Описание Детекторы дифрактометров

Стандартная комплектация  дифрактометров TD оснащается высокочувствительными матричными 1D детекторами Mythen. В дифрактометрах Tongda на выбор доступны различные типы детекторов:

• cцинтилляционный детектор (SC)
• кремний-дрейфовый детектор (полупроводниковый – SDD)
• пропорциональный детектор (ионизационный – CP)
• линейный детектор (1D)

Сцинтилляционный детектор (SC)

Сцинтилляция – явление испускания квантов света веществом под воздействием ионизирующего излучения. В качестве вещества-сцинтиллятора используют NaI с небольшой добавкой активатора (Tl, Li и т.д.)

Испущенный сцинтиллятором фотон далее поступает на фотокатод, который способен испускать электроны (фотоэлектроны) под действием фотонов света. По средствам фокусирующей системы эмитированные электроны попадают в ФЭУ на систему динодов, которые мультиплицируют проходящие частицы (в миллионы раз), а приложенное к динодам напряжение предотвращает падение энергии у электронов. Электроны, попавшие на анод, создают ток в системе, который далее аппаратно измеряется.

Полупроводниковый детектор

Принцип действия аналогичен счетчику Гейгера, с тем отличием, что ионизируется объем полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это полупроводниковый диод. Диод (два конца) – электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. У диода имеются анод и катод. Если к диоду приложено прямое напряжение (то есть анод имеет положительный потенциал относительно катода), то диод открыт (через диод течет прямой ток, диод имеет малое сопротивление). Напротив, если к диоду приложено обратное напряжение (катод имеет положительный потенциал относительно анода), то диод закрыт (сопротивление диода велико, обратный ток мал, и может считаться равным нулю во многих случаях). Заряженная частица, проникая в детектор, создает дополнительные (неравновесные) электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля перемещаются к электродам. В результате во внешней цепи полупроводникового детектора возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется.

Удельное сопротивление Si 10 кОм*см, Ge – 100 Ом*см, поэтому приходится прибегать к специальным мерам, повышающим сопротивление Ge(Li) дрейфового детектора, например, добавляя специальные примеси, или охлаждая кристалл до низкой температуры, порядка температуры жидкого азота.

Преимущества в сравнении со счетчиком Гейгера. Благодаря более высокой плотности полупроводника:

1. Большая потеря ионизирующей частицей энергии и как следствие более широкий диапазон измеряемых значений.

2. Лучшее разрешение по энергиям частиц.

Ионизационный детектор

Внутри колбы (катод) находится инертный газ (Ar) и анод в виде металлической нити. Если внутри нет заряженных частиц, то ток по цепи не идет. При прохождении X-кванта, происходит выбивание электрона, инертный газ ионизируется. Благодаря приложенному напряжению (сотни- тысячи вольт) к катоду и аноду электрон ускоряется и происходит лавинообразная ионизация газа. Газ начинает проводить ток. При этом на сопротивлении R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство. После регистрации импульса, ионизация газа сбрасывается благодаря уменьшению напряжения и счетчик снова может регистрировать излучение.

Линейные 1D детекторы с HPC технологией

Рис. 1. Принцип прямого детектирования рентгеновских лучей в HPC технологии, прямое преобразование рентгеновского излучения в электрический заряд в пикселе сенсора.

Рис. 2. Квантовая эффективность как функция от регистрируемой энергии для сенсоров различной толщины.

       HPC технология позволяет проводить прямую регистрацию x-ray излучения, преобразуя его в электрический заряд. Для реализации используются специализированные полупроводниковые сенсоры и микросхемы считывания. В сравнении с традиционными x-ray детекторами, существенным преимуществом HPC технологии является оптимизация детектора для регистрации x-ray излучения с превосходной квантовой эффективностью в широком диапазоне энергий. Кроме того, миниатюризация полосовых каналов регистрации и внутренних соединений привела к сильному уменьшению емкостей, и дало возможность существенно уменьшить шумы и потребление энергии считывающими микросхемами. Использование отработанной КМОП технологии для производства детекторов позволяет быть уверенными в качестве и стабильности предлагаемых решений.

