CC BY
94
62
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия Математика. Физика. 2015 № 23 (220). Выпуск 41
УДК 539.1.074.5:620.179.152
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ СПЕКТРОМЕТРА НА ОСНОВЕ НЕОХЛАЖДАЕМОГО Si ПЛАНАРНОГО ДЕТЕКТОРА И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ С ЕМКОСТНОЙ И РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
ENERGY RESOLUTION OF THE SPECTROMETER BASED ON UNCOOLED PLANAR Si DETECTOR AND PRE-AMPLIFIER WITH CAPACITIVE AND RESISTIVE-CAPACITIVE FEEDBACK
1А.С. Деев, 1,2А.А. Мазилов, 1С.В. Наумов, 1М.Ю. Шулика 1O.S. Deiev, 1,2A.A. Mazilov, 1S.V. Naumov, 1M.Yu. Shulika
ННЦ «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина NSC “Kharkov Institute of Physics and Technology”, 1 Akademicheskaya St, Kharkov, 61108, Ukraine 2Белгородский национальный исследовательский университет, Россия, 308015, г.Белгород, ул. Победы, 85 Belgorod National Research University, 85 Pobedy St, Belgorod, 308015, Russia E-mail: deev@kipt.kharkov.ua; alexey.mazilov@gmail.com; m shulika@kipt.kharkov.ua
Ключевые слова: кремниевые планарные детекторы, энергетическое разрешение детектора, фактор
Фано
Key words: silicon planar detectors, energy resolution of the detector, Fano factor
Аннотация. Представлены результаты измерений энергии излучения для разработанных в ННЦ ХФТИ одноканальных детектирующих систем на основе кремниевых неохлаждаемых планарных детекторов и спектрометрической считывающей электроники с предварительным усилителем двух типов: с емкостной и резистивно-емкостной обратной связью. В экспериментах применялись источники излучения 55Fe, 241Am, 57Co и характеристическое рентгеновское излучение (ХРИ) элементов от Cu до Pb. Измерены значения FWHM в диапазоне Er ~ 4-136 кэВ.
Resume. It is shown the results of measurements of irradiation energy for developed in NSC KIPT single channel detection systems based on uncooled planar silicon detectors and spectrometric readout electronics with preamplifiers of two types: with capacitive and resistive-capacitive feedback. In the experiments there were used radiation sources 55Fe, 241Am, 57Co and characteristic X-ray (CXR) of the elements from Cu to Pb. The values of the FWHM in the range Er ~ 4-136 keV were measured.
ВВЕДЕНИЕ
Кремниевые полупроводниковые детекторы получили широкое распространение в спектрометрии мягкого рентгеновского излучения [1,2]. Значимое место занимают гаммаспектрометрические методы неразрушающего анализа, которые являются более экспрессными, дешевыми и доступными, чем разрушающий химический анализ, требуют меньшей подготовки персонала, проводящего измерения, и не производят каких-либо значительных изменений в состоянии исследуемого материала [3].
Важной динамической характеристикой, существенной для правильной интерпретации результатов измерений спектров рентгеновского излучения, является энергетическое разрешение спектрометра при различных энергиях рентгеновского излучения [4]. Поэтому продолжаются исследования энергетического разрешения полупроводниковых рентгеновских спектрометров с различными типами детекторов [4-7].
В настоящей работе, представлены результаты измерений энергетического разрешения (FWHM) спектрометрической системы на основе герметизированного детектирующего модуля (неохлаждаемый Si PIN детектор) и зарядочувствительных усилителей двух типов: с емкостной (C) и резистивной (RC) обратной связью.
