硅漂移探測(cè)器用于X射線標(biāo)識(shí)譜與吸收實(shí)驗(yàn)

冉書能，賈春燕，吳思誠(chéng)

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硅漂移探測(cè)器用于X射線標(biāo)識(shí)譜與吸收實(shí)驗(yàn)

冉書能，賈春燕，吳思誠(chéng)

(北京大學(xué) 物理學(xué)院，北京 100871)

利用硅漂移探測(cè)器測(cè)量不同元素的標(biāo)識(shí)X射線，驗(yàn)證莫塞萊定律，計(jì)算屏蔽系數(shù)并解釋其變化規(guī)律. 利用不同厚度的鎳吸收片做銅的標(biāo)識(shí)X射線吸收，結(jié)果表明：?jiǎn)紊~的標(biāo)識(shí)X射線所需鎳片的最佳厚度約為20 μm.

硅漂移探測(cè)器；X射線標(biāo)識(shí)譜；屏蔽系數(shù)；能量分辨率

隨著X射線能譜測(cè)量?jī)x器的發(fā)展，利用標(biāo)識(shí)X射線確定材料的化學(xué)組成的方法已廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代譜儀分析技術(shù)中. 其中NaI閃爍探測(cè)器就是一種X射線能譜測(cè)量的設(shè)備，但其能量分辨率偏低. 相比之下，硅漂移探測(cè)器(Silicon drift detector，SDD)在X射線能譜測(cè)量中具有更好的能量分辨率[1].

1　硅漂移探測(cè)器

硅漂移探測(cè)器通過光電效應(yīng)探測(cè)光信號(hào). 它的主要結(jié)構(gòu)是1塊低摻雜的高阻n型硅，背面的輻射入射處有1層很薄的p型材料，正面的p型電極設(shè)計(jì)成間隔很短的條紋(通常做成同心圓環(huán)狀). 在該P(yáng)N結(jié)加反向偏置場(chǎng)，n型硅全耗盡，內(nèi)部形成平行表面的電場(chǎng). 耗盡層電離輻射產(chǎn)生的電子受電場(chǎng)力作用，向極低電容的收集陽(yáng)極“漂移”，形成計(jì)數(shù)電流[2-3]. 如果激發(fā)1個(gè)電子空穴對(duì)所需能量為W，入射X射線能量為E，那么生成的電子數(shù)目N為E/W. 因此收集到的電脈沖信號(hào)大小和入射X射線能量成正比，通過信號(hào)放大并由多道脈沖分析器將不同能量的入射光子區(qū)分開，從而達(dá)到探測(cè)不同能量光子的目的. 在X射線能量范圍內(nèi)，硅漂移探測(cè)器具有良好的線性. 該探測(cè)器通常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的Kα射線能量5.95 keV為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定標(biāo). 為減小熱噪聲對(duì)測(cè)量的影響，通過半導(dǎo)體制冷讓探測(cè)器硅晶體冷卻到220 K左右[4-6].

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

利用SDD探測(cè)X射線標(biāo)識(shí)譜的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1. 最下層放置待測(cè)樣品，激發(fā)源封裝在鉛塊內(nèi)，開口向下，讓高能射線豎直照射在下方的待測(cè)樣品上，在激發(fā)源背部上方安置1臺(tái)SDD用于接收樣品發(fā)出的標(biāo)識(shí)X射線. 該探測(cè)器探頭尺寸為25 mm2，硅晶體厚度為500 μm，鈹(Be)窗厚度為12.5 μm，能量分辨率半高全寬(55Fe,5.95 keV峰)為125～140 eV(11.2 μs峰化時(shí)間).

圖1　SDD用于X射線標(biāo)識(shí)譜與吸收實(shí)驗(yàn)裝置

圖2和圖3為利用SDD和NaI探測(cè)器測(cè)量的Fe的X射線標(biāo)識(shí)譜圖. 從圖2中可看出，利用SDD采集提高了能量分辨率，能清楚地看到Fe的Kα線和Kβ線. 從圖3中看到，NaI探測(cè)器測(cè)得的Fe標(biāo)識(shí)譜峰很寬，無(wú)法區(qū)分Kα線和Kβ線.

圖2　利用SDD測(cè)得的Fe的X射線標(biāo)識(shí)譜

圖3　利用NaI探測(cè)器測(cè)得Fe的X射線標(biāo)識(shí)譜

1.2驗(yàn)證莫塞萊定律

標(biāo)識(shí) X 射線的產(chǎn)生與原子內(nèi)層電子的狀態(tài)有關(guān)，且原子序數(shù)Z和所發(fā)出的標(biāo)識(shí) X 射線頻率ν的平方根成正比,即

(1)

(1)式以類氫原子模型來(lái)研究標(biāo)識(shí)X射線譜，與氫原子相比，核外其他電子對(duì)+Ze原子核勢(shì)場(chǎng)的屏蔽作用采用屏蔽系數(shù)σ來(lái)描述. 對(duì)于Kα射線，n1=1，n2=2；對(duì)于Kβ射線，n1=1，n2=3. 圖4是利用SDD測(cè)量的不同元素的X射線能量平方根和原子序數(shù)關(guān)系，從圖中可以看出它們具有很好的線性關(guān)系，與莫塞萊定律[7]相符.

