硅锂漂移探测器19207

1、第七章 硅锂漂移探测器一般的结型硅半导体探测器的灵敏区厚度很难达到2mm以上，它对于探测 粒子等重带电粒子有着广泛的应用，但对于像 射线这样穿透性很强的辐射，因有限的灵敏区厚度和小 的有效体积就不适应了。 60年代中后期，采用锂漂移技术在 P型 Si 和 Ge单晶片上得到施 主杂质锂对受主杂质 B、Ga的补偿达到杂质浓度平衡的高电阻率补偿， 该区具有与本征材料 相类似的性质，通常用符号 I (英文 Intrinsic 的首字)来表示简称 I 区，它是探测器的灵 敏区，可获厚度几 mm到十几 mm的灵敏区，锂漂移探测器是 PIN 结构。7.1 锂漂移探测器 I 区(灵敏区)的形成(补偿区的制备)

2、对于硅， 目前纯度最高的材料多是 P型，最好的纯化过程也会使受主杂质在材料中占优 势(例如 Si ，其硼在硅中的分凝系数是 0.9 ，因而不管采用什么方式纯化，硼是不可能全部 去除，所以拉制出的单晶是 P 型。因此要达到所希望的补偿就必须在材料中添加施主原子。 锂是唯一可以有足够高的浓度掺入 Si 或 Ge中用来补偿受主的施主杂质。一块 P 型半导体，例如掺硼的 Si 单晶，最初它的受主杂质的浓度是均匀分布的。在 P 型半导体晶片的一面蒸发一层金属锂，由于锂在 Si 和 Ge中的迁移率高而电离能低(在 Si 中是 0.033eV ，在 Ge中是 0.093eV )，所以在室温下锂是全部电离成为

3、锂离子，电子进入导+ -2 带内起施主作用。而锂离子( Li +)的半径只有 6 10-2nm，比室温下 Si 、Ge的晶格间距( Si 5.42 10-1nm、Ge 5.64 10-1 nm)小得多，因此，在电场作用下，锂离子很容易穿过晶格作为 间隙些离子漂移进入到半导体晶片的内部，和内部原来的负离子B由于静电作用而形成稳定的中性离子对 Li +B，这相当于受主原子把多余的一个电子还给了施主原子，这使区域内 的电子和空穴都减少从而大大提高电阻，这就是锂的补偿作用。详细的硅锂漂移探测器的制备，漂移补偿过程高温漂移低温漂移补偿厚度与漂移电压、 漂移时间的关系请看第 5 章的 5.7.2.2 5，

4、以及图 5-20 、5-21 、5-22 、 5-23 。低温漂移： 在漂移期间反向漂移电流主要是由于本征区内的产生载流子引起的， 漂移的 电荷载流子产生空间电荷， 空间电荷量是离耗尽区域中心距离的函数， 因而锂将补偿受主和 空间电荷，所以对于在较高温度和较厚的耗尽区，这种补偿不可能十分完善。为了提高补偿度， 所以漂移还需要在较低的温度和较高的反向电压下进行漂移补偿一定 时间， 这时锂的迁移率仍很高， 产生电流只占漂移电流的一部分， 因此在漂移过程终结时漂 移的硅样品应从 20oC 开始低温漂移，然后根据漂移电流的降低，再继续降温并相应的提高 反向漂移电压，直到零度和 1500 伏的反向漂移电

5、压下保持 1 周到 3 周的净扫漂移，这样可 以得到漂移电流较小而随漂移电压基本不变的平坦的电流 - 电压特性，为避免探测器安装过 程中所经历的室温过程的影响，所以当探测器安装好还要作一次低温净化漂移。7.2 锂漂移探测器的分类锂漂移探测器有 Si(Li) 漂移探测器和 Ge(Li) 漂移探测器， Ge(Li) 漂移有平面结构和同 轴双开端单开端，但因 Ge(Li) 漂移探测器已被 HPGe探测所替代而淘汰，所以就不介绍了， 凡是用 Ge(Li) 漂移探测器进行的各项工作均可用HPGe探测器，HPGe探测器在第十章中专门介绍。本章就只介绍 Si(Li) 探测器了。Si(Li) 漂移探测器的结构

