19203

Детекторы заряженных частиц – канальные электронные умножители и микроканальные пластины. Поверхностно-барьерный детектор

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 15 Детекторы заряженных частиц – канальные электронные умножители и микроканальные пластины. Поверхностнобарьерный детектор. Твердотельный рентгеновский спектрометр. В настоящее время наиболее распространенными детекторами заряженных частиц являются канал...

Русский

2013-07-11

128.5 KB

21 чел.

Лекция 15

Детекторы заряженных частиц – канальные электронные умножители и микроканальные пластины. Поверхностно-барьерный детектор. Твердотельный рентгеновский спектрометр.

В настоящее время наиболее распространенными детекторами заряженных частиц являются канальные электронные умножители (КЭУ) и микроканальные пластины (МКП).

Канальный электронный умножитель представляет собой тонкую трубку из свинцово-силикатного стекла диаметром ~ мм, изогнутую в виде полукольца радиусом несколько сантиметров. В результате термического активирования при изготовлении КЭУ поверхность трубки приобретает высокое удельное сопротивление, так что полное сопротивление между концами трубки становится ~ ГОм (109 Ом). На вход трубки, куда поступают заряженные частицы, подается отрицательный потенциал U = 2-3 кВ, второй конец – выход – заземляется. За счет этого получается электрическое поле, плавно спадающее вдоль длины трубки.

Заряженная частица (это может быть электрон или ион), попадая в КЭУ и ударяясь о стенку трубки, вызывает вторичную электронную эмиссию. Электроны электрон-электронной эмиссии, ускоряясь в электрическом поле, в свою очередь, ударяясь о стенку трубки, материал которой имеет коэффициент электрон-электронной эмиссии > 1, вызывают увеличение числа электронов, летящих внутри КЭУ – рис. 15.1. При этом коэффициент усиления – отношение количества электронов на выходе КЭУ к количеству электронов на входе – составляет 108-109.

Электрическая схема включения КЭУ в варианте с открытым выходом (наиболее часто используется при измерениях) приведена на рис. 15.2. Импульс напряжения на резисторе, вызванный одним электроном, попавшим в КЭУ, регистрируется чувствительным вольтметром.

Канальный электронный умножитель характеризуется:

  •  выходным током 0,1-2 мкА;
  •  коэффициентом усиления 108-109;
  •  темновым током 0,01-0,1 имп/с;
  •  длительностью импульса 2-30 нс;
  •  динамическим диапазоном 1-104 имп/с.

Параметры КЭУ в процессе работы могут изменяться в зависимости от:

  •  температуры;
  •  давления, при котором эксплуатируется КЭУ;
  •  режима тренировки после вскрытия на атмосферу;
  •  от флюенса регистрируемых ионов.

Микроканальные пластины представляют собой сотовые структуры, образованные большим числом стеклянных трубок (каналов) диаметром 5-15 мкм с внутренней полупроводящей поверхностью, имеющей сопротивление от 20 до 1000 МОм. Другими словами МКП представляет собой сборку большого (несколько миллионов) количества канальных электронных умножителей – рис. 15.3.

Когда налетающая частица (ион, электрон) попадает в канал, из его стенки выбиваются электроны, которые ускоряются электрическим полем, созданным напряжением приложенным к концам канала. Вторичные электроны летят по своим параболическим траекториям, пока не попадут на стенку, в свою очередь, выбивая еще большее количество вторичных электронов. Этот процесс по мере пролета вдоль канала повторяется много раз и на ее выходе формируется электронная лавина.

Размеры МКП варьируются от нескольких миллиметров до 10 см и больше. Форма МКП может быть самая разнообразная – округлая, прямоугольная, практически любая, необходимая для конкретного приложения. Кроме того, поверхность их может быть сделана сферической или цилиндрической, для того, например, чтобы соответствовать фокальной плоскости магнитного или электростатического спектрометра. Плотность каналов в МКП ~ 106 канал/см2 при диаметре каналов ~ 10 мкм.

МКП имеют уникальное сочетание свойств – большой коэффициент усиления, высокое пространственное и временное разрешение. Пространственное разрешение для однокаскадных МКП определяется диаметром канала. Поэтому на основе МКП удобно делать позиционно-чувствительные детекторы. Временное разрешение определяется временем пролета электронной лавиной канала – меньше 1 нс. Для задач, в которых пространственное разрешение не имеет значения, для вывода сигнала используется сплошной металлический анод. Там, где важно пространственное разрешение анод может быть секционированным или резистивным и т.д.

