外文文獻(xiàn)翻譯譯文--基于單片陣列硅漂移探測(cè)器的x熒光光譜儀_第1頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、<p><b>  中文5030字</b></p><p>  本科畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯</p><p>  院(系): 工程技術(shù)學(xué)院 </p><p>  專  業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>  姓 名:

2、 </p><p>  學(xué) 號(hào): </p><p>  外文出處: NUCLEAR SCIENCE </p><p>  附 件: 1.外文資料翻譯譯文;2.外文原文。</p><p>  完成日期: 2012 年 5 月

3、 1日 </p><p>  基于單片陣列硅漂移探測(cè)器的X熒光光譜儀:元素映射分析和優(yōu)化檢測(cè)結(jié)構(gòu)</p><p>  A. Longoni, C. Fiorini, Member, IEEE, C. Guazzoni, Member, IEEE, S. Buzzetti, Member,IEEE,M.Bellini,L. Strüder, P. Lechne

4、r, A. Bjeoumikhov, and J. Kemmer</p><p><b>  摘要</b></p><p>  此文提出了一種帶有激光切割中心孔的單片陣列硅漂移探測(cè)器新型X射線熒光(XRF)光譜儀和展示了一些元素映射分析的應(yīng)用實(shí)例。X射線激發(fā)光束由檢測(cè)器芯片上的中心孔通過毛細(xì)管X射線透鏡聚焦在一個(gè)狹縫中。這種結(jié)構(gòu)能使樣品發(fā)出的熒光很大一部分被空氣吸收,

5、所以可以減小樣品和檢測(cè)器之間的距離。此功能連同SDDS的高檢出率,可以縮短元素映射的掃描時(shí)間。展示了新型X射線光譜儀在不同研究領(lǐng)域(從考古學(xué)到生物學(xué))的應(yīng)用實(shí)例。此外,本文還將介紹一種新的基于四個(gè)SDDS單片環(huán)繞重心孔的集成硅芯片多元探測(cè)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種四SDDS型結(jié)構(gòu)通過專門設(shè)計(jì)以獲取高的的能量分辨率和峰背比。首次應(yīng)用此探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)也得出了。它將配備到將來開發(fā)的X射線熒光光譜儀系列中。</p><p>

6、;  索引—元素映射,硅漂移探測(cè)器,X射線熒光(XRF),X射線光學(xué),X射線光譜法。</p><p><b>  一、引言</b></p><p>  元素映射分析(即,檢測(cè)樣品中的化學(xué)元素并確定其空間分布)在從基礎(chǔ)科學(xué)到工業(yè)技術(shù),或是從生物學(xué)到法醫(yī)調(diào)查這幾個(gè)不同領(lǐng)域中都是一個(gè)重要的問題。這種分析是基于對(duì)試樣正確活躍點(diǎn)的X射線熒光光譜測(cè)量。掃描電子顯微鏡(SEM)被

7、廣泛應(yīng)用于元素映射分析。樣品(從所研究的試樣中取得)由一個(gè)高能電子束激發(fā),因此需金屬化和在真空室中用顯微鏡進(jìn)行分析。這種技術(shù)通常有“破壞性”的特點(diǎn),它的空間分辨率在微米范圍,但是衰變電子發(fā)散的輻射(軔致輻射)可能會(huì)損傷微量元素的檢測(cè)。另一種元素的映射技術(shù)是基于激發(fā)樣品的加速帶電粒子光束(粒子激發(fā)X射線熒光分析技術(shù)),一般所用帶電粒子是質(zhì)子。所研究的樣品可以在空氣中不必金屬化,因此它可以被認(rèn)為是“無損”的檢測(cè)。軔致輻射主要是由于從原子殼層

8、加速帶電粒子轟擊出的電子所激發(fā),。這種輻射影響的能量范圍通常是有限的微小Ke V。粒子激發(fā)X射線熒光分析技術(shù)的空間分辨率可以達(dá)到微米級(jí),但是這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)就是需要昂貴的帶有粒子加速器的大型儀器設(shè)備。少數(shù)的基于α源的可移動(dòng)PIXE光譜儀在參考文獻(xiàn)[4],[5]中被提出。</p><p>  X射線熒光光譜儀激發(fā)的X射線束本質(zhì)上是無損的(即被分析的對(duì)象可以保真空條件下測(cè)量),一個(gè)簡(jiǎn)單的倫琴管就足以激發(fā)X射線光束

