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

8087. Аудиторская проверка учета кредитов и займов 63.9 KB
  Аудиторская проверка учета кредитов и займов План Введение I. Планирование аудиторской проверки кредитов и займов II. Классификация видов нарушений при привлечении кредитов и займов III. Источники и методы получения аудиторских доказательств ...
8088. Аудиторская проверка учёта расчётных и кредитных операций 84 KB
  Аудиторская проверка учёта расчётных и кредитных операций. Задачи, объекты и источники информации. Проверка расчётов с поставщиками и подрядчиками, покупателями и заказчиками. Аудит расчётов с подотчётными лицами. Аудит креди...
8089. Понятия о методах и приёмах воспитания. Классификация методов воспитания 22.47 KB
  Понятия о методах и приёмах воспитания. Классификация методов воспитания Методы воспитания - это пути, способы достижения заданной цели воспитания. Применительно к школьной практике можно сказать также, что методы - это способы воздействия...
8090. Методы формирования сознания личности 23.9 KB
  Методы формирования сознания личности Методы формирования сознания очень важны для формирования чувств, эмоционального переживания. Если ученики остаются безразличными к педагогическому воздействию, то, как известно, процесс развивается медленно и р...
8091. Методы организации деятельности и поведения 24.93 KB
  Методы организации деятельности и поведения Воспитание должно формировать требуемый тип поведения. Не понятия, убеждения, а конкретные дела, поступки характеризуют воспитанность личности. В этой связи организация деятельности и формирование опыта по...
8092. Методы стимулирования и коррекции поведения школьников 24.64 KB
  Методы стимулирования и коррекции поведения школьников С древних времен известны такие методы стимулирования, как поощрение и наказание. Педагогика XX века обратила внимание на еще один весьма действенный, хотя и не новый метод стимулирования...
8093. Сущность понятия форма воспитания. Классификация и характеристика отдельных форм воспитания 23.18 KB
  Сущность понятия форма воспитания. Классификация и характеристика отдельных форм воспитания. Формы воспитания - способы организации воспитательного процесса, способы целесообразной организации коллективной и индивидуальной деятельности учащихся...
8094. Умственное воспитание учащихся. Цель, сущность, педагогические условия и средства его осуществления 23.82 KB
  Умственное воспитание учащихся. Цель, сущность, педагогические условия и средства его осуществления Умственное воспитание (УВ) - педагогическая деятельность, направленная на развитие интеллектуальной культуры личности, познавательных мотивов, умстве...
8095. Мировоззрения личности. Основные пути формирования научного мировоззрения школьников 22.21 KB
  Мировоззрения личности. Основные пути формирования научного мировоззрения школьников Мировоззрение - это система взглядов на объективный мир и место в нем человека, на отношение человека к окружающей его действительности и самому себе, а также...