характеристики, ППД. малой площади, изготовленные по технологии, обеспечивающей при охлаждении ток утечки не более 10-12 А.

Приведем типичные значения параметров некоторых эле­ ментов одного из лучших современных спектрометров рентге­ новского излучения с ППД: Сд= 1 пФ (площадь равна 30 мм2,

ставило 96 эВ по кремнию.

Ввиду малых размеров детекторов в хороших спектромет­ рах рентгеновского излучения с ППД вклад в ширину линии неполного сбора носителей обычно мал. Кроме того, указанное явление при малом эффекте приводит, как правило, к уширению нижней части амплитудного распределения. Для оценки

Считают, что если это отношение не более двух, вклад сбора

ния спектрометра, если оно достаточно велико, может происхо­ дить за счет шумового компонента, обусловленного микрофон-

280

иым эффектом. Это явление особенно заметно, если не приняты необходимые меры по его устранению при конструировании и монтаже головной охлаждаемой части предусилителя.

Статистический предел энергетического разрешения спек­ трометра рентгеновского излучения с кремниевым ППД, а так­ же его полное энергетическое разрешение при различных вели­ чинах шумов Л£Эл в диапазоне 200 эВ — 100 кэВ показаны на рис. 6.6.

Энергия кданта, кэВ

Рис. 6.6. Расчетная зависимость энергетического разре­ шения спектрометра от энергии квантов при е= 3,0 эВ.

Таким образом, в большей части рассматриваемого диапа­ зона полуширина кривой полного поглощения определяется по­ ка уровнем энергетического эквивалента шумов Д£эл.

§ 6.3. СОСТАВ II ПОСТРОЕНИЕ БЛОКА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

Состав и конструкция блока детектирования спектрометра мягкого у- и рентгеновского излучения с ППД во многом определяют энергетическое разрешение, стабильность, надеж­ ность и долговечность работы спектрометра. Обычно блок де­ тектирования состоит из сосуда Дыоара с жидким азотом, ва­ куумной камеры с расположенным внутри ее на хладопроводе ППД, головного каскада предусилителя и собственно предуси­ лителя.

Объем и тип сосуда Дыоара определяются назначением бло­ ка детектирования. Применяют, как правило, два типа сосу­ дов: с выходным отверстием сверху и с выходным отверстием снизу. В первом случае хладопровод вакуумной камеры опу­ скается через верхнее отверстие в сосуд Дьюара, а ППД нахо-

281

днтся на другом конце хладопровода, который выше уровня жидкого азота. Рабочая поверхность детектора при этом обыч­ но направлена вверх пли в сторону. При понижении за счет испарения уровня жидкого азота температура ППД и полевоготранзистора может изменяться.

Во втором случае сосуд Дыоара имеет отверстие внизу, че­ рез которое жидкий азот поступает в трубку вакуумной каме­ ры, на закрытом конце которой располагаются ППД и полевой

вают через верхнее отверстие, и температуру ППД поддержи­ вают неизменной независимо от уровня и количества жидкогоазота. Такая конструкция обеспечивает рабочую температуру ППД, лишь на доли градуса отличающуюся от температуры испарения жидкого азота, что особенно важно при использо­ вании германиевых радиационных детекторов.

Объем сосуда Дыоара может быть различным: от одного до нескольких десятков литров. Лучшие сосуды Дыоара обеспечи­ вают долговременное сохранение жидкого азота: испаряется не

проходит хладопровод или трубка с жидким азотом, заканчи­

поверхностью ППД во избежание изменения ее структуры, ро­ ста поверхностных токов утечки и ухудшения энергетическогоразрешения. Наконец, при недостаточно низком давлении про­ исходит значительный приток тепла на хладопровод, в резуль­ тате чего расход жидкого азота увеличивается, а температура: ППД повышается.

Удовлетворение этих условий обеспечивается при макси­ мальном рабочем давлении в вакуумной камере, не превы,- шающем 10-5— 10_б мм рт. ст.