9、并且避免軔致輻射。然而,從X射線管發(fā)出的寬帶輻射會(huì)分散在檢測(cè)器中,這可能會(huì)破壞微量元素檢測(cè)精度?;跇悠飞系募ぐl(fā)光束技術(shù)可以顯著減少在檢測(cè)器上的主輻射散射。X熒光光譜儀的例子在參考文獻(xiàn)[7]–[9]中可見。近期引進(jìn)的硅漂移探測(cè)器(SDD)在XRF領(lǐng)域開辟了高分辨率緊湊型光譜儀的道路,適用于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的材料無損分析。在本文中,我們引入了一個(gè)全新的基于SDDS環(huán)形的單片陣列X射線熒光光譜法光譜儀。</p><p>  

10、圖1 X射線熒光光譜儀的概念設(shè)計(jì)</p><p>  圖1 為所提出的X射線光譜儀的概念設(shè)計(jì),單獨(dú)的SDD被布置在芯片的激光切割中心孔周圍的封閉的環(huán)中。微聚焦管所發(fā)出的X射線光束,經(jīng)由多毛細(xì)管X射線透鏡聚焦,并通過檢測(cè)器中心孔到達(dá)樣品。與在文獻(xiàn)[14]中提出的光譜儀主要的新穎性是比單個(gè)毛細(xì)管透鏡更好的多毛細(xì)管X射線透鏡激發(fā)光的強(qiáng)度。由于縮短了樣品和檢測(cè)器之間的距離,此結(jié)構(gòu)可以吸收大部分從樣品所發(fā)出的熒光,所以

11、減少了空氣對(duì)熒光的吸收。有以上這些特點(diǎn)的高檢出率SDDS使得元素映射分析在很短的時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn),因此所提出的XRF光譜儀在很多方面很好的替代了掃描電鏡顯微鏡(SEM) 和質(zhì)子誘發(fā)X射線發(fā)射法(PIXE),雖然只有比較有限的空間分辨率(幾十微米級(jí))。如果需要可移動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)施儀器,光譜儀的檢測(cè)頭也能很容易地在測(cè)量中用X射線微光束來同步加速器光源。 </p

12、><p>  第二部分介紹新光譜儀的結(jié)構(gòu)和性能,第三部分提出了光譜儀在不同領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例,比如考古學(xué),生物學(xué)。第四章介紹了一種新的基于四SDDS圍繞中心孔結(jié)構(gòu)的多元探測(cè)器,在硅芯片上的它們都是單片集成的。每個(gè)SDDS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都被優(yōu)化為具有非常高的探測(cè)器能量分辨率和峰背比,這也優(yōu)化了芯片的元素分析映射應(yīng)用。該探測(cè)器的首次實(shí)驗(yàn)結(jié)果也在實(shí)驗(yàn)中得出。該探測(cè)器已經(jīng)在Istituto Nazionale di Fisica N

13、ucleare (INFN)實(shí)驗(yàn)中被開發(fā)為FELIX(X射線光譜快速元件成像)的框架。</p><p>  二、X射線熒光光譜儀元素映射</p><p>  圖2示出了所提出的元素映射光譜儀的設(shè)置。微聚X射線發(fā)生器耦合到X光透鏡將主光束聚焦于樣品。檢測(cè)模塊室布置著12個(gè)用珀?duì)柼鋮s的獨(dú)立SDDS的一個(gè)環(huán)形的單片陣列,探測(cè)器被封裝在一個(gè)充滿氮?dú)饷芊饪臻g里并配備兩個(gè)窗口來防止被珀?duì)柼?/p>

14、卻凝結(jié)。X-Y掃描系統(tǒng)(圖中不顯示比例)負(fù)責(zé)控制樣品的運(yùn)動(dòng),定制設(shè)計(jì)的電子(未示出)讀出和處理從探測(cè)器接收的信號(hào)。在主機(jī)PC上安裝了一個(gè)專門的軟件,它控制光譜的采集,對(duì)樣本的X-Y掃描,還有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。</p><p>  圖2 polycapyllary鏡頭的設(shè)置和探測(cè)器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)</p><p>  每個(gè)探測(cè)器的12個(gè)獨(dú)立的單元的有效面積為5平方毫米(在60平方毫米的敏感區(qū)內(nèi))

