Принцип работы спектрометра с дисперсией по энергии и процесс детектирования
Для понимания принципа работы детектора с дисперсией (рисунок 19) по энергии необходимо вспомнить базовые принципы полупроводимости.
Рисунок 19 – Спектрометр с дисперсией по энергии
Кристалл Si обладает зонной структурой (рисунок 20). В таких материалах валентная зона заполнена, то есть все возможные электронные состояния в ней заняты, а зона проводимости является пустой. Валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной шириной Eg. В собственном полупроводнике отсутствуют избыточные электроны для переноса заряда в зоне проводимости, как и отсутствуют «дырки» в валентной зоне. Такие полупроводники не проводят ток при приложении электрического поля. При захвате высокоэнергичного фотона р.и. электроны из валентной зоны перебрасываются в зону проводимости, оставляя «дырки» в валентной. При наличии напряжения смещения электроны и «дырки» разделяются и собираются электродами, расположенными на поверхности кристалла.
Рисунок 20 – Зонная структура кристалла Si
Захват фотонов происходит путем фотоэлектрического поглощения. Падающий фотон р. и. вначале поглощается атомом Si, испуская высокоэнергичный электрон. Затем этот фотоэлектрон по мере того, как он движется в Si детекторе и испытывает неупругое рассеяние, генерирует электрон – «дырочные» пары (рисунок 21).
Рисунок 21 – Процесс детектирования
Атом Si остается в состоянии с высокой энергией, 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 Si и т.д.( Оже – электрон испытывает неупругое рассеяние и формирует электрон–«дырочную» пары, кванты р.и. Si повторно могут поглощаться, инициируя процесс снова или неупруго рассеиваться). Таким образом, вся энергия первичного фотона остается в детекторе.
В идеальном
случае количество носителей заряда,
созданное падающей частицей с энергией
n=E/E0,
E0=3,8 эВ для
образования пары в Si.
Например, для фотона с энергией 5кэВ
формируется 1300 электронов, что
соответствует заряду 2*
Кулон.
Это очень маленький заряд, который
необходимо усилить в
раз.
Электрон – «дырочные» пары разделяются приложенным полем и формируют импульс заряда, который затем в предусилителе, чувствительном к заряду, преобразуется в импульс напряжения. Затем сигнал усиливается в главном усилителе и, наконец, поступает в многоканальный анализатор, где происходит разделение импульсов по энергиям.
В конструкции спектрометра предусмотрено охлаждение, необходимое как для уменьшения шумов в системе, так и для ограничения подвижности ионов Li, которым легируют Si для компенсации наличия примесей.