Для продолжительного поддержания такого давления суще­ ствуют различные способы. Наиболее часто используют непре­

часто одновременно устанавливают портативные электроразрядные насосы с сетевым или с батарейным источниками пи­ тания. В последнем случае можно надежно поддерживать низ­ кое давление при транспортировке, без сетевого питания.

282

Корпус вакуумной камеры обычно изготавливают из нержа­ веющей стали или алюминиевого сплава — материалов с хоро­ шими вакуумными свойствами. Вакуумные уплотнения делают из специальной вакуумной резины (кольцевые прокладки) или индиевой проволоки.

Как же указывалось, нижний порог регистрации опреде­ ляется также толщиной входного окна. Это окно во всех ваку­ умных камерах с кремниевыми ППД закрывают вакуумноплот­ ной бериллиевой фольгой, толщина которой у лучших совре­ менных спектрометров составляет 25 мкм. При этом через окно проходит около 20% рентгеновского излучения с энергией око­ ло 1 кэВ, соответствующей энергии характеристического излу­ чения натрия (2= 11).

Конструктивное исполнение охлаждаемого узла крепления ППД определяется его размерами, конструкцией, способом вывода электродов. Как правило, контакт с хладопроводом осу­ ществляет через индиевую фольгу та сторона ППД, к которой прикладывают напряжение смещения. При этом охлаждающая пластина соединена с основным хладопроводом посредством изоляционных материалов: сапфира, окиси алюминия или ни­ трида бора, т. е. веществ, имеющих при низкой температуре высокую теплопроводность. Детектор и полевой транзистор должны быть конструктивно расположены так, чтобы электри­ ческий выход с противоположной поверхности ППД распола­ гался в непосредственной близости от затвора полевого тран­ зистора и был максимально удален от проводников и деталей,

нием, испускаемым стенками вакуумной камеры. В таких слу­ чаях вводят дополнительные экраны для защиты ППД от этого излучения.

Оптимальная рабочая температура транзистора, как указы­ валось, лежит в диапазоне 113— 173 К, причем для каждого полевого транзистора желателен индивидуальный подбор тем­ пературы; достигают это разными способами. В одном случае экспериментально подбирают толщину теплоизоляционной про­ кладки между транзистором и хладопроводом. Другим, более эффективным следует признать способ принудительного подо­ грева полевого транзистора с помощью опорного диода либо терморезистора, расположенных в непосредственной близости ют транзистора и имеющих с ним (или с основанием, на кото­ ром он закреплен) тепловой контакт. В последнем случае мож­ но, не разбирая вакуумной камеры и регулируя ток через эти элементы, подобрать температуру полевого транзистора, при которой энергетическое разрешение блока детектирования бу­ дет наилучшим.

Большое внимание необходимо уделять мерам, нсключаю-

283

щим возникновение дополнительного шума из-за микрофонного' эффекта. При вибрации проводников входной цепи относитель­ но элементов, находящихся при различных потенциалах, может изменяться входная емкость и, следовательно, генерироваться' шумовой заряд. Это прежде всего касается шины (на нее по­ дается напряжение смещения ППД), находящейся под высо­ ким потенциалом. Она должна быть по возможности удалена:

и

к

г

Q

Рис. 6.7. Схема конструктивного выполнения вход­

от входа полевого транзистора и хорошо закреплена. Подсчи­ тано, что при напряжении смещения в 1000 В колебания этогопроводника, изменяющие емкость на входе детектора только на 5-10-7 пФ, вызывают микрофонный эффект, эквивалентный 10 кэВ по кремнию.

Пробулькиванпе испаряющегося азота в сосуде Дьюара также во многих случаях ухудшает энергетическое разрешение в результате микрофонного эффекта.

Схема одного из возможных вариантов расположения ППД, полевого транзистора (ПТ) и других элементов показана на рис. 6.7 [11]. Предусилитель располагается снаружи вакуумной камеры и соединяется со своей головной частью посредством вакуумного электрического многоштырькового разъема с высо­

284