Способ определения эффективности регистрации полупроводникового детектора характеристического рентгеновского излучения

 

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений с помощью полупроводникового детектора . Целью изобретения является определение эффективности регистрации характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) с повьшенной точностью и обеспечение радиационной безопасности. Цпн калибровки используют тонкие образцы, каждьй из которых содержит определенньй химический элемент, энергия К-излучения которых лежит в заданном энергетическом интервале и энергия линии К,- злучения каждого последующего не больше энергии К -излучения предьщущего элемента . С помощью внешнего источника возбуждают ХРИ в каждом образце и измеряют отношение числа К к числу К для каждого элемента. Вычисляют соответствующее отношение эффективностей ff / выбирают произвольный масштаб и строят участок зависимости Е(Е) в относительных единицах на отрезке для данного элемента, определяют по нему соответ-- ствующее значение эффективности для энергий Е, следующего элемента вычисляют значение эффективности для энергии El этого элемента, строят второй участок зависимости, переходят к следующему элементу и т.д. Изобретение позволяет увеличить точность измерений как в области низких энергий, так и для всего энергетического интервала ХРИ, 1 ил, 2 табл. и S .nsG-lS 1|%атзШ Ю О5 ю

СВОЗ аИЕТСжИХ

СОЦИАЛИСТИ-1ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 С 01 Т 1/24

ЕМ

ПА1Ен!80 -1 с д д11

К,А ВТОРСНОМУ CBMPETEllbCTBÓ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (46) 1 5. 09. 90. Бюл. Р 34 (21) 4173684/31-25 (22) 04.01.87 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническои институте им. С.М.Кирова (72) А.P. Иимель, A ° Г. Пузыревич, A.È. Рябчиков и ",.Л. Шипилов (53) 621.387.462(088.8) (56) Вольдест Р. Прикладная спектрометрня рентгеновского излучения.

Изд. доп. (США, 1977). Пер. с англ.М.: Атоииздат, 1977, с. 7-21.

Esgaard Е.L., Andersen J.U. u

Hogedal F. Accurate determination

of cross- sutions for К - shell oa ration by proton impact. — Nuclear

Instruments and Меthods, 169(1980), 293-300. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ,,ЭФФЕКТИВНОСТИ

РЕГИСТРАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДЕТЕКТОРА ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57)Изобретение относится к техйике измерения ионизирующих излучений с помощью полупроводникового детектора. Целью изобретения является определение эффективности регистрации характеристического рентгеновского излучения (КРИ) с повышенной точностью и обе"печение радиационной безопасности. Для калибровки используют тонкие образцы, каждый из которых содержит определенный химический элемент, энергия К-излучения которых лежит в эаданнои энергетическом интервале и энергия линии К -излучения каждого последующего не больше энергии Кв-излучения предыдущего элемента. С помощью внешнего источника возбуждают КРИ в каждом образце и измеряют отношение числа К, к числу !(<. для каждого элемента. Вычисляют соответствующее отношение эффективностей Е -/Eg, выбирают произвольный масштаб и строят участок зависимости < : = Я(Е) в относительных единицах на отрезке Е -Е для данного элемента, определяют по нему соответствующее значение эффективности для . энергий Е. следующего элемента, вычисляют значение эффективности для энергии Е этого элемента, строят второй участок зависимости, пере ходят к следующеиу элементу и т.д. . Изобретение позволяет увеличить точность измерений как в области низких энергий, так и для всего энергетического интервала ХРИ, 1 ил, 2 табл.

1426271

Изобретение относится к ядернофизйческпм методам анализа и может быть использовано для калибровки по,лупроводппковьи детекторов характери5 стического рентгеаговского йзлучеа1пя (ХРИ) по эфФектаавностаг регистрации в зависимости от энергии регистрируемых квантов».

Целью изобретения является повыЕ0ННе точности определения эффективности для области энергий регистрйруемьи квантов от единиц до нескольких десятков кэВ и устранение радиационной опасности. 15

Сущность способа заключается в том, что осуществляют регистрацию детектором квантов разных энергий, измеряют отношение числа зарегистрированных квантов одного значения энергии к числу зарегистрированных квантов другого значения энергии и вычисляют соответствующие значения отношения эффективностей. С помощью внешнего источника (ускоренных легких ионов 25 пли электронов, рентгеновского излучения или " — квантов) последо- вательно возбуждают ХРИ в образцах, каждый из которых содержит определенньв химический элемент в топком поверхностном слое (торможением частиц и ослаблением излучения в котором можаго пренебречь).. Причем энергия ли:ний K-серии этих химических элементов лежит D заданном энергетическом интервале и энергия липни К, -нзлу35 чепия каждого последующего не больше энергии линии Ку;излучеааия преды дущего элемента. Для каждого элемента измеряют число N -зарегистрирован40 пьи детектором;квантов 1 -излучения и Игь-квантов Ê -излучения, по отношению этих. чисел вычисляют отношение эффективностей регистрации Q / Ep для значений энергии квантов К и

Ку,-излучения соответственно и строят участок зависимости Я.= Я. (Е) на отрезке Q-Ку, в отггосительааьи едггпицах. После этого переходят к следующему элементу и строят следующий участок зависимости и т.д.

