Сравнение характеристик SDD и PIN кремниевых детекторов
Ниже приведена сравнительная таблица по основным параметрам энергодисперсионных детекторов двух типов: PIN и SDD.
Тип детектора/ Характеристики |
Площадь рабочей области |
Разрешение (линия Fe55) |
Температура внутренней поверхности детектора |
Ограничение входной скорости счёта |
Стоимость |
SDD |
10-50 мм2 |
120-160 эВ |
от -20 до -40 °С |
≈500 тыс. отсчётов/сек |
Более дорогой |
PIN |
5-15 мм2 |
150-220 эВ |
от -20 до -40 °С |
≈100 тыс. отсчётов/сек |
Менее дорогой |
Табл.1 Сравнительная таблица основных параметров SDD и PIN детекторов
Типичный SDD детектор превосходит по производительности детектор с PIN-диодом. SDD детектор имеет лучшее разрешение, а также способен зарегистрировать большее количество рентгеновских квантов за заданный промежуток времени. Энергетическое разрешение является важным параметром, так как позволяет разделить фотоны от различных химических элементов, что влияет на достоверность результатов. Повышенная скорость счёта позволяет собрать более точную статистику за определённый временной интервал. Однако PIN детектор имеет преимущество в отношении цены. Данный тип детекторов обычно используется для бюджетных РФА приложений.
Схема установки
Установка для РФА имела стандартную конфигурацию (рис.1).
Рис.1 Слева изображена схема установки для РФА анализа с изображением наиболее важных её частей. Справа показана фотография установки.
Медный фильтр поглощает большую часть рентгеновских квантов с энергиями менее 15 кэВ от источника, что позволяет добиться наилучшего соотношения сигнал-шум в этой области. Однако данный фильтр не препятствует прохождению L-линии от вольфрама (порядка 8.3 кэВ). L-линия вольфрама улучшает анализ никеля и элементов с более низким атомным числом, однако может быть причиной паразитных пиков в спектре. На рис. 2 показан спектр от образца из чистой пластмассы, содержащий рассеянную L-линию вольфрама и тормозное излучение от источника.
Рис.2 Спектр от пластмассы, не содержащей примесей.
В ходе эксперимента сравнивались показатели производительности трёх типов детекторов: SDD, XPIN6 и XPIN13. Подробная сравнительная характеристика приведена в табл.2
Характеристика/Тип детектора |
SDD |
XPIN6 |
XPIN13 |
Площадь рабочей области, мм2 |
20 |
6 |
13 |
Толщина активной области диода, мкм |
500 |
625 |
625 |
Разрешение (линия Fe55), ширина на полувысоте, эВ |
150 |
165 |
200 |
Количество отсчётов за 30 сек. (спектр нержавеющей стали), тыс. |
349 |
117 |
131 |
Мертвое время, % |
26 |
22 |
25 |
Время формирования импульса (MXDPP), мксек. |
8 |
20 |
20 |
Ток анода источника, мкА |
20 |
20 |
15 |
Температура детектора, °С |
-45 |
-35 |
-35 |
Из табл.2 следует, что SDD детектор имеет лучшее разрешение, более высокую скорость формирования импульса и большую площадь рабочей области. Скорость счёта SDD детектора примерно в 3 раза выше, чем у PIN детектора.
Результаты РФА анализа
Нержавеющая сталь - 304 включает в себя кроме железа следующие элементы: <0.03% углерода, <1% кремния, <0.045% фосфора, <0.03% серы, 17.5-20% хрома, 8-11% никеля. Используемая установка не позволяла регистрировать элементы с атомным числом ниже кальция. Удалось проанализировать только элементы с атомным числом выше хрома. Каждый детектор в течение 30 сек. регистрировал сигнал от образца нержавеющей стали-304. На рис. 3 показаны три спектра, полученные детекторами SDD, XPIN6 и XPIN13, где видны основные элементы. На рис.4 показан тот же спектр, только для выделенной области от 5 до 9 кэВ.Рис.4 Спектр, полученный от нержавеющей стали-304, выделена область от 5 до 9 кэВ.
Характеристика источника
|
Значение |
Материал анода |
вольфрам |
Высоковольтное напряжение |
49.3 кВ |
Толщина бериллиевого окна |
250 мкм |
Расстояние от источника до образца |
25 мм |
Параметры рентгеновского фильтра |
Медь, толщина 75 мкм |
Характеристика/Тип детектора |
SDD |
XPIN6 |
XPIN13 |
Толщина активной области, мкм |
500 |
625 |
625 |
Толщина нечувствительного слоя, мкм |
0.15 |
0.15 |
0.15 |
Толщина бериллиевого окна, мкм |
12 |
25 |
25 |
Расстояние от образца до детектора, мм |
25 |
25 |
25 |
Фильтр |
- |
- |
- |
Cr |
Mn |
Fe |
Ni |
Mo |
Co |
Cu |
Общее кол-во отсчётов, тыс. |
|
Табличные значения концентраций, % |
17.5- 20 |
<2 |
Основной |
8-11 |
- |
- |
- |
|
SDD-30 сек. |
18.3 |
1.5 |
71.8 |
7.7 |
0.09 |
0.03 |
0.59 |
349 |
PIN6-30 сек |
18.3 |
1.7 |
71.5 |
8.0 |
0.12 |
0.03 |
0.31 |
117 |
PIN13-30 сек |
18.5 |
1.7 |
71.3 |
8.1 |
0.12 |
0.02 |
0.16 |
131 |
SDD-10 сек |
18.5 |
1.7 |
71.0 |
7.9 |
0.09 |
0.03 |
0.58 |
117 |
PIN6-10 сек |
18.5 |
1.4 |
71.5 |
7.8 |
0.11 |
0.02 |
0.08 |
51 |
PIN13-10 сек |
18.4 |
1.4 |
71.7 |
7.6 |
0.13 |
0.03 |
0.64 |
61 |
Табл. 4. Результаты расчёта концентраций элементов в образце нержавеющей стали-304 методом фундаментальных параметров при мертвом времени в 30%.
Выводы
Оба типа детекторов (PIN и SDD) применимы для идентификации большинства безъалюминиевых металлов/сплавов, таких как, например, нержавеющая сталь-304. Детектор с PIN диодом наиболее приемлем для данных приложений ввиду более низкой стоимости.