硅漂移探測器用于X射線標識譜與吸收實驗

冉書能，賈春燕，吳思誠

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硅漂移探測器用于X射線標識譜與吸收實驗

冉書能，賈春燕，吳思誠

(北京大學 物理學院，北京 100871)

利用硅漂移探測器測量不同元素的標識X射線，驗證莫塞萊定律，計算屏蔽系數并解釋其變化規律. 利用不同厚度的鎳吸收片做銅的標識X射線吸收，結果表明：單色化銅的標識X射線所需鎳片的最佳厚度約為20 μm.

硅漂移探測器；X射線標識譜；屏蔽系數；能量分辨率

隨著X射線能譜測量儀器的發展，利用標識X射線確定材料的化學組成的方法已廣泛應用于各種現代譜儀分析技術中. 其中NaI閃爍探測器就是一種X射線能譜測量的設備，但其能量分辨率偏低. 相比之下，硅漂移探測器(Silicon drift detector，SDD)在X射線能譜測量中具有更好的能量分辨率[1].

1　硅漂移探測器

硅漂移探測器通過光電效應探測光信號. 它的主要結構是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型電極設計成間隔很短的條紋(通常做成同心圓環狀). 在該PN結加反向偏置場，n型硅全耗盡，內部形成平行表面的電場. 耗盡層電離輻射產生的電子受電場力作用，向極低電容的收集陽極“漂移”，形成計數電流[2-3]. 如果激發1個電子空穴對所需能量為W，入射X射線能量為E，那么生成的電子數目N為E/W. 因此收集到的電脈沖信號大小和入射X射線能量成正比，通過信號放大并由多道脈沖分析器將不同能量的入射光子區分開，從而達到探測不同能量光子的目的. 在X射線能量范圍內，硅漂移探測器具有良好的線性. 該探測器通常以55Fe的衰變產物55Mn的Kα射線能量5.95 keV為標準進行定標. 為減小熱噪聲對測量的影響，通過半導體制冷讓探測器硅晶體冷卻到220 K左右[4-6].

1.1實驗裝置

利用SDD探測X射線標識譜的實驗裝置見圖1. 最下層放置待測樣品，激發源封裝在鉛塊內，開口向下，讓高能射線豎直照射在下方的待測樣品上，在激發源背部上方安置1臺SDD用于接收樣品發出的標識X射線. 該探測器探頭尺寸為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峰化時間).

圖1　SDD用于X射線標識譜與吸收實驗裝置

圖2和圖3為利用SDD和NaI探測器測量的Fe的X射線標識譜圖. 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探測器測得的Fe標識譜峰很寬，無法區分Kα線和Kβ線.

圖2　利用SDD測得的Fe的X射線標識譜

圖3　利用NaI探測器測得Fe的X射線標識譜

1.2驗證莫塞萊定律

標識 X 射線的產生與原子內層電子的狀態有關，且原子序數Z和所發出的標識 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研究標識X射線譜，與氫原子相比，核外其他電子對+Ze原子核勢場的屏蔽作用采用屏蔽系數σ來描述. 對于Kα射線，n1=1，n2=2；對于Kβ射線，n1=1，n2=3. 圖4是利用SDD測量的不同元素的X射線能量平方根和原子序數關系，從圖中可以看出它們具有很好的線性關系，與莫塞萊定律[7]相符.

圖4　　　　利用SDD測得的X射線能量平方根和　　　原子序數Z的關系

1.3屏蔽系數

根據莫塞萊定律分別算出不同元素Kα和Kβ射線的屏蔽系數σ，σ和原子序數的關系如圖5所示. 從圖中可以看到：對于Kα射線，屏蔽系數較小，約0.9，而且隨著原子序數增加而減小. 對于Kβ射線，屏蔽系數在1.8左右，隨著原子序數增加先增大后減小. 這是由于隨原子序數的增加，新增加的電子的電子云較之其他電子更遠離原子核，它對屏蔽系數的貢獻較之其他電子更小. 故一般來講，隨原子序數的增加，屏蔽系數減小. 對于Kα，參與躍遷的電子來自第2殼層；而對于Kβ，參與躍遷的電子來自第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的屏蔽系數較之Kα要大. 對于Kβ，因參與躍遷的電子來自第3殼層，它受到第4殼層的電子即價電子殼層電子云的分布的影響較大，它隨原子序數的變化在鋅處達到最大，正好3D和4S的電子達到滿殼層，電子云的分布最靠近原子核，故屏蔽系數最大.

圖5　屏蔽系數σ和原子序數Z的關系

2　利用鎳片單色化銅的標識X射線

X射線衍射是研究晶體結構的常用方法，一般是利用元素的K系標識X射線作為激發源，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個吸收片對Cu的標識X射線進行吸收，實驗結果如圖6所示. 從圖中可以看到鎳片對于2種射線都有吸收，在4層厚度時已經將Kβ射線全部吸收. 這已經單色化了銅的K系標識X射線，即選取20 μm左右厚度的Ni片對Cu標識X射線進行吸收即可. 如果想盡量減少Kα射線強度的損失，那么選擇15 μm厚度也可以將Kβ的比例降到0.27%.

圖6　計數和吸收片厚度D的關系

3　結　論

硅漂移探測器相比NaI探測器在能量分辨率上有顯著地提高，能將標識譜的Kα和Kβ射線完全分開，提高測量精度. 實驗利用SDD高的能量分辨率，分別測出不同元素的Kα和Kβ射線，根據莫塞萊定律計算出屏蔽系數σ，并從理論上解釋σ隨原子序數的變化規律. 采用不同厚度Ni片做Cu的標識X射線吸收，得出單色化Cu的標識X射線所需Ni片厚度約為20 μm.

[1]趙天池. 傳感器和探測器的物理原理和應用[M]. 北京:科學出版社,2008:597-598.

[2]王文婧,陳博，陳璞，等. 硅漂移探測器結構設計與探測特性分析[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，荀坤. 近代物理實驗[M]. 4版.北京:高等教育出版社,2005:22-27,192-194.

[責任編輯：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，北京大學物理學院工程師，碩士，從事凝聚態理論研究.

O562.31

A

1005-4642(2016)10-0008-03