Кванты определенп значений знер% гпи йолучакгт возбуждением от вагешааего источиаа<а ХРИ злемейтов D топких ббразцах, причем энергия линий К-серии этих элементов лежит в заданном энергетическом интервале и энергия

Ê -излучения каждого последующего не больше энергии К) -излучения преды2 дущего элемента, измеряют отношение числа зарегистрированных детектором квантов одного значения энергий к числу зарегистрированных детектором квантов другого значения энергий и вычисляют соответствующие значения отношения эффективности регистрации только для квантов К и К>-излучения каждого элемента отдельно, и строят зависимость последовательно, по отдельным участкам, переходя от одноГо к другому, Предлагаемьва способ осуществляется следующим образом.

Берут набор топких образцов, содержащих химаачесцуе элементы, энергия

К-излучения которьи находится в выбранном энергетическом интервале и энергия K -излучения каждого последующего (в порядке возрастания атомного номера) De больше энергии К излучения предьдущего.

Тоггкигобразцом, согласно классифи-кации, пра.пятой в рептгеноспектраль ом анализе, называют слой, содержащий данный химический элемент, торможением частиц H ослаблением излученная в котором можно пренебречь.

С помощью пучка ионов или электронов, рентгеновского излучения или -квантов последовательно возбуждают

ХРИ в каждом образце. Для каждого элемента измеряют отдельно число Ng-зарегистрированных детектором квантов

К,С-излучения и число N -квантов К—

Р излучения. Веааагчины Л и Ир связаны с соответствующими значениями эффективности следующими соотношениями:

N,= 2 ;Ц Е.) PÄ D, (1)

@=Я Я Я ЦЕ,) PB D а (2) где D — поверхностная плотность дан.ного элемента в образце

Р, P> — вероятности испускания кванта для К,(и Крр-излучения соответственно.

Разделив (1) па (2), получаем.

FB (3}

Рр N .

В настоящее время величина Р

Таким образом, измеряя отношецие

Np/Ng, определяют отношение Ея / -<, и строят участок зависимости Е.(Е) в относительных единицах иа отрезке

Е,(-Ер для данного элемента. Далее

5 проделывают то же самое для следующего элемента и строят следующий участок зависимости и т.д. Поскольку, как уже было сказано выше, выбирают такие элементы, чтобы энергия К,<-излучения предыдущего была не меньше энергии 1 -излучения последующего (в порядке возрастания атомного номера), то построенные таким образом участки зависимости стыкуются. В результате получают непрерынную кривую

1 =С f (Е) н относительных единицах где С вЂ” постоянный множитель.

Пример. Пусть необходимо по- 20 строить зависимость эффективности регистрации полупроводникового детектора от энергии кнантов в интервале энергий от 5 до 10 кэВ (область низких энергий, где прототип дает допол- 25 нительную погрешность, связанную с самопоглощением). К нижнему пределу близко значение энергии К-излучения хрома, к верхнему — цинка. Поэтому для решения поставленной задачи следует испольэовать тонкие образцы, содержащие элементы Cr, Мп, Fe, Со, Ni, Cu Zn. Энергии К. и К ь-линий данных элементов приводятся в табл. °

Для всех данных элементов энергия

К, -излучения каждого последующего (в порядке возрастания атомного номера) не больше энергии Кя-излучения предыдущего. .Тонкие образцы могут быть изготов- 4р лены разными способами: электрокапнллярным или вакуумным напылением, электролизом или с помощью ионной имплантации. При этом в качестве подложки следует использовать бериллий или уг- 45 лерод, поскольку они обладают малой тормозной способностью и малыми коэффициентами ослабления излучения, а . также не дают собственного вклада в загрузку детектора (вследствие низкой 50 энергии собственного ХРИ), что позволяет унеличить ток пучка для более интенсивного возбуждения ХРИ элементов. Могут быть также использованы подложки из алюминия или кремния, од пако они уже будут влиять на загрузку детектора. Если образцы представляют собой сплошные пленки, нанесенные (электролиэом или напылением) на толстые подложки, то для удовлетворения критерия .тонкого образца их толщина не должна превышать нескольких десятков микрограммон на см (1000 A при нормальной плотности).