Использование МКП накладывает определенные требования к вакуумной системе. Для нормальной работы МКП требуется давление не менее 10-6 Тор.

Поверхностно-барьерный детектор.

Для измерения энергетических спектров ионов водорода и гелия с энергиями ~ МэВ обычно используются поверхностно-барьерные детекторы (ПБД) – рис. 15.4. Детекторы изготавливаются в основном из кремния n-типа (детекторы на основе германия имеют худшие характеристики и поэтому используются значительно реже). После соответствующей обработки в поверхностном слое кремния образуется слой с высокой плотность дырок, сходный по своим физическим свойствам со слоем p-типа (легированный электрон-донорными примесями) с электронной проводимостью и слой р-типа (легированный электрон-акцепторными примесями) с дырочной проводимостью. Таким образом, получается p-i-n-структура.

Электрический контакт с этим переходным слоем осуществляется напыленной золотой пленкой толщиной ~ мкм. С другой стороны напыляется алюминиевая пленка. Подачей напряжения смещения Uсм (плюс к n-области, минус – со стороны p-области) осуществляется увеличение толщины переходного слоя до ~ 100 мкм. При попадании атомной частицы (как в ионизированном, так и в нейтральном состоянии) с энергией Е0 в переходном слое ПБД образуются электрон-дырочные пары носителей заряда, число которых

N0 = E0/,

где – средняя энергия, требуемая для образования одной пары (для кремния = 3,7 эВ).

Время собирания носителей заряда, дающих импульс напряжения на нагрузочном сопротивлении R, составляет 10-7-10-9 с в зависимости от конструкции детектора, что на четыре-шесть порядков меньше времени жизни носителей заряда. Поэтому величина импульса на нагрузочном сопротивлении прямо пропорционально N0 и, следовательно, энергии Е0 частицы, попавшей в ПБД, за минусом энергии, потерянной в слое золота. Это справедливо в случаях, когда проективный пробег частицы в кремнии меньше толщины переходного слоя, что выполняется для протонов и ионов гелия с Е0  5 МэВ.

Импульсы напряжения поступают либо в обрабатывающую эксперимент ЭВМ, либо на многоканальный анализатор импульсов, который производит измерение амплитуд и проводит суммирование их числа в каждом из каналов, соответствующих определенному диапазону амплитуды импульса. Таким образом, поскольку амплитуда импульса прямо пропорциональна энергии частицы, то в многоканальном анализаторе импульсов записывается энергетический спектр частиц, попадающих в ПБД. При таком измерении энергетического спектра ширина энергетического окна определяется шириной канала анализатора. Обычно используются анализаторы импульсов с 1024 каналами.

Наинизшая энергия, до которой используются поверхностно-барьерные детекторы, составляет для легких частиц (водород, гелий) ~ 10 кэВ. При такой энергии значение амплитуды импульса, вызванного одной частицы, становится равной уровню шума, так как величина тока образуемых частицей электрон-дырочных пар становится сравнимой с величиной темнового тока ПБД.

Поскольку ширина энергетического окна поверхностно-барьерного детектора – величина постоянная, то по мере уменьшения энергии регистрируемых частиц разрешающая способность ПБД как энергоанализатора ухудшается.

Твердотельный рентгеновский спектрометр.

Для измерения энергетического спектра рентгеновского излучения широко применяются твердотельные рентгеновские спектрометры. Принцип действия такого спектрометра практически аналогичен принципу действия ПБД. Различие лишь в том, что первичной частицей, инициирующей образования электрон-дырочных пар в данном случае является фотоэлектрон, образующейся при поглощении кремнием кванта рентгеновского излучения, попавшего в твердотельный рентгеновский спектрометр.

