PIPS® (Passivierte, implantierte, planare Silikon)-Detektoren
Mirion bietet zwei Typen von Siliziumdetektoren für geladene Teilchen an, mit denen ein breites Spektrum an Anwendungen abgedeckt werden kann. Die erste Variante ist der PIPS-Detektor (Passivated Implanted Planar Silicon), bei dem ein Implantatkontakt verwendet wird, der einen präzisen, dünnen, abrupten Übergang für eine gute Auflösung geladener Teilchen bildet. Die zweite Variante ist der Lithium-gedriftete Siliziumdetektor, mit dem eine bessere Nachweiswahrscheinlichkeit für hochenergetische geladene Teilchen erreicht werden soll. In beiden Fällen haben die Detektoren eine P-I-N-Struktur, bei der durch Anlegen einer Sperrspannung ein Verarmungsbereich gebildet wird, in dem das entstehende elektrische Feld die von einem einfallenden geladenen Teilchen erzeugten Elektronen-Lochpaare auffängt. Der ohmsche Widerstand des Siliziums muss hoch genug sein, um einen ausreichend großen Verarmungsbereich bei moderaten Vorspannungen zu ermöglichen.
Im Bereich des Kontaktübergangs der implantierten Barriere werden die Majoritätsträger (Elektronen im n-Typ und Löcher im p-Typ) abgestoßen, sodass ein verarmter Bereich entsteht. Eine angelegte Spannung vergrößert diesen Verarmungsbereich, der das empfindliche Detektorvolumen darstellt, und kann bis an die Grenze der Durchbruchspannung ausgedehnt werden. PIPS-Detektoren sind im Allgemeinen mit Verarmungstiefen von 100 bis 1000 µm erhältlich.
Diese Detektoren können mit dem Vorverstärker Modell 2003BT verwendet werden. Sie sind auch mit dem Alpha-Analyst™ oder dem Modell 7401 Alpha-Spektrometer für Größen bis zu 1200 mm2 kompatibel.
Die Detektoren werden in Bezug auf die Oberfläche, die Alpha- oder Beta-Teilchenauflösung sowie die Verarmungstiefe spezifiziert. Die Auflösung hängt weitgehend von der Detektorgröße ab und ist bei kleinen Detektoren am Besten. Typisch sind Alpha-Auflösungen von 12 bis 35 keV und Beta-Auflösungen von 6 bis 30 keV. Bereiche von 25 bis 5000 mm2 sind als Standard erhältlich, wobei größere Detektoren in verschiedenen Geometrien für kundenspezifische Anwendungen erhältlich sind. Zudem sind PIPS-Detektoren vollständig depleted erhältlich, sodass eine dE/dx-Energieverlustmessung durch Stapeln der Detektoren auf der Achse durchgeführt werden kann. Detektoren für diese Anwendung werden in einer Transmissionshalterung geliefert (d. h. mit dem Spannungsanschluss an der Seite des Detektors).
Mit einer Standarddicke von 2 bis 5 mm und auf Anfrage bis zu 10 mm haben diese sogenannten Si(Li)-Detektoren ein besseres Abbremsvermögen als PIPS-Detektoren und entsprechen damit dem Bedarf an einer besseren Nachweiseffizienz für hochenergetische geladene Teilchen. Si(Li)-Detektoren sind in kreisförmiger Geometrie zwischen 200 und 500 mm2 und in rechteckiger Form erhältlich, mit einer Auflösung ab 30 keV je nach Größe. Diese Detektoren sind auch in Transmissionsausführung erhältlich.