15、。當(dāng)樣品被放置在X射線透鏡的焦點(diǎn)時(shí),此有源區(qū)確保覆蓋立體角約為0.6 SR。檢測(cè)器的厚度約280微米。這里所使用的技術(shù),它的入射窗可以獲得的量子效率為80%以上的碳線(282 eV)和85%的氧線(523 eV)。然而,窗口(8米厚)密封的探測(cè)器外殼在低能量時(shí)限制了量子效率,,在1.5千電子伏時(shí)約75%,在2千電子伏時(shí)約90%。低能量的量子效率進(jìn)一步的限制由樣品和探測(cè)器入射窗之間的薄空氣層(約3毫米,檢測(cè)器外的情況下)和氮(約2毫米,檢

16、測(cè)器內(nèi)的情況下)所引起。檢測(cè)系統(tǒng)整體的量子效率是1.5 keV時(shí)的30%和2 keV時(shí)的60%。檢測(cè)器在更高的能量的量子效率是由檢測(cè)器的厚度所限制。目前的原型探測(cè)器(280微米厚)的量子效率在10 keV時(shí)約為90%,30keV時(shí)仍然為9%。使用450μm厚的基板(在新的四SDD元件中采用,第四節(jié)介紹)能將量子效率在30 keV時(shí)提高到14%。連結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)被集成在每個(gè)SDD的中心處,以充分利用陽極收集器的低輸出電容的優(yōu)

17、點(diǎn)(這是130 fF的順序),該JFET在</p><p>  微聚X射線發(fā)生器由IFG公司(柏林)生產(chǎn)。它配備了一個(gè)W陽極,可提供50伏的陽極電壓和高達(dá)500微安的陽極電流。polycapillary微型鏡頭(由IFG公司提供)增加了約2500在10 keV時(shí),在20 keV時(shí)約1200(工廠數(shù)據(jù)),在焦點(diǎn)處用15微米直徑的針孔測(cè)量(增益相對(duì)于所測(cè)量強(qiáng)度在同一點(diǎn)上取下鏡頭,并保持15微米直徑的針孔)。FWHMX

18、-射線束的焦點(diǎn)范圍從70微米(4 keV)到45微米(25 keV)(工廠數(shù)據(jù))。</p><p>  光譜儀的使用過程中,多元探測(cè)器的信號(hào),通過模塊化的多通道采集系統(tǒng)讀出。該系統(tǒng)由12個(gè)獨(dú)立的采集板組成,從探測(cè)器12個(gè)獨(dú)立的元素中對(duì)每一個(gè)信號(hào)采集和處理,并適宜的預(yù)放大。詳細(xì)參考[ 15 ]中說明的運(yùn)行過程細(xì)節(jié)。信號(hào)經(jīng)由7-poles高斯整形放大器進(jìn)行1s成型時(shí)間的濾波然后峰值拉伸。其峰值的振幅是由12位ADCS

19、數(shù)字化(10 MS / s的采樣率,0.5 LSB非線性積分和0.3 LSB非線性微分)。通過使用一個(gè)ADC實(shí)現(xiàn)每個(gè)板塊的模塊化。收集到的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在FIFO緩沖區(qū),通過一個(gè)共同的無源數(shù)字總線的PC機(jī),并通過增強(qiáng)型并口(EPP協(xié)議),然后轉(zhuǎn)移到每個(gè)板。邏輯電路也提供快速成型的信號(hào)以檢測(cè)(拒絕)堆積事件。測(cè)量的采集卡的積分非線性在±0.4%,結(jié)果適合高分辨率光譜的應(yīng)用。由于與PC數(shù)碼連接的特性,12種元素整體的最大檢出率目前僅限

20、于300 kcounts/ s。這個(gè)最大傳輸速率不是為了限制monocapillary光學(xué)光譜儀,但對(duì)于目前的系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重的瓶頸。錳-K線通過總線連接且獨(dú)立,同時(shí)收集12個(gè)采集板的光譜獲得的頻譜,測(cè)量的能量分辨率約179 eV FWHM(高斯修復(fù))。相對(duì)于</p><p>  三、元素映射應(yīng)用實(shí)例</p><p>  所提出的XRF光譜儀元素映射特別適用于尺寸小的且需要觀察細(xì)節(jié)的對(duì)象(如