Многоканальный детектор на кремниевой матрице, позволяет проводить сканирование на два порядка быстрее обычного сцинтилляционного детектора.

Кремниевый дрейфовый детектор

SDD (Silicon Drift Detector) — это полупроводниковый детектор, используемый для обнаружения и измерения энергии ионизирующего излучения, такого как рентгеновские и гамма-лучи. Он работает на основе дрейфа электронов в кремнии. Когда излучение попадает на детектор, оно создает электронно-дырочные пары, количество которых пропорционально энергии фотона. Электрическое поле внутри детектора заставляет электроны дрейфовать к центральному аноду, где они собираются и создают электрический сигнал. Этот сигнал усиливается и обрабатывается, позволяя измерять энергию излучения.

SDD детекторы обладают высокой энергетической разрешающей способностью, что позволяет различать фотоны с близкими энергиями, и быстрой скоростью отклика, важной для приложений, требующих быстрого времени отклика. Они также компактны, что удобно для портативных устройств. SDD детекторы применяются в рентгеновской спектроскопии для анализа состава материалов, в медицинской диагностике для измерения энергии рентгеновских лучей и в астрофизике для измерения энергии космического излучения.

На рисунке выше показано действие SDD детектора до момента, когда характеристические рентгеновские лучи попадают в детектор и идентифицируются составляющие элементы. К катоду (I) приложен отрицательный потенциал, а к аноду (II) — положительный. К кольцевым электродам (III) прикладываются отрицательные потенциалы, возрастающие снаружи внутрь, что позволяет электронам собираться на аноде (II).

Когда рентгеновское излучение с энергией hν (где h — постоянная Планка, ν — частота излучения) падает на кремний (Si), генерируются электронно-дырочные пары, пропорциональные энергии излучения. Один фотон Mn Kα (5.9 кэВ) создает около 1600 таких пар. Электроны движутся к аноду (II) и кольцевым электродам (III), а дырки — к катоду (I). Между катодом (I) и анодом (II) образуется конденсатор с емкостью C, и измеряется напряжение V. Электрический заряд Q на конденсаторе определяется как V = Q/C. Количество электронов рассчитывается делением Q на заряд одного электрона, а энергия излучения — из числа электронов, генерируемых одним фотоном. Элемент идентифицируется по энергии излучения.

Действие SDD

Рисунок выше показывает, как рентгеновское излучение падает на монокристалл Si детекторного элемента слева.

• Генерируются электронно-дырочные пары.
• Электроны движутся к аноду (II) и кольцевым электродам (III) из-за разницы потенциалов. Электроны, достигшие кольцевых электродов, собираются на аноде (II) благодаря ступенчатому потенциалу. Дырки движутся к катоду (I). Измеряется напряжение V, генерируемое зарядом Q на конденсаторе Si. Заряд Q определяется как V = Q/C. Рассчитывается количество электронов, генерируемых одним фотоном, и определяется энергия излучения, что позволяет идентифицировать элемент.

Быстрые SDD детекторы

TD-3700 также может комплектовать быстрым SDD детектором европейского или американского производства. Fast SDD детекторы представляют собой кульминацию многолетних инноваций и разработок в области электроники и рентгеновских детекторов. Использование Fast SDD детекторов в рентогеновских дифрактометрах серии TD позволяет полностью отказаться от неудобных в работе зеркал Гебеля и других систем. Быстрые кремний-дрейфовые детекторы позволяют проводить сканирование образцов в малых углах (до 10 градусов) с невероятной точностью. В отличие от 1D детекторов, SDD детекторы практически не накапливают шум, что положительно сказывается на кривой в области малых углов (отсутствие “горбыля“ и влияния нелинейности измерения).

Технические характеристики быстрых кремний-дрейфовых SDD детекторов рентгеновского дифрактометра TD-3700

Сравнение рентгенограмм Si, полученных на Fast SDD (зеленая кривая) и 1D Mythen (красная кривая) детекторах