Детектирующие устройства в рентгенофлуоресцентном анализе

     Поглощаясь  в рабочем газе детектора, рентгеновские  лучи вызывают вторичное рентгеновское  излучение газа. Если это вторичное  излучение выйдет из рабочего объема детектора не поглотившись, то ионизации вторичными фотонами теряются и наряду с основным пиком возникает пик потерь, смещенный от основного пика на величину потерянной энергии фотонов рабочего газа. Наличие пика потерь необходимо учитывать при анализе, так как он может давать нежелательные наложения на аналитическую линию.

     Пока  продолжается разряд, счетчик не может  зарегистрировать очередной квант  рентгеновского излучения. При исследовании квантов чаще чем через 1-2 мкс  счетчик не будет их регистрировать. Это время принято называть мертвым. Поправку на мертвое время t_м можно вести по формуле:

     I = I₀/(1 – I₀t_м),

     где I, I₀ – соответственно исправленная и измеренная интенсивности. Мертвое время может значительно увеличиваться и за счет регистрирующей электронной схемы, работающей в комплекте с детектором. Поэтому следует избегать нагрузок детектора превышающих 10⁴ имп/с.

     Общая длительность электрического импульса на выходе пропорционального детектора  довольно велика и составляет примерно 10 мкс за счет малоподвижной ионной составляющей, однако использование  только электронной составляющей импульсов  с помощью соответствующей схемы  формирования позволяет получить на выходе блока детектирования импульсы длительностью порядка долей  микросекунд.

     Одной из модификаций газоразрядного пропорционального  детектора является газовый электролюминесцентный  счетчик. В таком детекторе формирование полезного сигнала осуществляется за счет регистрации с помощью  ФЭУ сетевого излучения, возникающего в рабочем газе в процессе его  возбуждения и ионизации.

     Другая  разновидность газоразрядного детектора  – газовый позиционно-чувствительный детектор ПЧД. В ПЧД в качестве анода используется нить с высоким  сопротивлением. Регистрируемый сигнал снимается с обеих сторон анода. При этом амплитуда и форма обоих выходных импульсов определяется расстояниями от участка нити, соответствующего точке первичной ионизации, до ее концов. Последующая обработка этих сигналов позволяет определить как энергию поглощенного фотона, так и линейную координату точки его попадания в детектор. Пространственное разрешение ПЧД доходит до 50-100мкм. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Сцинтилляционные  детекторы

     Для регистрации жесткого рентгеновского излучения используют и сцинтилляционные детекторы. В качестве рабочего теля в них выступают кристаллофосфоры. Преобразование энергии регистрируемых фотонов происходит в 2 этапа. Первичная  ионизация вызывает вспышку (сцинтилляцию) в кристаллофосфоре в видимом  диапазоне волн. Энергия вспышки  затем преобразуется в электрический  импульс с помощью фотоэлектронного умножителя. Кристаллофосфором обычно служит пластинка монокристалла  йодистого натрия, активированного  таллием. Кристалл упаковывается в  герметичный алюминиевый контейнер  с входным бериллиевым и выходным стеклянным окном. Эффективность детектора  зависит от толщины кристалла. [2]

     Сцинтилляционный  и газоразрядный детекторы могут  удачно дополнять друг друга. Длинноволновое излучение регистрируется газозарядным детектором, а коротковолновое, пройдя через выходное окно газозарядного  детектора и коллиматор, попадает в сцинтилляционный детектор. В промежуточной  облати длин волн детекторы работают совместно.

     Рисунок 2 – «Схема сцинтилляционного детектора»

     1 – входное окно, 2 – кристалл-сцинтиллятор, 3 – выходное окно, 4 – оптический  контакт, 5 – фотокатод, 6 – траектории  фотоэлектронов, 7 – траектории вторичных  электронов, 8 – диноды, 9 – анод.

     5. Полупроводниковые детекторы.