6、通常有五种结构， 请看第 5 章 5-8 半导体探测器的结构和基本 类型。7.3 硅锂漂移探测器的特性参数7.3.1 伏安特性影响 Si(Li) 探测器伏安特性的因素与硅探测器基本一致，所不同的是由于 Si(Li) 探测 器已达到几 mm厚，所以在室温时体产生电流比硅探测器大，作为高分辨的X 射线来应用，192它必须冷却到 77K 低温，这时的反向电流很小，可达到10-1310-14A，硅锂漂移探测器的伏安特性见图 7-1 4 。7.3.2 窗厚度若是从锂扩散 N+面入射，则窗厚度较厚，几十到几百m，若是从做成表面势垒的面入射，则窗厚度是金层的厚度约为20nm，大量实验结果表明，在 77K 温

7、度下工作的 Si（Li）X射线，探测器的窗厚度不是 Au 层厚度，而比金层 20nm 要厚得多（十多倍）其窗厚度在 0.2-0.4 m。古尔丁在 1977 年解释了对低能 X射线在 77K 工作的 Si（Li） 探测器窗厚度变厚 的原因， 他认为 X射线与物质相互作用后产生等离子体。 在电极收集之前的漂移运动过程中 一部分先扩散到探测器的表面被复合掉， 这个扩散距离便成为窗厚度， 所以这时的窗厚度可以表示为 ， 经简化后，在 77K温度下 v s=107cms 1， 为 2104cm2/s v，其窗厚 q度约为 0.2 m，而实际测出的窗厚比计算法还稍厚一点，这是因为窗厚度不仅与上述原因有关，

8、而且还与探测器的制备工艺有关。另外，锂漂移探测器除本身的窗厚度外，还有低温冷却棒真空室的窗厚度（Be 窗），我们把这两个窗厚度总称为探测系统的入射窗厚度，为了尽可能的减小Be 窗厚度，一般选用厚为几到十几 m的 Be 膜做窗口。7.3.3 硅锂探测器本征区的电场因为 Si（Li） 是平行平面结构， 在耗尽区内有一均匀电场， 这个电场强度等于补偿厚度 W 除所加的反向偏压 U。Eu7.3.4 硅锂探测器的电容C1.07s / w （pf）4wS 为探测器面积 cm2， W 探测器锂补偿区厚度 cm。7.3.5 输出脉冲 锂漂移半导体探测器， 输出脉冲的分析类似于脉冲电离室输出脉冲的分析， 所不同

9、的是半导体中电子和空穴的迁移率比较接近，而在气体中电子的迁移率比正离子的迁移率大得 多，为导出描述 PIN（锂漂移）探测器输出脉冲的解析表达式，常作如下的简化假设。（1）全部载流子都是在探测器灵敏体积内的固定位置上产生；（2）忽略载流子的复合和俘获；193（3）探测器灵敏体积内的电场足以使电子和空穴的漂移速度达到饱和值。在 t=0 入射粒子在距 N+区的 x=x0处产生 N0个电子 - 空穴对，电子和空穴在电场作用下向 两极漂移而形成脉冲， 则 t 时刻探测器输出的电压脉冲可用平板电离室的输出电压脉冲的解 析式来表示。 （x=x 0是离 N+区的的距离）e和 t e分别是电子的漂移速度和收集时

10、间，显然teW x0eEh和 t h分别是空穴的漂移速度和收集时间，thx0hEC 是收集极对地电容，其中包括装置电容和分布电容。可以明显看出， 输出电压的脉冲形状与最初产生电子 - 空穴对的地点 x0有关。 另外 e h电子和空穴对脉冲的贡献是不一样的。22Sie =1380 cm /s vh=480 cm /s v)22Gee =3900 cm /svh =1900 cm /sv)在下面几种特殊情况下的脉冲形状，可清楚地说明：1）当 x0=0 时，即电离发生在非常靠近收集极N+侧（对电子的收集） ，电子很快被收集，脉冲前沿时间主要由空穴漂移的贡献，则脉冲前沿的时间t1hE2）当 x0=W，