圖4　　　　利用SDD測(cè)得的X射線能量平方根和　　　原子序數(shù)Z的關(guān)系

1.3屏蔽系數(shù)

根據(jù)莫塞萊定律分別算出不同元素Kα和Kβ射線的屏蔽系數(shù)σ，σ和原子序數(shù)的關(guān)系如圖5所示. 從圖中可以看到：對(duì)于Kα射線，屏蔽系數(shù)較小，約0.9，而且隨著原子序數(shù)增加而減小. 對(duì)于Kβ射線，屏蔽系數(shù)在1.8左右，隨著原子序數(shù)增加先增大后減小. 這是由于隨原子序數(shù)的增加，新增加的電子的電子云較之其他電子更遠(yuǎn)離原子核，它對(duì)屏蔽系數(shù)的貢獻(xiàn)較之其他電子更小. 故一般來(lái)講，隨原子序數(shù)的增加，屏蔽系數(shù)減小. 對(duì)于Kα，參與躍遷的電子來(lái)自第2殼層；而對(duì)于Kβ，參與躍遷的電子來(lái)自第3殼層. 第3殼層的電子較之第2殼層的電子受到的其他電子的屏蔽作用更大，故Kβ的屏蔽系數(shù)較之Kα要大. 對(duì)于Kβ，因參與躍遷的電子來(lái)自第3殼層，它受到第4殼層的電子即價(jià)電子殼層電子云的分布的影響較大，它隨原子序數(shù)的變化在鋅處達(dá)到最大，正好3D和4S的電子達(dá)到滿殼層，電子云的分布最靠近原子核，故屏蔽系數(shù)最大.

圖5　屏蔽系數(shù)σ和原子序數(shù)Z的關(guān)系

2　利用鎳片單色化銅的標(biāo)識(shí)X射線

X射線衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)的常用方法，一般是利用元素的K系標(biāo)識(shí)X射線作為激發(fā)源，比如Cu的K系X射線，它由Kα和Kβ組成. 為了提高衍射分辨率，必須把K系X射線單色化，即過濾掉能量稍高的Kβ射線. 通常選用比Cu原子序數(shù)小1的Ni作為吸收材料，利用該SDD高的能量分辨率，采用5 μm厚的鎳片，分別制作成1～5層厚的5個(gè)吸收片對(duì)Cu的標(biāo)識(shí)X射線進(jìn)行吸收，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示. 從圖中可以看到鎳片對(duì)于2種射線都有吸收，在4層厚度時(shí)已經(jīng)將Kβ射線全部吸收. 這已經(jīng)單色化了銅的K系標(biāo)識(shí)X射線，即選取20 μm左右厚度的Ni片對(duì)Cu標(biāo)識(shí)X射線進(jìn)行吸收即可. 如果想盡量減少Kα射線強(qiáng)度的損失，那么選擇15 μm厚度也可以將Kβ的比例降到0.27%.

圖6　計(jì)數(shù)和吸收片厚度D的關(guān)系

3　結(jié)　論

硅漂移探測(cè)器相比NaI探測(cè)器在能量分辨率上有顯著地提高，能將標(biāo)識(shí)譜的Kα和Kβ射線完全分開，提高測(cè)量精度. 實(shí)驗(yàn)利用SDD高的能量分辨率，分別測(cè)出不同元素的Kα和Kβ射線，根據(jù)莫塞萊定律計(jì)算出屏蔽系數(shù)σ，并從理論上解釋?duì)译S原子序數(shù)的變化規(guī)律. 采用不同厚度Ni片做Cu的標(biāo)識(shí)X射線吸收，得出單色化Cu的標(biāo)識(shí)X射線所需Ni片厚度約為20 μm.

[1]趙天池. 傳感器和探測(cè)器的物理原理和應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社,2008:597-598.

[2]王文婧,陳博，陳璞，等. 硅漂移探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探測(cè)特性分析[J]. 集成電路通訊,2012,30(2):4-9.

[3]Bertuccio G, Fasoli L, Fiorini C, et al. Silicon drift detector with integrated p-JFET for continuous discharge of collected electrons through the gate junction [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1996,377(2-3):352-356.

[4]Lechner P, Hartmann R, Soltau H, et al. Pair creation energy and Fano factor of silicon in the energy range of soft X-rays [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,1996,377(2-3):206-208.

[5]Fan H Y. Temperature dependence of the energy gap in semiconductors [J]. Phys. Rev., 1951,82(6):900-905.

[6]Poncé S, Antonius G, Gillet Y, et al. Temperature dependence of electronic eigenenergies in the adiabatic harmonic approximation [J]. Physical Review B, 2014,90(21):1-15.

[7]吳思誠(chéng)，荀坤. 近代物理實(shí)驗(yàn)[M]. 4版.北京:高等教育出版社,2005:22-27,192-194.

[責(zé)任編輯：任德香]

Silicon drift detector for characteristic X-ray spectrum and absorption experiment

RAN Shu-neng, JIA Chun-yan, WU Si-cheng

(Department of Physics, Peking University, Beijing 100871, China)

The characteristic X-ray spectrum was measured using silicon drift detector, the Moseley law was verified, and the shielding coefficient and its variation was calculated and explained. The absorption of the characteristic X-ray spectrum of copper was investigated using nickel absorption sheets of different thickness. It was concluded that the optimum thickness of the nickel sheet required for the monochromatization of Cu characteristic spectrum was about 20 μm.

silicon drift detector; characteristic X-ray spectrum; shielding factor; energy resolution

2016-06-15

冉書能(1982-)，男，重慶巫溪人，北京大學(xué)物理學(xué)院工程師，碩士，從事凝聚態(tài)理論研究.

O562.31

A

1005-4642(2016)10-0008-03