     Полупроводниковый детектор рентгеновского излучения (ППД) представляет собой монокристалл высокочистых кремния, германия или какого-либо другого  полупроводникового материала с  напыленными металлическими электродами, в котором имеется область, свободная  от носителей заряда. Наличие такой  области может быть обусловлено  или высокой частотой исходного  материала (германий), или достигнутого искусственной компенсацией носителей р-типа литием (Si – Li детекторы). Ширина такой области может достигать нескольких миллиметров. Как известно, полупроводник имеет валентную зону со связанными электронами, зону проводимости с вакантными уровнями и разделяющую их запрещенную зону. Энергия рентгеновского фотона, поглощенного детектором, расходуется на перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуются подвижные носители положительного заряда – дырки, а в зоне проводимости – подвижные носители отрицательного заряда – электроны. Под действием приложенного к детектору поля заряды дрейфуют к соответствующим электродам, формируя во внешней цепи электрический импульс.

     Рисунок 3 – «Схема кремний-литиевого ППД»

1. контакты, 2 – «мертвый слой», 3 – чувствительный слой, компенсированный литием, 4 – кремний n-типа.

     Отличительной особенностью ППД является малая  энергия, затрачиваемая на образование  пары носителей заряда. Эта энергия, определяемая шириной запрещенной  зоны, на порядок меньше, чем средняя  энергия, необходимая для образования  пары в газовом детекторе. Следует  отметить, что малая ширина запрещенной зоны для обычно используемых материалов (кремния и германия) приводит к необходимости охлаждения ППД до температуры жидкого азота. Некоторые материалы с большей шириной запрещенной зоны могут работать и при комнатной температуре, однако их параметры в настоящее время неудовлетворительны для широкого практического применения. В качестве ППД рентгеновского излучения чаще всего используют пластинки монокристаллического кремния, в который вводят примесь лития для снижения токов утечки. На переднюю часть пластинки напыляется тонкий контактный слой золота, к которому подключают отрицательный потенциал. Детектор и первый каскад усилителя на полевом транзисторе монтируется на медном стержне, второй конец которого погружается в жидкий азот. Чтобы избежать загрязнений поверхности детектора. в криостате поддерживается вакуум. Рентгеновский пучок входит в объем криостата через тонкое (25 мкм и менее) окно из бериллия. Эффективность ППД ограничивается в коротковолновой области толщиной пластинки монокристалла, а в длинноволновой – толщиной входного окна.

     В последнее время в качестве материала  для изготовления окон ППД стали  использовать полимерный материал «квантум». Есть основания считать, что он представляет собой пленку карбида кремния  толщиной не более 0,5 мкм. Пленка выдерживает  давление до 1 атм и благодаря своей прозрачности для мягкого рентгеновского излучения позволяет расширить диапазон применения ППД вплоть до углерода. Появление ППД высокого разрешения привело к созданию нового класса рентгеноспектральных приборов – рентгеновских спектрометров с энергетической дисперсией. [1]

     6. Основные характеристики детекторов

     К основным физическим характеристикам  детекторов относятся эффективность, энергетическое разрешение и форма  амплитудного распределения. [2]

     Под эффективностью детектора понимается отношение числа фотонов, зарегистрированных детектором, к числу фотонов, попавших в детектор. Эффективность детектора в области высоких энергий ограничивается толщиной и коэффициентом поглощения его материала, а в области малых энергий – пропусканием окна или мертвого слоя, отделяющего рабочий объем детектора от окружающей среды. Если конструкция и материал детектора известны, его эффективность может быть найдена по соотношению:

     ɕ(Е) = (1-ехрτd₁)*ехр(-μd₂)*100% = ɕ₁(E)* ɕ₂(E)*100%

     ɕ(Е) – вероятность поглощения кванта в детекторе; ɕ₂(E) – «пропускание» окна; τ – коэффициент фотоэлектрического поглощения рабочего материала детектора; d₁ – его толщина; d₂ – толщина окна; μ – коэффициент ослабления излучения в окне.

     Зависимости эффективности от энергии для  газоразрядных детекторов более  сложны и разнообразны. Помимо фильтрации излучения в окне, они определяются составом рабочего газа, его давлением  и толщиной слоя. В отличие от твердотельных детекторов, газовые  детекторы характеризуются резко  выраженной избирательностью. Быстрое  падение эффективности с увеличением  энергии регистрируемого излучения  позволяет при надлежащем выборе газонаполнителя и его давления иметь высокую эффективность  в заданном ограниченном спектральном интервале при малой эффективности для более коротковолнового излучения. Применение таких детекторов в рентгеноспектральной аппаратуре позволяет существенно снизить фон, обусловленный, например, попаданием в детектор дифрагированного излучения всших порядков или флуорисценции кристалла-анализатора. Характерный пример такой избирательной эффективности – применение неоновых пропорциональных счетчиков при определении элементов с Z от 11 до 17 или гелиевых счетчиков для наиболее легких элементов. Минимальная толщина  бериллиевого окна, используемая в отпаянных детекторах (10 мкм), ограничивает их спектральный диапазон со стороны малых энергий уровнем 1 – 1,5 кэВ. Регистрация более длинноволнового излучения возможна только проточными пропорциональными счетчиками.