11、即电离发生在非常靠近负电极（P 型）处，脉冲前沿时间主要是电子漂移的贡献，电压脉冲前沿时间取决于电子收集时间t2WeE（3）当电离发生在灵敏区的任一位置 x=x0 处，电子和空穴都对脉冲上升时间都有贡献， 实际上入射粒子不是在 x=x0 处产生电子 -空穴，而是沿路径都产生电子 -空穴对，电压脉冲 前沿最大时间由空穴漂移时间和电子漂移时间之和决定。t x W x0 tmaxhEeE实际测量的脉冲前沿时间 t 要比 xh0E W eEx0 的大得多，这是因为电压脉冲幅度的前沿（上升） 时间， 实际上受到诸多因素的影响， 如杂质的晶体缺陷造成的空间电荷效应将抵194消一部分外电场， 探测器非灵敏区

12、具有一定的电阻， 加上电极接触电阻， 这些电阻都串联起 来，它们和结电容组成积分电路构成RC使前沿（上升）时间变慢，一般锂漂移探测器的输出电压脉冲前沿时间为几十到几百ns。7.3.6 温度效应（温度对锂漂移探测器的影响）硅半导体材料的 Eg为 1.16ev ， Ge的 Eg为 0.67 eV ，这就使得硅的热产生电流在任何 给定的温度条件下都比 Ge小，而硅材料产生一个电子 - 空穴对所需的平均能量和法诺因子， Si 和 Ge 相差不多，因此载流子数的固有统计涨落对能量分辨的影响大致相同，所以用同样 的电子学线路 Si 探测器的能量分辨要好。但硅锂漂移探测器与其它硅探测器如 Au-Si 面垒，

13、 硅 PIP 相比。由于这些探测器灵敏体 积（耗尽厚度薄 0.1 0.3mm左右，最厚也只有 0.5mm，所以室温下体产生电流为 10-9 A左右，图 7-2 硅锂漂移 X 射线谱仪的能量分辨率与温度 和探测器偏压的关系不是主要的噪声源。 对 Si（Li） 探测器来说 就不一样了，耗尽层是锂漂移补偿区为几 mm，一般都在 5mm左右，因此室温下，体 产生电流与表面电流相比是一个主要漏电 流，在室温和 77K 低温下，反向漏电流相 差近 7 个数量级，室温 106 107， 77K， 10-1310-14A，因此几乎所有的低噪声高分 辨应用的 Si（Li） 探测器是冷却到 77K（液 氮）温度下

14、工作。温度和偏压对 Si（Li）X 射线谱仪的能量分辨影响见图 7-2 。7.3.7 能量分辨能量分辨率好是 Si（Li） 探测器的一个重要特点，例如 80mm2 2mm的平面 Si（Li） 探测器 对 5.9keV 的 X 射线， FWHM可达 175ev ，影响硅锂漂移探测器能量分辨的主要因素有三个：（ 1 ）由入射粒子在探测器中产生的电子 - 空穴对数的统计涨落造成的谱线展谱E本征 2.355 F E0 ，这是探测器固有电荷载流子的统计涨落；（2）俘获效应使收集不完全造成谱线展谱，这是因为锂漂移型探测器的灵敏区厚度比 较厚，电子 - 空穴的漂移路程较长，半导体材料中的陷阱可能俘获一部分电

15、子或空穴，使得 电荷收集不完全造成谱线展宽， 这种效应与半导体材料有关， 也与所加反向电压有关。 为了 减少俘获效应， 需要增加载流子漂移速度， 通常应该在反向电流不显著增加的前提下， 所加 反向电压应尽量高一些。 当加在灵敏区厚度上的电压高于 100V/ 时，俘获效应可忽略不计。（ 3）探测器和电子学仪器的噪声， 当选用较好的半导体材料并采用严格的工艺措施后， 探测器的噪声可以降得很低， 因而电子仪器的噪声就变成主要因素了， 特别是前置放大器的 噪声，通常可以用幅度高度稳定的精密脉冲产生器的输出脉冲信号输入前置放大器， 并记录 脉冲幅度谱中相应的峰， 来测量电子仪器的噪声对谱线展宽的贡献。