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ ШЦЯ Серия Математика. Физика. 2015. №23 (220). Выпуск 41 63
1. УСИЛИТЕЛИ С РЕЗИСТИВНО ЕМКОСТНОЙ (RC)
И ЕМКОСТНОЙ (С) ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
На Рис.1 показана схема классического зарядо-чувствительного усилителя, цепь обратной связи которого состоит из высокоомного резистора и конденсатора малой ёмкости. Основным достоинством этой схемы считается простота конструкции. К недостаткам следует отнести избыточный шум резистора обратной связи, большие габариты резистора обратной связи, малая стабильность по усилению заряда. На Рис.2 представлена схема зарядо-чувствительного усилителя со сбросом конденсатора обратной связи. Достоинства этой схемы: отсутствует резистор обратной связи, компактность, минимально низкий шум. Имеются также существенные недостатки: сложность реализации, специальные требования к спектрометрическому усилителю и амплитудному анализатору.
Рис. 1. Схема классического зарядо-чувствительного усилителя с резистивной (RC) обратной связью
Рис. 2. Схема зарядо-чувствительного усилителя со сбросом конденсатора обратной связи -
с емкостной (C) обратной связью
Разработанные и изготовленные в ННЦ ХФТИ герметизированные модули неохлаждаемых планарных кремниевых детекторов [8] и считывающая электроника [9] показали высокую стабильность при использовании в экспериментах физики высоких энергий, ядерно-физических
64 НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ j^jj Серия Математика. Физика. 2015 № 23 (220). Выпуск 41
экспериментах, в устройствах контроля концентрации элементов, в медицинских диагностических устройствах [10-12]. Спектрометрический канал на основе неохлаждаемого Si PIN детектора толщиной t = 300 pm обеспечивает устойчивую регистрацию излучения в диапазоне энергий Еу = 5...150 кэВ. В [11] рассмотрены вопросы эффективности регистрации квантов различных энергий.
В настоящей работе измерения энергетических спектров выполнены в диапазоне энергий 3,7-136 кэВ с помощью источников излучения 241Am, 57Co, ssFe и характеристического излучения (ХРИ), возбуждаемого для мишеней Са, Ti, Fe, Cu, Zn, Ni, Mo, Sn, Ag, Pb. Определено энергетическое разрешение Si детектора (FWHM - полная ширина на полувысоте пика гамма линий) в нормальных условиях. Обработка и разделение линий проведена в Origin 8.
2. СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И FWHM ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ С РЕЗИСТИВНО-ЕМКОСТНОЙ (RC) ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
На Рис.3 представлены экспериментальные спектры для источников гамма-излучения 241Am (ОСГИ - кривая 1, в металлическом корпусе - кривая 2), полученные Si детектором толщиной 300 pm. Спектры гамма излучения состоят из набора линий (пики полного поглощения) и комптоновского распределения.
Рис.3. Экспериментальные спектры для источников гамма-излучения 241Am (ОСГИ - кривая 1, в металлическом корпусе - кривая 2), полученные Si детектором толщиной 300 pm.
На Рис.4 представлены спектры ХРИ для Fe, Pb и Ag. Для Fe линии Ка и Кр не разделены, для Pb измерен L триплет, для Ag линии Ка и Кр разделены.
Рис.4. Экспериментальные спектры ХРИ для Fe, Pb и Ag.
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ Ц^Ц Серия Математика. Физика. 2015. №23 (220). Выпуск 41 65
На Рис.5 представлен спектр ХРИ от Cu, линии Ка и Кр не разделены, но отчетливо заметна асимметрия пика ХРИ.
Рис.5. Спектр ХРИ от Cu, линии Ка и Кр не разделены, но отчетливо заметна асимметрия пика ХРИ.
На Рис.6 представлен спектр излучения от источника 55Fe, линии Ка и Кр также не разделяются, заметна асимметрия пика.
Рис.6. Спектр излучения от источника 55Fe, линии Ка и Кр не разделяются, заметна асимметрия пика.
