外文文獻翻譯譯文--基于單片陣列硅漂移探測器的x熒光光譜儀

1、<p><b>　　中文5030字</b></p><p>　　本科畢業(yè)設計外文資料翻譯</p><p>　　院（系）： 工程技術學院 </p><p>　　專 　業(yè)： 機械設計制造及其自動化 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學 號： </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器的X熒光光譜儀：元素映射分析和優(yōu)化檢測結構</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用實例。X射線激發(fā)光束由檢測器芯片上的中心孔通過毛細管X射線透鏡聚焦在一個狹縫中。這種結構能使樣品發(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間。展示了新型X射線光譜儀在不同研究領域（從考古學到生物學）的應用實例。此外，本文還將介紹一種新的基于四個SDDS單片環(huán)繞重心孔的集成硅芯片多元探測器的拓撲結構。這種四SDDS型結構通過專門設計以獲取高的的能量分辨率和峰背比。首次應用此探測器的實驗結果數(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，硅漂移探測器，X射線熒光（XRF），X射線光學，X射線光譜法。</p><p><b>　　一、引言</b></p><p>　　元素映射分析（即，檢測樣品中的化學元素并確定其空間分布）在從基礎科學到工業(yè)技術，或是從生物學到法醫(yī)調查這幾個不同領域中都是一個重要的問題。這種分析是基于對試樣正確活躍點的X射線熒光光譜測量。掃描電子顯微鏡（SEM）被

7、廣泛應用于元素映射分析。樣品（從所研究的試樣中取得）由一個高能電子束激發(fā)，因此需金屬化和在真空室中用顯微鏡進行分析。這種技術通常有“破壞性”的特點，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）可能會損傷微量元素的檢測。另一種元素的映射技術是基于激發(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），一般所用帶電粒子是質子。所研究的樣品可以在空氣中不必金屬化，因此它可以被認為是“無損”的檢測。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射線熒光分析技術的空間分辨率可以達到微米級，但是這種技術的主要缺點就是需要昂貴的帶有粒子加速器的大型儀器設備。少數(shù)的基于α源的可移動PIXE光譜儀在參考文獻[4],[5]中被提出。</p><p>　　X射線熒光光譜儀激發(fā)的X射線束本質上是無損的（即被分析的對象可以保真空條件下測量），一個簡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)出的寬帶輻射會分散在檢測器中，這可能會破壞微量元素檢測精度?；跇悠飞系募ぐl(fā)光束技術可以顯著減少在檢測器上的主輻射散射。X熒光光譜儀的例子在參考文獻[7]–[9]中可見。近期引進的硅漂移探測器（SDD）在XRF領域開辟了高分辨率緊湊型光譜儀的道路，適用于實驗現(xiàn)場的材料無損分析。在本文中，我們引入了一個全新的基于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計</p><p>　　圖1 為所提出的X射線光譜儀的概念設計，單獨的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)由多毛細管X射線透鏡聚焦，并通過檢測器中心孔到達樣品。與在文獻[14]中提出的光譜儀主要的新穎性是比單個毛細管透鏡更好的多毛細管X射線透鏡激發(fā)光的強度。由于縮短了樣品和檢測器之間的距離，此結構可以吸收大部分從樣品所發(fā)出的熒光，所以

11、減少了空氣對熒光的吸收。有以上這些特點的高檢出率SDDS使得元素映射分析在很短的時間內可以實現(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）。如果需要可移動的現(xiàn)場應用實施儀器，光譜儀的檢測頭也能很容易地在測量中用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構和性能，第三部分提出了光譜儀在不同領域的應用實例，比如考古學，生物學。第四章介紹了一種新的基于四SDDS圍繞中心孔結構的多元探測器，在硅芯片上的它們都是單片集成的。每個SDDS的拓撲結構都被優(yōu)化為具有非常高的探測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用。該探測器的首次實驗結果也在實驗中得出。該探測器已經(jīng)在Istituto Nazionale di Fisica N

13、ucleare (INFN)實驗中被開發(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。檢測模塊室布置著12個用珀爾帖元件冷卻的獨立SDDS的一個環(huán)形的單片陣列，探測器被封裝在一個充滿氮氣密封空間里并配備兩個窗口來防止被珀爾帖元件冷

14、卻凝結。X-Y掃描系統(tǒng)（圖中不顯示比例）負責控制樣品的運動，定制設計的電子（未示出）讀出和處理從探測器接收的信號。在主機PC上安裝了一個專門的軟件，它控制光譜的采集，對樣本的X-Y掃描，還有數(shù)據(jù)存儲和處理。</p><p>　　圖2 polycapyllary鏡頭的設置和探測器的詳細結構</p><p>　　每個探測器的12個獨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）

15、。當樣品被放置在X射線透鏡的焦點時，此有源區(qū)確保覆蓋立體角約為0.6 SR。檢測器的厚度約280微米。這里所使用的技術，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）密封的探測器外殼在低能量時限制了量子效率，，在1.5千電子伏時約75％，在2千電子伏時約90％。低能量的量子效率進一步的限制由樣品和探測器入射窗之間的薄空氣層（約3毫米，檢測器外的情況下）和氮（約2毫米，檢

16、測器內的情況下）所引起。檢測系統(tǒng)整體的量子效率是1.5 keV時的30%和2 keV時的60%。檢測器在更高的能量的量子效率是由檢測器的厚度所限制。目前的原型探測器（280微米厚）的量子效率在10 keV時約為90%，30keV時仍然為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時提高到14%。連結型場效應晶體管（JFET）被集成在每個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（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。它配備了一個W陽極，可提供50伏的陽極電壓和高達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，在20 keV時約1200（工廠數(shù)據(jù)），在焦點處用15微米直徑的針孔測量（增益相對于所測量強度在同一點上取下鏡頭，并保持15微米直徑的針孔）。FWHMX