16、进行这些测量时探测器 应该接在前置放大器上，这样前置放大器输入的电容负载才能代表实际应用的情况。作为 X射线谱的 Si（Li） 探测器，它与 X 射线的相互作用可用光电效应和散射作用来处 理，但要详细叙述能量转换是困难的， 因为在探测器中不光是由 X 射线的能量转换产生电子 -空穴，其它类型的激发如热激发也产生电子 -空穴对， 实际观测到的探测器的能量分辨， 比 单纯从统计学角度所预计的值要好 5 。硅锂漂移探测器对 X 射线的能量分辨率可用下式表示 5FWHM （ev） 探测器固有噪声 2 （电子学噪声 ）2195探测器固有噪声 =2.355 EF （探测器的本征能量分辨率） 探测器固有噪声

17、和电子学噪声对能量分辨的影响见图 7-8 5 。对给定的能量 E，F 是限制能量分辨率的基本因素，能量较低时，电子学噪声对能量分辨的 影响就大， 相反能量较高时电子学噪声对能量分辨的影响就小， 在使用探测器时应考虑这因图 7-3 硅（锂）探测器固有噪声和电子学噪声对能量分辨率的影响 5 素，例如测量较高能量时，可用面积大些的探测器，因为它容许有较高的噪声。1、Si（Li） 探测器能量分辨率的测量Si（Li） 探测器的能量分辨率通常是指从 55Fe放射线衰变得到的 5.89KeV Mn K X 射线在 1000 计数 /s 的条件下测定的。为使能量分辨率的测定值有2%的精度必须遵循如下步骤：（

18、1）检验所有的电源和偏压，在接通电源后为保证系统的稳定，要经过较长时间（4小时）后才能进行测量。（2）55Fe（110）3.7 104Bq （110mLi）放在探测器前面，调节源和探测器的距离， 以保证每秒钟的计数 1000 （1kcps ）；（ 3）调节成形放大器的放大倍数和多道分析器的标准增益（即在 ADC中的满刻度道数）Mn K和K峰应在 McA贮存范围的高端，例如选用 1024道则 K和K的峰位应在超过 600道 的位置上出现。 这时扣除本底后 K 峰的半高宽的道数应大于或至少等于 20 道。若要求 FWHM 小于 200eV，则每道的刻度应小于 10eV，在 FWHM和 FWTM（十

19、分之一最大峰值处的全宽度） 测量中为达到规定的测量精度，对峰值高度的最低计数值和所占道数的最小值有如下的要 求。表 7-1在测量中对 FWHM 和 FWTM 所 希望的精度（ %）峰值高度最低值，最低限 度的计数FWHM 或 FWTM 所占道数的 最少值14000040210000205170081040044）得到 K 和K 峰后清洗存储重新计数 （测量）得一新谱，在测量中为得到 2%的精度，196K 峰至少应有 10000 个计数。（5）在峰值计数超过 104 计数后，进行谱峰形状显示，对谱峰形状的统计涨落通过高 斯成形曲线进行平滑处理。（6）测定的 K 峰的计数是指扣除本低后的峰值计数。

20、 （ 7）在 K 峰计数的二分之一值处画一横穿K 峰的水平线。（ 8）按上述所画水平线与 K 峰相交，在高能侧所对应的道数减去在低能侧所对应的道 数，即为峰值半极大值处的全宽度。（ 9）在进行每道的能量刻度时通常是测量MnK 5.894KeV和 K 6.489KeV 峰位之间所占的道数，峰值位置都以最高计数点所对应的道数来定义，则每道所对应的能量为：6489 5894（ ev）M nk 峰值位置所对应道数 -M nk 峰值位置所对应道数（10）FWHM的计算FWHM eV 半极大值的道数 6489 5894 evFWHM eVM nk 峰值位置所对应道数 -Mnk 峰值位置所对应道数即半极大值

21、所占的道数乘以每道所对应的能量。（11）FWTM的计算：这一参数对固有的电荷收集性质特别灵敏。真正的高斯分布， FWTM=1.85F WH，M低能谱线对这一参数特别灵敏，在峰的低能一边，窗的吸收是造成低能尾 效应的原因。（12）计算 55Fe谱中1KeV附近的每道的平均计数，对于调整 Mn K 5.894 和1keV左右 的本底范围是必要的。为保证足够的精度，计算1KeV处每道的平均本底计数时， Mn K 峰值应有足够的计数，然后求 1KeV 左右的 10 道累计后的每道的平均值。（ 13）峰和本底之比的计算，即 P/B。（14）通常用于 X 射线谱仪能量刻度的 X 射线源有如下几种。2、Si