     Статистический  характер процессов, происходящих в  детекторе при регистрации рентгеновского излучения, приводит к тому, что даже в случае монохроматического излучения, приводит к тому, что даже в случае монохроматического излучения на выходе детектора возникают импульсы различной амплитуды, образующие амплитудный спектр. Импульсы, соответствующие полной энергии поглощенных фотонов, образуют основной пик (или фотопик). Относительная ширина фотопика W(Е), определяемая как отношение ширины пика на половине высоты к положению его максимума (полуширина) W(Е) =_max, характеризует разрешающую способность или энергетическое разрешение детектора. Часто энергетическое разрешение детектора характеризуется также абсолютной шириной фотопика на половине высоты, выраженной в электронвольтах или килоэлектронвольтах.  
Энергетическое разрешение детектора в первую очередь определяется числом образующихся пар носителей заряда n (или фотоэлектронов в случае сцинтилляционного детектора). Очевидно, что n=ε/J, где J - средняя энергия образования пары (или фотоэлектрона). Полагая, что процесс образования носителей зарядов представляет собой последовательность независимых событий, получаем, что среднеквадратическое отклонение числа образовавшихся носителей . При распределении амплитуд импульсов по нормальному закону относительная ширина фотопика составит  
                                                         W(Е) = 2,36. (1)

     Для учета взаимной зависимости актов  ионизации в формулу вводится коэффициент - фактор Фано:

     W(Е) = 2,36.

     Величина  фактора Фано близка к единице  для сцинтилляционных детекторов, составляет 0,2—0,4 для пропорциональных детекторов и 0,05—0,2 для ППД.

       В случае пропорциональных детекторов кроме дисперсии числа образовавшихся пар разрешение зависит также от коэффициента газового усиления, который вносит существенный вклад в дисперсию. При обычно используемых G порядка 10³-10⁴ его дисперсия приблизительно компенсирует фактор Фано и экспериментально определенное разрешение близко к рассчитанному по формуле (1). С уменьшением напряжения на счетчике G и его дисперсия падают, т. е. разрешение детектора улучшается. При G = 10² разрешение пропорционального детектора может быть улучшено в 1,3—1,7 раза. С малым G работает газовый электролюминесцентный детектор; в этом заключается основная причина улучшения его разрешения по сравнению с обычным газоразрядным детектором.

     Для пропорциональных детекторов, работающих в режиме с малыми G, и для ППД, G которых равен единице, существенный вклад в разрешение при малых энергиях фотонов вносят шумы первого каскада предусилителя. Лучшие предусилители с головным каскадом на охлаждаемых полевых транзисторах с оптической импульсной обратной связью имеют уровень шумов порядка 80 эВ, что и ограничивает разрешение ППД в области малых энергий. Шумы предусилителя ограничивают также возможность повышения энергетического разрешения пропорциональных счетчиков при снижении рабочего напряжения и переходе к режиму импульсной ионизационной камеры.

     Кроме эффективности и разрешения, качество детекторов в значительной мере определяется и формой амплитудного распределения. В амплитудном спектре импульсов на выходе детектора, возникающем при регистрации монохроматического излучения, кроме основного пика могут присутствовать пики вылета, комптоновский континуум, «хвост» со стороны малых энергий от основного пика и шумы в области малых энергий. Как правило, основной пик симметричен и имеет гауссову форму.

       Пики вылета в амплитудных спектрах обусловлены неполным поглощением в детекторе собственной рентгеновской флуоресценции, возбуждаемой регистрируемым излучением. Положение пика вылета Е_в соответствует разности энергий регистрируемого излучения Е и флуоресцентного излучения материала детектора Е_ф, т. е. Е_в = Е — Е_ф. Интенсивность пика вылета определяется выходом флуоресценции материала детектора и вероятностью вылета кванта флуоресценции за пределы детектора.