硅漂移探测器简介

SDDs(图1)是用于高分辨率、高计数率x射线光谱的高级探测器。今天的sdd有一个独特的设计，使它们能够提供比锂漂移硅或Si(Li)探测器更高的性能。

低x射线能量，更大的探测器面积，以及极低的电子噪声，可以在短的峰值时间(高计数率)观测到，是sdd的关键特征，这使它们成为Si(Li)探测器的理想替代品。

图1所示。硅漂移探测器

SDDs主要用于工业规模的应用，如x射线荧光分析(EDXRF)和电子显微镜(SEM/EDS)。一个典型的SDD设备如图2所示。可以使用不同形状的SDD设备。

该设备包括用于设备冷却的热电冷却器，芯片安装在其上。图2中所示的液滴形状被广泛用于10-20mm的较小的活动区域²．辐射入口窗包括由薄导电层包围的平面p注入区域，以硬维持入口窗辐射。

图2。典型的安装和绑定SDD设备

x射线探测器原理

典型的x射线检测设备包含由完全耗尽的高电阻率硅、集合阳极和前接触区组成的有源区域。体硅区域吸收入射x射线在前接触区，随后产生电子-空穴对。

入射x射线的能量决定了产生的带电载流子的数量。这些电子和空穴被阳极和前接触点之间预先建立的电场(沿着电场线)飘向阳极。前置放大器将在阳极收集的电荷转换成电压。

通过观察每个脉冲后电压阶跃的大小，即吸收每个入射x射线后，可以确定入射x射线的能量。图3显示了x射线探测器所涉及的电子学的图解。由噪声引起的输出波形的波动限制了电压阶跃测量的准确性。

图3。x射线探测器的电子学原理图。SDD虚线说明了集成FET的电影响。

由于测量的不精确性，对给定的能量会产生高斯分布。因此，测量的x射线峰由于噪声而变宽。电压阶跃和相应的噪声如图4所示。

诸如前置放大器泄漏电流、输入电容和FET增益等因素影响噪声。平均噪声是在更长的整形时间内完成的，以提高分辨率。

图4。电压阶跃作为吸收x射线函数的图解。噪声波动表明了噪声和整形时间(顶部和底部)对分辨率的影响。

为了驱动更高的计数率，在更短的整形时间内噪声的平均更少，导致电压阶跃的不确定性和分辨率的下降。

此外，低能量x射线必须具有低信噪比，这揭示了噪声在低能量x射线分辨率中的重要性。

噪声的来源

有许多不同的电子噪声源，其特征如下:

电子噪声∝散弹噪声+ 1/f噪声+热噪声

脉冲噪声∝I_泄漏

1/f噪声∝C²_在

散粒噪声是第一个因素，它是由前置放大器的漏电流引起的。“1/f”噪声是下一个因素，它直接与电容的平方有关。热噪声是第三个因素，它与电容的平方与温度和反峰时间有关。

当电容足够小时，例如当阳极尺寸减小时，短噪声成为影响x射线总分辨率的主要因素。由于温度不影响散粒噪声，设备冷却不能有效地实现良好的分辨率。短噪音现在也较少依赖于长成型时间。

短噪声最终变得足够小，分辨率几乎完全受到范诺展宽的限制，这取决于辐射与硅晶格相互作用和电荷产生过程中的统计波动。当达到这个极限时，理论上的最佳分辨率大约是120eV。

对于SDD和二极管探测器，在Mn Kα峰处的分辨率作为整形时间的函数被量化，如图5所示。更低的电容意味着更低的噪声，从而获得更高的分辨率，更大的有源面积和更短的整形时间。这意味着更高的分辨率和更高的计数率。

图5。典型SDD和Si(Li)探测器在Mn Kα处的能量分辨率作为峰值时间的函数

现代x射线探测器-硅漂移探测器(SDD)

现代sdd的阳极面积相对于其活性面积而言极小。x射线产生的带电载流子(即空穴和电子)沿着这些电场线被导向位于探测器中心的小得多的阳极。由于设备的电容与阳极尺寸成正比，非常小的阳极导致设备电容急剧降低。阳极电容通常观察到25-150fF。

拥有一个非常小的阳极有助于在更短的整形时间(更高的计数率)实现更好的分辨率，这是由于在短整形时间的电子噪声与电容的平方成比例变化，特别是在低能量时，信号噪声非常小。如果噪音足够小，则可以在佩尔蒂尔装置容易达到的温度(~ -20°C)下操作该装置。这就避免了LN的使用₂冷却。

放大电子学前端晶体管直接集成到探测器芯片上，利用输出电容小，通过短金属带与收集阳极耦合。

这避免了焊盘上的寄生电容，降低了放大器场效应管和检测器阳极之间的最小电容。此外，由串音、电拾音器和微音效应引起的噪声被认为是无关紧要的。图3示意地说明了这种影响。

图7显示了一个更现代的SDD设计，包括偏置阳极和场效应晶体管。这被称为“泪滴”或“水滴”SDD。如图6所示，当集成FET位于器件中心时，它很容易受到入射x射线的照射。此外，在低x射线能量下，场效应管周围的静电场会造成性能损失。

如图7所示，当FET被偏移时，它在活动区域之外，因此它不在入射辐射的照射下。这种特征设计在较小的区域(10毫米)可以广泛看到²)探测器。

图6。示例SDD检测器设计

图7。带有偏置阳极和前置放大器FET的现代探测器

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