22、（Li） 探测器能量分辨与能量的关系见图 7-4。197核素衰变的 k X 射线的能量 keV51Cr4.9555Fe5.8945757Co6.40359Ni6.93065Zn8.04775Se10.5435757Co14.36109Cd22.162113113Sn24.207133133Ba30.97145Sm38.649159159Yb50.730207207Bi74.9573、Si(Li) 探测器对 55FeMnK5.9 keVX射线的能谱响应和由 55Fe 环形源激发玻璃后测得的 X 射线荧光谱见图 7-5a 、b、c。图 7-5 硅锂漂移探测器对 55FeMnKX射线的能谱响应 (a

23、) ；由 55Fe环形源激发玻璃 后测得的 X 射线荧光谱，铍窗厚度 8m(b)铍窗厚度 12m( c)。7.3.8 X 射线探测器的探测效率1、影响效率的因素半导体 X 射线能谱广泛用于 X射线能量色散分析， 由探测器测得某样品的 X射线能谱后， 从其峰位的能量可以定出核素的名称。 为了进行定量的核素分析， 必须知道探测器对某核素 的 X 射线的探测效率。 对给定的探测器， 总的探测效率受探测器灵敏区的面积、 厚度， 死层， 接触材料和入射窗等因素的影响。另外，还与 X 射线的能量有关， 能量愈低，上述的这些因素的影响也愈大。 对低能 X 射线，死层厚度和表面沟道引起的电荷不完全收集是影响效

24、率的 主要因素。在 X 射线能谱分析中，现在用得较多的是Si(Li) 探测器，其次是平面型锗探测器。 Si(Li )和平面 HPGe探测器全能峰探测效率与 X射线能量的关系见图 7-6 、7-7 。对低能 X射 线，铍窗对 X 射线的吸收效应是主要的， 金层和探测器的电接触增加了死层对 X 射线的吸收。 在 X 射线能量的低端， 由于铍窗和死层的吸收作用探测效率急剧下降， 这限制了对 X 射线低 能端的分析。例如典型的 X 射谱仪，对 CdKa3.69keV ，X 射线的效率接近 100%，而对 Na Ka1.04keVX 射线的效率仅为 40%左右。对 Ge 探测器，除了铍窗和死层的吸收导致

25、效率降低 外，还出现低能尾巴，特别是在 1.2-2keV 间 Ge-L 逃逸峰附近更为严重。此外，在 11.1 到 30keV 左右的范围内，很强的 Ge-K 逃逸峰使效率与能量的对应关系变得更复杂，这限制了198Ge探测器在这个能区的应用。X射线在硅和金层中的透射比率见表7-1 。对非常低的能量，这些因素的影响就变得很大了， 特别是在要求无窗系统测量时更为明显。 在需要确切知道效率值时， 效率应该由实验 测量来确定。对于较高的能量， “全能峰”效率是探测器灵敏体积、耗尽层厚度的函数。从 有效的吸收角度来看， 光电吸收与原子序数 Z的 5 次方成正比， 锗比硅有更多的优点。 事实图 7-6 S

26、i（Li） 探测器效率 - 能量关系图 7-7 平面 HPGe探测器全能峰效率与 X 射线能量的关系这两个参数限定了探测器相对于源所Acos以 Sr 为单位，d2它是无量纲的量， 见图 7-8 5 。元素量V 能e硅片厚度硅片厚度金层厚度(K )0.5 m0.1 m20 nm钠 NaZ=1110410.820.930.90氧 O Z=85230.300.790.84碳 C Z=62820.0080.370.67表 7-1 X 射线在硅和金层中的透射比199上，对能量高于 100keV 的 射线，几乎都是使用锗探测器。尽管如此，硅（锂）探测器对X射线，其能量至少可高至 40keV。2、硅（锂）探

27、测器的几何效率就一个点源 X 射线而言，硅锂漂移探测器的几何效率由下面两个参数来确定，即接受X 射线束的探测器的有效面积和源与探测器之间的距离。张的立体角，一般情况下，所张的立体角的定义是假定源在各个方向上发射的 X 射线是相同的，几何效应的百分比 可用立体角为 4 Sr 的绝对效率乘 以百分之百来表示，对典型的探测 器面积和源 -探测器距离， 探测器的7-9。几何效率与探测器距离的关系（源在探测器轴线上）见图图 7-8 硅（锂）漂移探测器立体角的定义从探测器几何效率的定义可清楚地看到， 为使探测器有高的几何效率， 希望探测器面积 大、源和探测器之间的距离短。在应用中作为整体还应考虑其它的因素