21、珠寶或手繪的微縮模型)的考古分析。目前正在開展與米蘭國(guó)民考古博物館合作,對(duì)七世紀(jì)Lombard buckle的研究。圖3顯示了在Trezzo d’Adda(意大利北部)發(fā)現(xiàn)的墳?zāi)刮奈铩?lt;/p><p>  圖3 在Trezzo d’Adda(意大利北部)發(fā)現(xiàn)的墳?zāi)刮奈風(fēng)ombard buckle</p><p>  此鑲嵌工藝(agemina)的元素的映射分析的結(jié)果見圖4。工匠將細(xì)條狀的

22、黃金和白銀鑲嵌在鐵基體上,其橫向尺寸為幾百微米。條狀黃金幾乎是純黃金(Au約97%),而銀薄片是銀和銅合金(銀90%左右,銅約8%)。掃描的面積約5毫米×6毫米,而測(cè)量點(diǎn)的間距為250 微米×250微米。采集時(shí)間設(shè)置為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)1秒,平均計(jì)數(shù)率的10 kcps每通道。</p><p>  圖4 Lombard buckle的元素映射分析</p><p>  圖5示出

23、了儀器在生物科學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的一個(gè)例子。我們測(cè)量了一些剛施過肥的葉子的化學(xué)元素的分布。掃描面積為6×6mm,間距為100微米×100微米,每個(gè)測(cè)量點(diǎn)采集時(shí)間設(shè)置為0.5秒。在這種情況下平均計(jì)數(shù)率小于1 kcps每通道。從圖中可以看出,肥料中的化學(xué)元素開始沿淋巴管滲透到葉的莖。光譜儀用這樣的設(shè)定,可以在預(yù)定的時(shí)間間隔使寄存器存儲(chǔ)一系列影像,然后用于研究肥料的吸收。</p><p>  圖5 所示

24、為葉子中肥料化學(xué)元素(鈣,鐵,銅),掃描的區(qū)域?yàn)榛疑叫?lt;/p><p>  圖6為一種噴墨打印機(jī)頭,它的薄塑料基片的表面上沉積的銅微帶陣列掃描的結(jié)果。鋅 - 鐵合金層覆蓋在塑料基片表面的兩個(gè)邊上。這種結(jié)構(gòu)的部分(細(xì)節(jié))在圖6中可見。掃描區(qū)50%占空比的球形(300 微米和180微米)。執(zhí)行掃描的激發(fā)點(diǎn)垂直移動(dòng)到陣列的微帶線,用25微米間距的測(cè)量點(diǎn)(過采樣相對(duì)于預(yù)期的空間分辨率)。該圖給出了一個(gè)明確的空間傳遞函

25、數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)。輸出信號(hào)的調(diào)制在300微米間距的區(qū)域接近100%,180微米間距的區(qū)域約50%。如果我們假設(shè)高斯形狀的主光束點(diǎn)測(cè)得的調(diào)制的FWHM為80微米,稍微大于標(biāo)稱鏡頭一致性的期望值(因?yàn)?,由于檢測(cè)器的密封的情況下,我們被迫將樣品設(shè)置為重點(diǎn))。因此,檢測(cè)系統(tǒng)的空間分辨率約80微米。未包括底層的銅條區(qū)域的鋅 - 鐵合金層的熒光可見。</p><p>  圖6 噴墨打印機(jī)頭銅微帶的陣列掃描</p>

26、<p>  四、新四元優(yōu)化探測(cè)器</p><p>  圖7為新版本的優(yōu)化環(huán)形檢測(cè)器布局的示意圖。它由4個(gè)SDDs環(huán)繞于芯片的中心孔。每個(gè)心臟形狀的SDD與數(shù)量有限的獨(dú)立檢測(cè)器可以近乎100%的覆蓋圍繞該中心孔。此檢測(cè)器的厚度是450微米,4個(gè)SDD的有效面積為15平方毫米,整個(gè)檢測(cè)器的有效面積為60平方毫米,想當(dāng)于一個(gè)12元的探測(cè)器。在每個(gè)四SDDS角落的黑色圓點(diǎn)表示陽極的位置和臨近的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。

27、這些元素置于每個(gè)探測(cè)器敏感區(qū)域旁。這種方式SDD的布置可以很容易地經(jīng)由準(zhǔn)直器篩出有效區(qū)域內(nèi),以及陽極,JFET的邊界區(qū)域的剩余部分的熒光,可以避免電荷共享現(xiàn)象,和改善的峰背比。此外,這種配置的SDD的接收陽極可以設(shè)計(jì)得很小,其特征由120 fF與遠(yuǎn)低于中央陽極(大于200 fF的)的常規(guī)SDD電容輸出,光譜分辨率得以提高。</p><p>  圖7 優(yōu)化版本SDD探測(cè)器環(huán)型布局示意圖</p>