В качестве материала детектора используют монокристалл кремния, легированный литием. Si(Li)-кристалл обладает зонной структурой, в которой состояния в зоне проводимости свободны, а состояния в валентной зоне – заполнены. При фотоэлектрическом поглощении рентгеновского кванта электроны перебрасываются в зону проводимости, оставляя в валентной зоне дырки. При наличии напряжения смещения электроны и дырки разделяются и собираются электродами, напыленными с обеих сторон кристалла. Атом кремния остается в возбужденном состоянии, так как на испускание фотоэлектрона расходуется только часть энергии рентгеновского кванта. Эта энергия выделяется либо испусканием Оже-электрона, либо кванта характеристического рентгеновского излучения кремния. Оже-электрон испытывает неупругие рассеяния и также создает электрон-дырочные пары. Кванты рентгеновского излучения кремния могут повторно поглощаться, инициируя процесс снова. Таким образом имеет место последовательность событий, в результате которых вся энергия первично кванта рентгеновского излучения остается в детекторе. Поэтому количество электрон-дырочных пар, созданных квантом с энергией ħ определяется соотношением, аналогичным для случая ПБД

N0 = ħ/.

Таким образом, амплитуда импульса от одного рентгеновского кванта пропорциональна его энергии. Используя многоканальный анализатор импульсов или ЭВМ, можно измерить энергетический спектр рентгеновского излучения, попадающего на вход Si(Li) рентгеновского спектрометра.

Рис. 15.4

Uсм

R

E0

Au       n-Si      p-Si    Al

Рис.15.3

Рис. 15.2

Uсм

U

Rсм

Рис.15.1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81251. Инструментальные средства для разработки ППС, их достоинства и недостатки. Экспертная оценка ППС 35.7 KB
  Экспертная оценка ППС. Зайнутдинова предлагает различать 3 типа компьютерных обучающих программ: педагогические программные средства ППС компьютерные учебные программы одноцелевого назначения: сервисные контролирующие тренажеры моделирующие демонстрационные и т. Процесс создания ППС Педагогический сценарий детализирует структуру учебного материала и последовательность его изложения Технологический сценарий детализируетя технология представления Кодирование технологического сценария Технология разработки ППС рассмотрение принципов...
81252. Понятие государства 38.69 KB
  Суть ее в том что государство возникает в результате раскола общества на антагонистические классы и является исторически переходящим явлением. С исчезновением классов государство неизбежно должно отмереть. Естественноправовая договорная теория которая выводит государство из соглашения между правителями и подданными заключаемого в целях организации общественной жизни.Гумплович – считал что государство возникло как результат порабощения слабых групп более организованными и более сильными.
81253. Типология государств; формационный и цивилизационный подходы 39.33 KB
  Типология государства – это научная классификация государств по определенным типам на основании их общих признаков отражающая свойственные данному типу государств общие закономерности возникновения развития и функционирования. Центральным в типологии государства является понятие типа государства. Понятие тип государства служит для обозначения наиболее общих черт различных государств дающих возможность определить типовую принадлежность государства то есть его родство с другими государствами. Тип государства – это совокупность общих...
81254. Государство и экономика 37.86 KB
  При построении системы государственного регулирования экономики здесь господствует принцип максимальной возможности: все экономические процессы которые в принципе поддаются централизованному регулированию должны управляться центральными органами. Методы государственного регулирования экономики. Административные или прямые методы регулирования ограничивают свободу выбора хозяйствующего субъекта. Например директивные плановые задания по объему и ассортименту производимой продукции или централизованно установленные цены на товары и услуги...
81255. Понятие формы государства 35.49 KB
  Научное исследование различных аспектов формы государственности имеет важное теоретическое и практическое значение. Более полное конкретное представление о форме государства дает анализ 3х его составляющих формы правления государственного устройства государственно правового режима.
81256. Монархическая форма правления 43.24 KB
  Другой важной формой правления является регентство – временное коллегиальное или единоличное осуществление полномочий главы государства в монархиях в случае продолжительной болезни малолетства или временного отсутствия монарха. В зависимости от принципа наследования власти монархия может быть династической родовой и выборной. Гораздо чаще нам встречается родовая монархия где действовал принцип принадлежности к царскому роду.
81258. Форма государственного устройства 39.69 KB
  Конституция разграничивает полномочия субъектов и самой федерации.Территория федерации состоит из: а Субъектов которые по-разному называются. Субъекты федерации могут принимать свои конституции законы постановления и другие нормативно-правовые акты.
81259. Демократический политический режим 38.4 KB
  Демократическая политическая система – это организация легальной опирающейся на законы и подконтрольной обществу власти. В демократическом государстве народ является источником власти. Профессионализация власти – отличительный признак государства в котором существует демократический политический режим.