28、如探测器封装、 荧光光源、 样品和低温装置以及 探测器受荧光光源直接照射时所要求的准直和屏蔽。 实际应用中， 根据不同的要求， 在条件 选择上可有所侧重。 例如要求高分辨率则选用面积小些的探测器， 相反， 为了在恶劣的环境 中应用并有高的效率，则选用面积大些的探测器。3、效率的测量（1）对能量低于 5keV的 X射线，用测量窗衰减的方法低能时，窗和死层是影响 X射线探测效率的主要因素。能量小于 5keV的 X射线的同位 素源，因其半衰期短或自吸收的原因， 不适用于作效率测量。 在 IEC推荐的测试标准中是用 55Fe 环形源激发标准玻璃产生X 荧光来测量探测器窗吸收和其它效率损失。标准玻璃55

29、SRM-477、 55Fe 已有商品出售。标准玻璃 SRM-477氧化物和元素的组分如下：表 7-2氧化物SiO2BaOCaOLiOMgOZnO标准误差质量比，42.520.1.54.020.020.02%元素SiBaCaLiMgZnBO200原子数5.184.274.2714.710.325.175.9957.46比，由 55Fe 源激发玻璃后待测的 X射线如下：表 7-3MnBaCaSiMgZnK 5.90keVL 1 4.47keVK 3.69keVK 1.74keVK 1.25keVL 1.01keVK 6.48keVL 14.83keVK 4.01keVL 2 5.16keV2）用放

30、射源测量窗衰减的方法有些探测器由于窗或死层较厚，不适用于能量小于5keV 的 X 射线的能谱测量，但它的灵敏层较厚， 足以能完全吸收较高能量的 X射线，因此用相应的放射源来取代 55Fe 源的玻璃 靶，就可测量其窗衰减。 IEC 推荐的用于绝对效率测量的标准源如下：表 7-4放射源半衰期光子能量 ,keV每次衰变发射光子数55Fe2.7a5.906.490.163 0.0120.033 0.003241Am4332a3.3011.913.917.820.826.459.540.0635 0.00100.086 0.0060.135 0.0030.210 0.0040.050 0.0010.02

31、5 0.0020.359 0.00657Co270d6.4614.39121.97136.330.553 0.010.095 0.0020.856 0.0030.1075 0.003125I60.1d27.227.531.035.50.398 0.0140.742 0.0250.258 0.0100.0607 0.0022137Cs661100%108108Cd22.188.00.842 0.0280.0373 0.006133Ba10.74a30.935.053.281.0161.00.969 0.0200.226 0.0060.0217 0.00040.335 0.0050.0062 0.

32、0042017.4 半导体 X 射线探测器的选择及其性能和特点 能量分辨率、低能测定极限、探测效率（包括探测器形状） 、高计数率特性、工作稳定 性、能谱特性、 逃逸峰值、 探测器构成物质的峰值等的干扰以及本底的高度等等是选择作为 X射线谱仪用的探测器所必须考虑的因素。硅锂漂移探测器和高纯锗探测器是目前探测效率高和能量分辨率极好的两种 X 射线探 测器。硅锂漂移探测器的能量分辨率的最佳值为130 eV，从它的分辨率来说，可以分开并测量原子序数高于碳的一切元素的 K X 射线。半导体探测器的固有能量分辨率可以用 2.355 FE 表示，F 值与半导体单晶的质量有 关，据报道，它的理论值是 0.05

33、 。而且，各实验值也不一致。对硅锂漂移探测器来说， F 值为 0.115 一 0.135 ，也有报道为 0.084 ；对锗锂漂移探测器，则 F 值为 0.08 。实际的能量分辨率， 还要加上由于电荷不完全收集和电子学噪声引起的展宽。 后者大部 分是电荷灵敏前置放大器的输入噪声，这种噪声决定了低能区的探测系统的总分辨率。半导体 X射线谱仪超过其它 X射线探测器的一个主要优点是大大提高了对周期表元素的 分辨率，另一个优点是计数率高、能量分辨率好。用硅（锂） 探测器还是用锗探测器来构成 X 射线谱仪，主要决定于 X射线的能量。 对高 能量 X 射线来说，用 Eg 小的锗探测器比硅锂漂移探测器有更好的