Можно использовать образцы, полученные с помощью. имплантации данных элементов дозами 10" -10 ион/см в

4Т 2 матрицы из тех же веществ (Be, С или

Al Si i т.д.). При энергии ионов

Е < 100 кэВ толщина имплантиронанного слоя не будет превышать 500-600 А, что вполне удовлетворяет критерию тонкого образца.

Последовательно возбуждая и измеряя отношение интенсинностей И.(/N, вычисляют соответствующее отношение эффективностей 4„ /Е для .каждого элемента по формуле (3). Выбрав эа единицу измерения значение эффективности, соответствующее энергии К -или К>e( излучения какого-либо из данных элементов, например К(-излучения хрома, вычисляют соответствующее значение эффекТивности для К -излучение Сг и строят участок зависимости на заданном отрезке Е<-Ep(Cr) Далее, поскольку энергия К -излучения следующего элемента (Mn) лежит на данном отрезке, то определяют соответствующее ему значение эффективности для энергии Кя-излучения (Мп) и строят следующий участок зависимости на отрезке Е + Е (Мп) и т.д, В результате получают непрерывную зависимость

= СоХ(Е).

В данном примере была измерена эффективность регистрации полупроводникового кремниено-литиевого (Si-Li) детектора ХРИ с бериллиевым окном толщиной 20 мкм с поверхностью 25 мм и толщиной чувствительного слоя 3 мм.

Разрешение детек ора составляло 280 эВ для энергии 6,4 кэВ. В качестве источника возбуждения ХРИ использовался пучок протонон с энергией 2 мэВ ускорителя ЭСГ-2,5.

Тонкие образцы были получены с помощью напыления (Fe, Со, Ni, Cu) и ионной имплантации (Cr, Мп, Zn).

Энергия имплантированных ионов составляла 40 кзВ. В качестве материала подложки использовался бериллий.

Измерение числа зарегистриронанных квантов осуществлялось с помощью многоканального анализатора импульсов—

96. В табл. 2 приводятся результаты

14262

Энергия излу- чения> кэВ

Элемент

Fe Co Ni . Cu Zn

Cr - Ип

Ку, 5,945 6,489 7,057 7,648 8,263 8,904 9,570

5 414 5,898 6 403 6 929 7 477 8 046 8 637

Таблица 2

Отношение эффективности регистрации

Элементы

Ип . Fe Co Ni Cu Zn

0 71 0 82 0 84 0 86 0 87 0 88 0 89

5 измерения величины Е„ / для данных элементов, На чертеже графически изображена полученная зависимость в выбранном энергетическом интервале.

Таким образом, предлагаемый спо- . соб исключает работу с радиоактивными источниками и позволяет увели\ чить точность измерений как в области низких энергий (самопоглощение в источнике не влияет иа данный способ), так и для всего энергетического интервала ЗРИ, поскольку величина отношения вероятностей испускания квантов К; и К -излучения измерена ,ф экспериментально и вычислена теоретически с большой точностью практически для всех элементов периодической таблицы, а предельная погрешность паспортных значений величины активности источника (число распадов в секунду) составляет не менее 3Х (плюс погрешность процентного квантового выхода, которая,.согласно . 25 приведенным данным, достигает 23X.).

Следует также отметить, что срок годности большинства источников составляет 1 год, в то время как набор 3р тонких образцов может использоваться значительно большее время.

Кроме этого, предлагаемый способ позволяет безопасно и точно определять и абсолютные значения эффективности. Действительно, измерив всю за35 висимость в относительных единицах и измерив (с помощью выбранного ка71

6 либрова нного источника) абсолютное эначеlln(эффективности лищь для одно о значения энергии, получим зависимость в абсолютных значениях.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ определения эффективности регистрации полупроводникового детектора характеристического рентгеновского излучения, включающий регистрацию детектором квантов разных энергий, измерение отношения числа зарегистрированных квантов одного значения энергии к числу зарегистрированных:: квантов другого значения энергии, вычисление соответствующей величины отношения эффективностей и построение зависимости эффективности от энергии в относительных единицах, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения эффективности и устранения радиационной опасности, используют набор тонких образцов, каждый из которых содержит определенный химический элемент, энергия К-излучения которых лежит в заданном энергетическом интервале и энергия К„-излучения каждого последующего не больше энергии К>излучения предыдущего элемента, последовательно с помощью внешнего источника возбуждают ХРИ в каждом образце и измеряют отношение чисел зарегистрированных квантов К„

Таблица 1

)42627 f

Составитель В. Дрыгин

Техред М.Ходаннч Корректор М. Демчик

Редактор И. Кузнецова

Тираж 359 . -Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета CCCP по делам изобретений и открытий

1l3035 Москва, Ж-35 Раушская иаб. ° д. -4/5

Заказ 3325 (Ф 1

Производственно-полиграфическое предприятие, г. -Ужгород, ул. Проектная, 4