硅漂移探测器用于X射线标识谱与吸收实验

冉书能，贾春燕，吴思诚



硅漂移探测器用于X射线标识谱与吸收实验

冉书能，贾春燕，吴思诚

(北京大学 物理学院，北京 100871)

利用硅漂移探测器测量不同元素的标识X射线，验证莫塞莱定律，计算屏蔽系数并解释其变化规律. 利用不同厚度的镍吸收片做铜的标识X射线吸收，结果表明：单色化铜的标识X射线所需镍片的最佳厚度约为20 μm.

硅漂移探测器；X射线标识谱；屏蔽系数；能量分辨率

随着X射线能谱测量仪器的发展，利用标识X射线确定材料的化学组成的方法已广泛应用于各种现代谱仪分析技术中. 其中NaI闪烁探测器就是一种X射线能谱测量的设备，但其能量分辨率偏低. 相比之下，硅漂移探测器(Silicon drift detector，SDD)在X射线能谱测量中具有更好的能量分辨率[1].

1　硅漂移探测器

硅漂移探测器通过光电效应探测光信号. 它的主要结构是1块低掺杂的高阻n型硅，背面的辐射入射处有1层很薄的p型材料，正面的p型电极设计成间隔很短的条纹(通常做成同心圆环状). 在该PN结加反向偏置场，n型硅全耗尽，内部形成平行表面的电场. 耗尽层电离辐射产生的电子受电场力作用，向极低电容的收集阳极“漂移”，形成计数电流[2-3]. 如果激发1个电子空穴对所需能量为W，入射X射线能量为E，那么生成的电子数目N为E/W. 因此收集到的电脉冲信号大小和入射X射线能量成正比，通过信号放大并由多道脉冲分析器将不同能量的入射光子区分开，从而达到探测不同能量光子的目的. 在X射线能量范围内，硅漂移探测器具有良好的线性. 该探测器通常以55Fe的衰变产物55Mn的Kα射线能量5.95 keV为标准进行定标. 为减小热噪声对测量的影响，通过半导体制冷让探测器硅晶体冷却到220 K左右[4-6].

1.1实验装置

利用SDD探测X射线标识谱的实验装置见图1. 最下层放置待测样品，激发源封装在铅块内，开口向下，让高能射线竖直照射在下方的待测样品上，在激发源背部上方安置1台SDD用于接收样品发出的标识X射线. 该探测器探头尺寸为25 mm2，硅晶体厚度为500 μm，铍(Be)窗厚度为12.5 μm，能量分辨率半高全宽(55Fe,5.95 keV峰)为125～140 eV(11.2 μs峰化时间).

图1　SDD用于X射线标识谱与吸收实验装置

图2和图3为利用SDD和NaI探测器测量的Fe的X射线标识谱图. 从图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线和Kβ线. 从图3中看到，NaI探测器测得的Fe标识谱峰很宽，无法区分Kα线和Kβ线.

图2　利用SDD测得的Fe的X射线标识谱

图3　利用NaI探测器测得Fe的X射线标识谱

1.2验证莫塞莱定律

标识 X 射线的产生与原子内层电子的状态有关，且原子序数Z和所发出的标识 X 射线频率ν的平方根成正比,即

(1)

(1)式以类氢原子模型来研究标识X射线谱，与氢原子相比，核外其他电子对+Ze原子核势场的屏蔽作用采用屏蔽系数σ来描述. 对于Kα射线，n1=1，n2=2；对于Kβ射线，n1=1，n2=3. 图4是利用SDD测量的不同元素的X射线能量平方根和原子序数关系，从图中可以看出它们具有很好的线性关系，与莫塞莱定律[7]相符.

图4　　　　利用SDD测得的X射线能量平方根和　　　原子序数Z的关系

1.3屏蔽系数

根据莫塞莱定律分别算出不同元素Kα和Kβ射线的屏蔽系数σ，σ和原子序数的关系如图5所示. 从图中可以看到：对于Kα射线，屏蔽系数较小，约0.9，而且随着原子序数增加而减小. 对于Kβ射线，屏蔽系数在1.8左右，随着原子序数增加先增大后减小. 这是由于随原子序数的增加，新增加的电子的电子云较之其他电子更远离原子核，它对屏蔽系数的贡献较之其他电子更小. 故一般来讲，随原子序数的增加，屏蔽系数减小. 对于Kα，参与跃迁的电子来自第2壳层；而对于Kβ，参与跃迁的电子来自第3壳层. 第3壳层的电子较之第2壳层的电子受到的其他电子的屏蔽作用更大，故Kβ的屏蔽系数较之Kα要大. 对于Kβ，因参与跃迁的电子来自第3壳层，它受到第4壳层的电子即价电子壳层电子云的分布的影响较大，它随原子序数的变化在锌处达到最大，正好3D和4S的电子达到满壳层，电子云的分布最靠近原子核，故屏蔽系数最大.

图5　屏蔽系数σ和原子序数Z的关系

2　利用镍片单色化铜的标识X射线

X射线衍射是研究晶体结构的常用方法，一般是利用元素的K系标识X射线作为激发源，比如Cu的K系X射线，它由Kα和Kβ组成. 为了提高衍射分辨率，必须把K系X射线单色化，即过滤掉能量稍高的Kβ射线. 通常选用比Cu原子序数小1的Ni作为吸收材料，利用该SDD高的能量分辨率，采用5 μm厚的镍片，分别制作成1～5层厚的5个吸收片对Cu的标识X射线进行吸收，实验结果如图6所示. 从图中可以看到镍片对于2种射线都有吸收，在4层厚度时已经将Kβ射线全部吸收. 这已经单色化了铜的K系标识X射线，即选取20 μm左右厚度的Ni片对Cu标识X射线进行吸收即可. 如果想尽量减少Kα射线强度的损失，那么选择15 μm厚度也可以将Kβ的比例降到0.27%.

图6　计数和吸收片厚度D的关系

3　结　论

硅漂移探测器相比NaI探测器在能量分辨率上有显著地提高，能将标识谱的Kα和Kβ射线完全分开，提高测量精度. 实验利用SDD高的能量分辨率，分别测出不同元素的Kα和Kβ射线，根据莫塞莱定律计算出屏蔽系数σ，并从理论上解释σ随原子序数的变化规律. 采用不同厚度Ni片做Cu的标识X射线吸收，得出单色化Cu的标识X射线所需Ni片厚度约为20 μm.

[1]赵天池. 传感器和探测器的物理原理和应用[M]. 北京:科学出版社,2008:597-598.

[2]王文婧,陈博，陈璞，等. 硅漂移探测器结构设计与探测特性分析[J]. 集成电路通讯,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]吴思诚，荀坤. 近代物理实验[M]. 4版.北京:高等教育出版社,2005:22-27,192-194.

[责任编辑：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

冉书能(1982-)，男，重庆巫溪人，北京大学物理学院工程师，硕士，从事凝聚态理论研究.

O562.31

A

1005-4642(2016)10-0008-03