34、能量分辨率和高的探测效 率。在一般情况下， 对低能量的 X 射线谱仪来说还是优先选用硅锂漂移探测器，这是因为与锗探测器相比， 其漏电流小， 所以由漏电流产生的噪声比锗探测器小。 另外它有可能在复杂 的能谱中利用逃逸峰的可能性。还有，硅探测器死层薄、本底低。为了减少噪声，不但要降低探测器的漏电流，而且从电荷灵敏前置放大器的工作来说， 要求探测器的电容尽量小， 所以要选用面积小些的探测器。 采用了低噪声场效应晶体管电荷 灵敏前置放大器（冷却到 130K ）及光反馈电荷灵敏前置放大器便大大提高了谱仪系统的分 辨率，电子学噪声可下降到 90 eV；对 1.74 keV 的低能 X射线使能量分辨率从 7

35、00 eV 提高 到 105 eV 。但另一方面为了提高几何效率，最好是使用大面积的探测器，在能谱测量中， 峰值和灵敏度正比于 面积 ，因此只要相邻峰的重叠所引起的干扰不影响测量时，还是 分辨率面积大些好。作为高分辨率 X射线探测的硅锂漂移探测器， 常采用的结构有顶帽型、 深槽、 单或双保 护环等结构，见图 5-25 。特别是保护环结构， 采用反符合电路后可使本底减小到150，因为灵敏区周围的表面电位分布引起电荷收集的损失是造成本底的原因。最近用高纯锗单晶构成了高分辨的 X 射线谱仪，赫伟斯（ Huves）又利用高纯高阻 N型 硅（ 为 25kcm）构成了耗尽层厚度为 3mm的硅面垒 X射线谱

36、仪， 用高纯高阻 P型硅（ 大于 10 kcm）制成了耗尽层厚的-X 射线谱仪。用硅材料制成的雪崩探测器， 甚至包含测量电路， 其特点是小型、 重量轻、 稳定、 可靠， 而且没有窗（实际窗厚度约为 1 m 的硅层厚度） ，计数率高（ 104s1）。虽然探测器的能量 分辨率尚差，但若用滤光片，可作特定元素的定量分析。1971 年维利希（ Willig ）等人采用碘化汞晶体来构成 X、 射线探测器，在室温有低的 噪声，对 55Fe5.9 keV X 射线其半高宽为 548 eV ，所以它作为室温应用的 X、 射线谱仪引 起了人们的兴趣。 最近休斯等人采用漏反馈电荷灵敏前置放大器后，使 HgI2 X

37、 射线探测器对55Fe5.9 keV X 射线的能量分辨率提高到了 310eV6 。半导体探测器系统的计数率特性是电子学电路的问题， 计数率的增加会引起分辨率的下202降，造成峰值位置的变化等，所以要加以注意。 用半导体探测器构成 X 射线谱仪，对低能 X射线应注意以下几个因素： （ 1）用作冷却探测器的低温恒温器的入射窗的材料，其原子序数要低、 厚度要薄而匀，现在通常采用的是十几m到几十 m的铍窗。（ 2）构成探测器表面势垒接触的金层要薄。（3）探测器死层要薄。（ 4）探测器噪声要低，本底计数要少。 用半导体 X 射线谱仪来测量示踪元素，减少探测器的本底计数是很重要的。7.5 X 射线能谱测

38、量和数据图表 见图 7-10 7-18。图 7-10 X 射线能谱学系统功能方框图图 7-11 高计数率条件下高分辨率 X 射线谱的电子学系统方框图 7-12 脉冲光反馈电荷灵敏前置放大 器图解203表 7-5 各种半导体 X 射线探测器的比较2047.6 硅锂漂移 X 射线谱仪的应用高分辨率半导体 X 射线探测器，除在核分光学方面测量 X 射线谱之外，还可安装在 X 射线装置 9,10 、电子微探针 11 、扫描电子显微镜 12 等设备上用来构成新的实验手段。在固体 物理研究方面， 用硅锂漂移探测器测量康普顿散射 X 射线谱， 试图用它来解释物质内部的电 子状态 13 。用半导体探测器测量由

