Устройство и принцип работы детектора рентгеновского излучения
Характеристическое рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия электронов пучка с электронами внутренних оболочек, которое приводит к выбиванию связанного электрона. При возвращении атомов в стационарное состояние происходит переход электронов с внешних оболочек для заполнения этой вакансии. Как уже отмечалось, высвободившаяся энергия атома может проявляться либо в форме генерации рентгеновского кванта, либо в форме испускания оже-электрона (рис. 3).
Рентгеновское излучение от образца проходит сквозь тонкое бериллиевое окно в криостат, где находится охлаждаемый, обратно смещенный кремниевый детектор (p-i-n), легированный литием. При поглощении рентгеновского кванта генерируется фотоэлектрон, который большую часть своей энергии расходует на образование электронно-дырочных пар. Они в свою очередь разделяются приложенным напряжением и формируют импульс заряда, который в предусилителе, чувствительном к заряду, преобразуется в импульс напряжения. Далее сигнал усиливается и формируется в главном усилителе, затем поступает в многоканальный анализатор, где происходит разделение импульсов по амплитуде. Данные поступают на ЭВМ, с помощью которой проводятся дальнейшие расчеты и анализы.
Рисунок 3. Схема процесса генерации оже-электрона или характеристического рентгеновского излучения
Типичное устройство детектора в деталях приведено на рисунке 4. Легированный литием кристалл кремния монтируется на конце хладопровода, подсоединенного к резервуару с жидким азотом, являющимся обычным сосудом Дьюара. Камера светонепроницаема, что препятствует генерации нежелательных электронно-дырочных пар в кристалле детектора фотонами нерентгеновского излучения. Она к тому же вакуумирована как для предотвращения загрязнения, так и для того, чтобы было легче поддерживать низкую температуру, необходимую для уменьшения шумов. Низкая температура необходима также для ограничения подвижности ионов лития, предварительно введенных в кристалл кремния для нейтрализации центров рекомбинации, что дает возможность создавать большую область собственной проводимости. На неохлажденный кристалл ни в коем случае нельзя подавать смещение. Во многих системах предусмотрены устройства блокировки, отключающие смещение при нагреве кристалла или нарушении вакуума. Существующие в настоящее время сосуды Дьюара способны поддерживать низкотемпературные условия несколько дней.
Рисунок 4. Схема системы спектрометра с дисперсией по энергии
(1 – бериллиевое окно; 2 – Si(Li)-детектор; 3 – источник смещения; 4 – криостат; 5 – предусилитель на полевом транзисторе; 6 – усилитель; 7 – схема подавления наложения импульсов; 8 – многоканальный анализатор; 9 – устройство вывода данных; 10 – ЭВМ)
Основой к пониманию работы спектрометра с дисперсией по энергии служит то, что амплитуды импульсов, производимых детектором, в среднем пропорциональны энергии входящего рентгеновского кванта. Невозмущенный Si(Li)-кристалл обладает зонной структурой, в которой состояния в зоне проводимости свободны, а в валентной зоне заполнены. При захвате высокоэнергетического фотона электроны перебрасываются в зону проводимости, оставляя дырки в валентной зоне. При наличии напряжения смещения электроны и дырки разделяются и собираются электродами, расположенными на поверхности кристалла.
Захват фотонов осуществляется путем фотоэлектрического поглощения. Падающий рентгеновский квант поглощается атомом кремния и испускается высокоэнергетический электрон. Затем этот фотоэлектрон за счет неупругого рассеяния в кристалле генерирует электронно-дырочные пары. Атом кремния остается в возбужденном состоянии, поскольку на испускание фотоэлектрона потребовалась не вся энергия рентгеновского кванта. Эта энергия впоследствии выделяется в виде оже-электрона, либо в виде кванта рентгеновского характеристического излучения кремния.
Отклонение процесса детектирования приводит к появлению артефактов, главным образом уширению пика, искажению пика, появлению пиков потерь рентгеновского фотона в кремнии, краев поглощения кремния и золота и пика внутренней флуоресценции кремния.
Уширение пика обуславливается, во-первых, статистическим разбросом числа носителей заряда, создаваемых захваченными моноэнергетическими фотонами из-за дискретной природы процесса, во-вторых, присутствием неопределенности, вводимой термическими шумами в процессе усиления. Прямым следствием расширения пика является понижение его высоты (количества импульсов на интервал энергии) по сравнению с собственным пиком и сопутствующее уменьшение отношения пик/фон.
Обычный спектрометр имеет защитное окно из бериллия, электрод из золота и неактивный слой кремния. Рентгеновское излучение, прежде чем оно достигнет активной зоны кремния, должно пройти через каждый из этих слоев. При прохождении рентгеновского излучения через эти слои происходит его поглощение. В бериллиевом окне поглощается практически все рентгеновское излучение с энергией ниже 600 эВ, рентгеновское излучение, энергия которого выше 2 кэВ, проходит через окно практически без поглощения, в интервале между этими пределами поглощение растет с уменьшением энергии. Так при энергии 1,5 кэВ пропускается около 70% излучения, а при энергии 1 кэВ уже 45% излучения.