Результаты по измерению энергетического разрешения для спектрометрической системы с резистивно-емкостной обратной связью (RC) представлены в Табл.1. FWHM в составило 0,971,21 кэВ (см. Табл.1), а край фоновых шумов <2 кэВ. Ошибка определения полуширин не превышала 1-2%. Отметим, что зависимость энергетического разрешения от энергии рентгеновских квантов при комнатной температуре выражена слабо.
Таблица 1. Значения FWHM для спектрометрической системы с резистивно-емкостной обратной связью (RC)
E, keV 3-69 5.9 8.046 15.77 17.47 25.27 26.34 59.54 122.06 136.47
FWHM 0.99 0.97 0.97 0.99 0.98 1.02 1.05 1.10 1.19 1.21
66 НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ j^jj Серия Математика. Физика. 2015 № 23 (220). Выпуск 41
3. СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И FWHM ДЛЯ УСИЛИТЕЛЯ С ЕМКОСТНОЙ (C) ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Изготовлен и оптимизирован экспериментальный образец спектрометрической системы на основе герметизированного детектирующего модуля (неохлаждаемый Si PIN детектор с током утечки 6 пА при температуре 25°С) и зарядочувствительного усилителя с емкостной обратной связью (C).
На Рис.7 показан экспериментальный спектр излучения для источника 241Am (ОСГИ), полученный Si детектором толщиной 300 pm. Выделены изолированные монолинии с энергией 13.9, 26. 34 и 59.54 кэВ.
Рис.7. Экспериментальный спектр излучения для источника 241Am (ОСГИ), полученный Si детектором толщиной 300 pm.
На Рис.8 представлен спектр ХРИ от Cu, линии Ка и Кр не разделены, но асимметрия пика ХРИ выражена более отчетливо, чем на Рис.5.
Рис.8. Спектр ХРИ от Cu, линии Ка и Кр не разделены.
На Рис.9 представлен спектр излучения от источника 55Fe. Полученный результат сравним с аналогичным результатом [6].
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ Ц^Ц Серия Математика. Физика. 2015. №23 (220). Выпуск 41 67
Рис.9. Спектр излучения от источника 55Fe.
Результаты по измерению энергетического разрешения для спектрометрической системы с емкостной обратной связью (C) представлены в Табл. 2. FWHM в составило 0,7-0,79 кэВ, а край фоновых шумов <1,3 кэВ. Энергетическое разрешение слабо зависит от энергии квантов.
Таблица 2. Значения FWHM для спектрометрической системы с емкостной обратной связью (C)
E, keV 5-9 8.04 8.63 13.9 17.47 26.34 59.54
FWHM 0.78 0.70 0.71 0.76 0.75 0.77 0.79
4. РАЗДЕЛЕНИЕ ФАКТОРА ФАНО ДЕТЕКТОРА И ШУМОВ ЭЛЕКТРОННОГО ТРАКТА
На Рис.10 показана зависимость энергетического разрешения спектрометрического тракта (FWHM), измеренного для спектрометрических систем с зарядочувствительными усилителями двух типов с резистивно-емкостной (RC) и емкостной (C) обратной связью.
Рис.10. Зависимость энергетического разрешения спектрометрического тракта (FWHM), измеренного для резистивно-емкостной (RC) и емкостной (C) обратной связи.
Разрешение спектрометра можно представить в виде квадратного корня из суммы квадратов разрешения электроники Eel и фактора Фано [4]:
FWHM = yj(FWHM)2 + 2.352 • F-a-E
68 НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ j^jj Серия Математика. Физика. 2015 № 23 (220). Выпуск 41
Математическими расчетами можно разделить величины Eel и фактора Фано. На Рис.11 эти величины представлены как FWHM electronic для двух типов обратной связи и FWHM Fano.
Рис.11. Величины FWHM electronic для двух типов обратной связи и FWHM Fano (нижняя кривая).
Нижняя кривая рассчитана как FWHM= 2.35-sqrtCF-w-Ey), w=3.63 eV, F=0.11 (F - фактор Фано), Ey - энергия квантов. Вклад шумов электроники для RC ~1000 eV, для C обратной связи ~ 750 eV .