39、同位素 射线或带电粒子照射分析元素所激发的特征 X 射线，即荧光 X射线分析方法 14 ，应用范围很广，现在正不断地为工业、农业、医学、考古 学、环境学和空间研究等方面提供新数据。下面我们分四个方面来叙述它的应用。7.6.1 半导体非色散 X 射线谱仪 半导体探测器一种很有前途的应用是构成半导体非色散X 射线谱仪， 在非核情况下使用电子显微镜作检查工作时，它是很有用的工具，应用领域日益广泛。现在哈威尔的坎迪赫 （Kandiah ）和贝克莱的古尔丁已制成存在电子学噪声情况下半高宽为70 eV 的放大器，按这个水平，周期表中的 Mn和 Pb甚至原子序数低于 Mn，Pb 以下的各元素都能区别出来。当

40、 用电子显微镜的电子探针来扫描样品时， 就产生样品的特征 X 射线，再用非色散 X射线谱仪 测出射线就能给出定性分析结果。 采用这种方法， 对所要分析的样品， 可得到几乎是所有元 素的精确分布图，其空间分辨率小于200 nm。7.6.2 X 射线荧光分析放射性同位素 X 射线荧光分析是以非色散分光测定 （或称能量色散分光测定） 为基础的。 X 射线荧光分析装置由放射性同位素源、X 射线探测器和非色散分光型谱仪等三个部分组成15 ，能量色散分光的测定， 一是利用高分辨率的硅锂漂移 X射线探测器， 测出能谱。 另一种 是利用 X 射线的滤光片， 把要分析的能量取出来而其它能量被滤光片滤滤。 前者又

41、称为能量 色散分析。诚然，为了保证高分辨率，电子学线路也很重要。7.6.3 X 射线发射能谱学半导体谱仪能量分辨率的进一步提高。 使它能够构成 X射线发射摄谱仪 16 。这种谱仪可 用来对材料作快速非破坏性的定性分析。 用半导体探测器构成的摄谱仪与常用的 X 射线衍射 摄谱仪相比， 它的分辨本领虽差些， 但在计及了全部几何因素后， 它的效率可提高好几个数 量级，以致可以省去用高强度的 X 射线管作为初级辐射源。目前这样的仪器，由于电子学噪声的干扰，可能分析的能量范围被限制在高于 4 keV 。 通过改进，有可能分析的能量为1 keV 。就是相当于原子序数低到钠的KX射线的水平。使用这种仪器对钇

42、、铀和钍溶液进行了定量分析17 。值得注意的是，就钇而言，能测到1 g这样微量的钇。7.6.4 其它应用 以荧光分析为基础，应用范围扩大到：（1）测量 C，N， O，F等轻元素受脉冲电子激发后的 K 峰，这 4 个峰的能量为： C，282eV；N，392eV；O，523eV；F， 672eV。用高分辨率硅锂漂移 X 射线谱仪对此所测定的能 谱见图 7-17 。（2）在工业上，用于分析典型的痕量元素以对纺织品、纸张进行分类，用于工业用镀 液的鉴别和分析，用于元件材料的无损分析、合金分析以及确定种类等。（3）用于矿物的探查和现场分析，不仅可以节省人力、物力和抽样数目，而且还可迅 速得到准确的定量和

43、定位数据。（ 4）用来研究特制名贵工艺美术品中使用的涂料和工艺，以确定制造技术及它的可靠 性。（5）分析稀有材料， 如对由阿波罗 11号从月球上携带回来的材料进行 X射线荧光分析， 来确定构成这种材料的元素。205(6) 1971 年古尔丁和雅各比( Jakoby )报道了用于分析食物中所含微量元素(特别是 汞和镉)的半导体 X 射线谱仪。对土壤和植物中微量元素的测定为农业提供了有用的资料。最后， 我们在这里附带提一下有关硅探测器 (硅锂漂移或高阻硅面垒探测器) 在中微子 质量测量中的应用。中微子是质量很小的不带电的稳定费米子，它基本上与物质不起作用， 因此它是迄今为止性质最不清楚的一种基本粒子。 近年来，