Sollte eine Positionsbestimmung der Wechselwirkung geladener Teilchen erforderlich sein, bietet Mirion segmentierte Si(Li)-Detektoren an (siehe Informationen zu LTS Si(Li)-Detektoren). Si(Li)-Detektoren haben bei Raumtemperatur einen großen Leckstrom. Zur Polarisation der Si(Li)-Detektoren sollte der Spannungsabfall innerhalb der Spannungsschaltungen minimiert werden. In diesem Rahmen sollten die Widerstände innerhalb des HV-Filters oder des AC-Kopplungsnetzwerks auf einem Wert von 10 MOhm gehalten werden. Mirion empfiehlt Vorverstärker vom Typ 2003BT oder 2004, aber für Si(Li)-Detektoren sollten die Widerstände im HV-Filter und im AC-Koppelnetzwerk von 100 Mohms auf 10 Mohms herabgesetzt werden, um einen übermäßigen Spannungsabfall zu vermeiden.
Lithiumgedriftete-Siliziumdetektoren
Vergleich von PIPS mit Lithiumgedrifteten-Siliziumdetektoren
DETEKTOREN AUS SILIZIUM FÜR GELADENE TEILCHEN
Die Tabelle 1 zeigt Energien verschiedener Partikel, die in mehreren Verarmungstiefen gemessen werden. Beachten Sie, dass selbst der dünnste Detektor für Alpha-Teilchen aus radioaktiven Quellen ausreicht, aber nur sehr niederenergetische Elektronen vollständig absorbiert werden. Bei einem Detektor, mit dem eine Quelle von diskreten Elektronenenergien gemessen wird wie z. B. Konversionselektronenlinien, werden jedoch scharfe Peaks gemessen, da einige Elektronenpfadlängen vollständig in der verarmten Region liegen werden. Abbildung 1 zeigt die Partikelreichweiten, die üblicherweise in Kernreaktionen auftreten.
Abbildung 1 – Reichweitefunktionen in Silizium
Da die von der Teilchenionisation gesammelte Ladung so gering ist, dass es unpraktisch ist, die resultierenden Impulse ohne Zwischenverstärkung zu verwenden, wird zur ersten Bearbeitung des Signals eine ladungsempfindliche Vorstufe verwendet.
Abbildung 2 zeigt die Elektronik, die in einer Alpha-Spektroskopie-Anwendung mit einem einzigen Eingang verwendet wird. Beachten Sie, dass sich die Probe und der Detektor in einer Vakuumkammer befinden, sodass der Energieverlust in der Luft nicht ins Gewicht fällt.
Abbildung 2 - Elektronikaufbau in der Alpha-Spektrometrie
Die Abbildungen 3, 4 und 5 zeigen den Einsatzbereich in Abhängigkeit von der Energie der verschiedenen Siliziumdetektoren für geladene Teilchen. Der Energiebereich wird mit Transmissionshalterungen (FD-Serie für PIPS und LTC/LTR-Serie für Si(Li)) erweitert, da die Detektoren gestapelt und in der Teilchenerkennung, in Detektorteleskopen und bei anderen dE/dx-Messungen eingesetzt werden können.
Abbildung 3 - Einsatzbereich in Abhängigkeit von der Energie der verschiedenen Detektormodelle für eine vollständige Ladungserfassung von Elektronen
Abbildung 4 – Einsatzbereich in Abhängigkeit von der Energie für verschiedene Detektormodelle für eine vollständige Ladungserfassung von Protonen
Abbildung 5 - Einsatzbereich in Abhängigkeit von der Energie für verschiedenen Detektormodelle für eine vollständige Ladungserfassung von Alpha-Strahlen
Channelingeffekte, bei denen energetische Ionen in bestimmten Winkeln in den Detektor gelangen, führen zu einer Kanalisierung von Ionen zwischen den Kristallebenen. Dieser Effekt kann zu erheblichen Schwankungen der angegebenen Reichweiten führen.
Abbildung 6 – Reichweite als Funktion der Energie für Elektronen in Silizium
Abbildung 7 – Reichweite als Funktion der Energie für Protonen in Silizium
Abbildung 8 – Energiebereich für Alpha in Silizium
Abbildung 9 – Energieverlust von Elektronen in Silizium
Abbildung 10 – Energieverlust von Protonen in Silizium
Abbildung 11 – Energieverlust von Alpha in Silizium
Abbildung 12 – Energieverlust verschiedener geladener Teilchen in Silizium
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