Как можно видеть, в нашем случае для Si PIN детекторов при комнатной температуре квадрат фактора Фано значительно меньше квадрата шумов электроники. C этим обстоятельством связана слабая зависимость энергетического разрешения от энергии квантов. Аналогичные зависимости получены например, в [6,7].
Выводы
Представлены экспериментальные результаты измерений энергии излучения, полученные на разработанных в ННЦ ХФТИ экспериментальных образцах детектирующих систем на основе неохлаждаемых Si PIN детекторов.
Проведены измерения в диапазоне энергий квантов Ey=3-140 кэВ. Измерены энергетические разрешения FWHM и предельный уровень шумов для спектрометрических систем с зарядочувствительными усилителями двух типов: с резистивно-емкостной (RC) и емкостной (C) обратной связью.
Энергетическое разрешение (FWHM) детектора с усилителем с резистивно-емкостной обратной связью в указанном диапазоне энергий изменяется с увеличением энергии квантов с
0.97 до 1.21 кэВ. Уровень шумов спектрометрической системы не превышает 2 кэВ.
Результаты измеренного энергетического разрешения с усилителем с емкостной обратной связью находились в диапазоне 0,71-0,77 кэВ для Ey=5-60 кэВ, что подтверждает высокие характеристики спектрометрической системы. Уровень шумов системы измерен на уровне <1,37 кэВ.
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия Математика. Физика. 2015. №23 (220). Выпуск 41 69
Показано, что при комнатной температуре квадрат фактора Фано значительно меньше квадрата шумов электроники. C этим обстоятельством связана слабая зависимость энергетического разрешения от энергии квантов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №15-12-10019).
Список литературы
1. Kowalski E. Nuclear electronics, Springer-Verlag, Berlin, New York, 1970. In Russian translation: Е. Ковальский. Ядерная электроника, - М.: Атомиздат., 1972. - 360 с.
2. Акимов Ю.К. , Игнатьев О.В. , Калинин А.И. , Кушнирук В.Ф. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. - М.: Энергоатомиздат,1989. - 344 с.
3. Дуглас Райлли, Норберт Энсслин, Хэйстингс Смит, Сара Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов // Пер. с англ.- М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000. - 720 с.
4. J. Morse. Energy resolving semiconductor detectors for X-ray spectroscopy // http://www.esrf.eu/files/live/sites/www/files/Instrumentation/friday-lectures slides/ ESRFtalk201002 EDX-Systems.pdf
5. Leonardo Abbene and Gaetano Gerardi. High Resolution X-Ray Spectroscopy with
Compound Semiconductor Detectors and Digital Pulse Processing Systems //
http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/27337.pdf
6. Hua Feng, Philip Kaaret, Hans Andersson. Double-layer silicon PIN photodiode X-ray detector for a future X-ray timing mission // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2006. V. 564. Pp. 347-351.
7. K. Mathieson, R. Bates, G.M. Iles, S. Manolopoulos et al. Simulated and experimental results from a room temperature silicon X-ray pixel detector // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2001. V. 460. Pp.191-196.
8. G.P. Vasilyev, V.K. Voloshin, S.K. Kiprich et al. Encapsulated modules of silicon detectors of ionizing radiation // Problems of atomic science and technology, 2010. № 3. Series: Nuclear Physics Investigations (54). Pp. 200-204.
9. V.I. Kulibaba, N.I. Maslov, S.V. Naumov, V.D. Ovchinnik, I.M. Prokhorets. Readout electronics for multichannel detectors // Problems of Atomic Science and Technology. Ser.:NPI., 2001. №5(39), Pp. 177-179.