18、-射線束的焦點范圍從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，多元探測器的信號，通過模塊化的多通道采集系統(tǒng)讀出。該系統(tǒng)由12個獨立的采集板組成，從探測器12個獨立的元素中對每一個信號采集和處理，并適宜的預放大。詳細參考[ 15 ]中說明的運行過程細節(jié)。信號經(jīng)由7-poles高斯整形放大器進行1s成型時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ADC實現(xiàn)每個板塊的模塊化。收集到的數(shù)據(jù)都存儲在FIFO緩沖區(qū)，通過一個共同的無源數(shù)字總線的PC機，并通過增強型并口（EPP協(xié)議），然后轉移到每個板。邏輯電路也提供快速成型的信號以檢測（拒絕）堆積事件。測量的采集卡的積分非線性在±0.4%，結果適合高分辨率光譜的應用。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。這個最大傳輸速率不是為了限制monocapillary光學光譜儀，但對于目前的系統(tǒng)構成了嚴重的瓶頸。錳-K線通過總線連接且獨立，同時收集12個采集板的光譜獲得的頻譜，測量的能量分辨率約179 eV FWHM（高斯修復）。相對于</p><p>　　三、元素映射應用實例</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節(jié)的對象（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民考古博物館合作，對七世紀Lombard buckle的研究。圖3顯示了在Trezzo d’Adda（意大利北部）發(fā)現(xiàn)的墳墓文物。</p><p>　　圖3 在Trezzo d’Adda（意大利北部）發(fā)現(xiàn)的墳墓文物Lombard buckle</p><p>　　此鑲嵌工藝（agemina）的元素的映射分析的結果見圖4。工匠將細條狀的

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，而測量點的間距為250 微米×250微米。采集時間設置為每個測量點1秒，平均計數(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、了儀器在生物科學領域中應用的一個例子。我們測量了一些剛施過肥的葉子的化學元素的分布。掃描面積為6×6mm，間距為100微米×100微米，每個測量點采集時間設置為0.5秒。在這種情況下平均計數(shù)率小于1 kcps每通道。從圖中可以看出，肥料中的化學元素開始沿淋巴管滲透到葉的莖。光譜儀用這樣的設定，可以在預定的時間間隔使寄存器存儲一系列影像，然后用于研究肥料的吸收。</p><p>　　圖5 所示

24、為葉子中肥料化學元素（鈣，鐵，銅），掃描的區(qū)域為灰色正方形</p><p>　　圖6為一種噴墨打印機頭，它的薄塑料基片的表面上沉積的銅微帶陣列掃描的結果。鋅 - 鐵合金層覆蓋在塑料基片表面的兩個邊上。這種結構的部分（細節(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)點垂直移動到陣列的微帶線，用25微米間距的測量點（過采樣相對于預期的空間分辨率）。該圖給出了一個明確的空間傳遞函

25、數(shù)的測量系統(tǒng)。輸出信號的調制在300微米間距的區(qū)域接近100%，180微米間距的區(qū)域約50％。如果我們假設高斯形狀的主光束點測得的調制的FWHM為80微米，稍微大于標稱鏡頭一致性的期望值（因為，由于檢測器的密封的情況下，我們被迫將樣品設置為重點）。因此，檢測系統(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 噴墨打印機頭銅微帶的陣列掃描</p>

26、<p>　　四、新四元優(yōu)化探測器</p><p>　　圖7為新版本的優(yōu)化環(huán)形檢測器布局的示意圖。它由4個SDDs環(huán)繞于芯片的中心孔。每個心臟形狀的SDD與數(shù)量有限的獨立檢測器可以近乎100%的覆蓋圍繞該中心孔。此檢測器的厚度是450微米，4個SDD的有效面積為15平方毫米，整個檢測器的有效面積為60平方毫米，想當于一個12元的探測器。在每個四SDDS角落的黑色圓點表示陽極的位置和臨近的結型場效應管。

27、這些元素置于每個探測器敏感區(qū)域旁。這種方式SDD的布置可以很容易地經(jīng)由準直器篩出有效區(qū)域內，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的接收陽極可以設計得很小，其特征由120 fF與遠低于中央陽極（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探測器環(huán)型布局示意圖</p>

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

29、峰值背景比（定義為Mn-K線和評估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微米的準直光束。高計數(shù)率性能的檢測器的初步測量，與tennelec TC244 375 ns整形放大器進行整形，顯示分辨率為優(yōu)于220 eV FWHM（silena軟件擬合）的Mn-K線高達 300 kcps每通道。</p><p>　　圖8 檢測模塊的照片</p><p>

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

31、探測器新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將被應用于元素測繪光譜儀的更新版本，目前處于領先的研發(fā)階段。</p><p><b>　　五、結論</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構和元素映射性能，已被引入應用實例。配備新的優(yōu)化多元SDD應用和新的讀出電子裝置優(yōu)化的檢測器，將更大的提高光譜分辨率以及掃描速率。相對于其他適用于元素映射技術的儀器較

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

33、子核物理學研究所（INFN） “FELIX”實驗項目提供支持。該SDDs結構由馬克斯普朗克研究所的halbleiterlabor和pnsensors研發(fā)。policapillary微聚透鏡發(fā)電機由IFG公司提供，12元SDD的設置的技術由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，考古學家L. miazzo和M. de Marchi。感謝匿名審稿人對稿整體質量的修改和給出的意見。</p&

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