28、<p>  圖8所示照片為四元檢測(cè)器安裝在陶瓷板上與電子部分的連接。用Fe源照射的檢測(cè)器已初步測(cè)量光譜分辨率。圖9為測(cè)得的光譜。四個(gè)獨(dú)立的SDD同時(shí)偏置,和四個(gè)前置放大器的輸出被反饋送到相同的Tennelec TC244整形放大器(成形時(shí)間1.5秒)一次一個(gè)。輻射照射在檢測(cè)器上不平行。平均計(jì)數(shù)率約為每通道2 kcps,四個(gè)SDD有130 eV的平均分辨率(silena軟件擬合)和很好的均勻性。該探測(cè)器冷卻溫度為-35℃。測(cè)得的

29、峰值背景比(定義為Mn-K線和評(píng)估800 eV和1200 eV之間的平均值的峰值之間的比率)為6000,是具有500微米的準(zhǔn)直光束。高計(jì)數(shù)率性能的檢測(cè)器的初步測(cè)量,與tennelec TC244 375 ns整形放大器進(jìn)行整形,顯示分辨率為優(yōu)于220 eV FWHM(silena軟件擬合)的Mn-K線高達(dá) 300 kcps每通道。</p><p>  圖8 檢測(cè)模塊的照片</p><p>

30、;  圖9 鐵源照射在新四元探測(cè)器與經(jīng)由Tennelec TC244整形放大器測(cè)量所得光譜分辨率 ,1.5秒成形時(shí)間</p><p>  新的四元探測(cè)器目前正在開發(fā)新的專用讀出電器以達(dá)到非常高的計(jì)數(shù)率。測(cè)得的最大輸入輸出量在450 ns的成形時(shí)間內(nèi)等于200 kcps每通道(即,800 kcps的在四個(gè)檢測(cè)器通道),增加至900kcps每通道(即,3.6Mcps的在四個(gè)檢測(cè)器通道)在150 ns整形時(shí)間內(nèi)。四元

31、探測(cè)器新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將被應(yīng)用于元素測(cè)繪光譜儀的更新版本,目前處于領(lǐng)先的研發(fā)階段。</p><p><b>  五、結(jié)論</b></p><p>  基于SDDS單片陣列和X光透鏡的新X射線熒光光譜儀的結(jié)構(gòu)和元素映射性能,已被引入應(yīng)用實(shí)例。配備新的優(yōu)化多元SDD應(yīng)用和新的讀出電子裝置優(yōu)化的檢測(cè)器,將更大的提高光譜分辨率以及掃描速率。相對(duì)于其他適用于元素映射技術(shù)的儀器較

32、低的空間分辨率(例如,SEM和PIXE),該光譜儀具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它可以對(duì)空氣中的物體進(jìn)行無損分析,掃描速度快(檢測(cè)器特有的幾何結(jié)構(gòu)和的SDDs高計(jì)數(shù)率的能力),低能量的量子效率的提高,樣品和檢測(cè)器之間距離小,儀器設(shè)備緊湊(可以開發(fā)可移動(dòng)的安裝程序)和易于操作。</p><p><b>  致 謝</b></p><p>  新XRF光譜儀和四元SDD結(jié)構(gòu)由意大利國(guó)家原

33、子核物理學(xué)研究所(INFN) “FELIX”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供支持。該SDDs結(jié)構(gòu)由馬克斯普朗克研究所的halbleiterlabor和pnsensors研發(fā)。policapillary微聚透鏡發(fā)電機(jī)由IFG公司提供,12元SDD的設(shè)置的技術(shù)由Ketek有限公司提供。筆者在此感謝米蘭公民考古博物館和其董事D. Caporusso,考古學(xué)家L. miazzo和M. de Marchi。感謝匿名審稿人對(duì)稿整體質(zhì)量的修改和給出的意見。</p&

34、gt;<p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p>  [1] J. Goldstein, D. E. Newbury, D. C. Joy, C. E. Lyman, P. Echlin, E. Lifshin, L. C. Sawyer, and J. R. Michael, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Micro

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