10. G.P. Vasiliev, V.K. Voloshyn O.S. Deiev, A.A. Mazilov et al. Radiation dose determination by dual channel spectrometr in energy range 0.005...1 MeV // Problems of atomic science and technology. 2012. №4 (80). Series: Nuclear Physic Investigations (59). p. 205-209.
11. G.L. Bochek, O.S. Deiev, N.I. Maslov, V.K. Voloshyn. X-ray lines relative intensity depending on detector efficiency, foils and cases thickness for primary and scattered spectra// Problems of atomic science and technology, 2011. №3 (73). Series: Nuclear Physic Investigations (55). p. 42-49.
12. G.P. Vasiliev, V.K. Voloshyn, O.S. Deiev et al. Measurement of Radiation Energy by Spectrometric Systems Based on Uncooled Silicon Detectors. // Journal of Surface Investigation. X ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2014. Vol. 8. No. 2. pp. 391-397
References
1. E. Kowalski. Nuclear electronics, Springer-Verlag, Berlin, New York, 1970. In Russian translation: E. Kowalski. Nuclear electronics, - M.: Atomizdat. - 1972. - 360 p.
2. Y.K. Akimov, O.V. Ignatiev, A.I. Kalinin, V.F. Kushniruk. Semiconductor detectors in experimental physics. - M.: Energoatomizdat. - 1989. - 344 p.
3. Douglas Reilly, Norbert Ensslin, Hastings Smith, Sarah Krayner. Passive nondestructive analysis of nuclear materials // Transl. from eng.- Moscow: ZAO "Publisher BINOM". - 2000. - 720 p.
4. J. Morse. Energy resolving semiconductor detectors for X-ray spectroscopy // http:// www.esrf.eu/files/live/sites/www/files/Instrumentation/friday-lectures-slides/ESRFtalk201002EDX-Systems.pdf
5. Leonardo Abbene and Gaetano Gerardi. High Resolution X-Ray Spectroscopy with Compound Semiconductor Detectors and Digital Pulse Processing Systems // http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/27337.pdf
70 НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ ЕЯ Серия Математика. Физика. 2015 № 23 (220). Выпуск 41
6. Hua Feng, Philip Kaaret, Hans Andersson. Double-layer silicon PIN photodiode X-ray detector for a future X-ray timing mission //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2006. V 564. Pp.347-351
7. K. Mathieson, R. Bates, G.M. Iles, S. Manolopoulos et al. Simulated and experimental results from a room temperature silicon X-ray pixel detector // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2001. V. 460. Pp.191-196.
8. G.P. Vasilyev, V.K. Voloshin, S.K. Kiprich et al. Encapsulated modules of silicon detectors of ionizing radiation // Problems of atomic science and technology,2010. No 3. Series: Nuclear Physics Investigations (54). Pp. 200-204.
9. V.I. Kulibaba, N.I. Maslov, S.V. Naumov, V.D. Ovchinnik, I.M. Prokhorets. Readout electronics for multichannel detectors // Problems of Atomic Science and Technology. Ser.:NPI., 2001. №5(39),
Pp. 177-179.
10. G.P. Vasiliev, V.K. Voloshyn O.S. Deiev, A.A. Mazilov et al. Radiation dose determination by dual channel spectrometr in energy range 0.005...1 MeV // Problems of atomic science and technology, 2012. №4 (80). Series: Nuclear Physic Investigations (59). Pp. 205-209.
11. G.L. Bochek, O.S. Deiev, N.I. Maslov, V.K. Voloshyn. X-ray lines relative intensity depending on detector efficiency, foils and cases thickness for primary and scattered spectra // Problems of atomic science and technology,2011. №3 (73). Series: Nuclear Physic Investigations (55). p. 42-49.
12. G.P. Vasiliev, V.K. Voloshyn, O.S. Deiev et al. Measurement of Radiation Energy by Spectrometric Systems Based on Uncooled Silicon Detectors. // Journal of Surface Investigation. X ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2014. V. 8. No. 2. Pp. 391-397
