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XR-100CR Si-PIN X 射线探测器

Amptek 最近在内部引入了硅晶片制造工艺并改进了此工艺。他们生产出的探测器具有更低的噪声、更低的泄漏电流、更好的电荷收集能力,并且探测器之间的一致性更好。这使其成为当今市面上性能最佳的 Si-PIN 探测器。

XR-100CR 是一款高性能的热电冷却 Si-PIN X 射线探测器和前置放大器。它通常用于需要中等能量分辨率和中等计数率且预算不高的实验室 X 射线光谱测量应用。它适合许多 XRF 应用,例如识别金属合金、验证 RoHS/WEEE 合规性以及检测油漆中的铅。

XR-100CR 的能量分辨率范围为 139 至 190 eV FWHM,具体取决于探测器面积。它在计数率低于 30 kcps 时性能最佳,适用于 1.5 至 30 keV 的 X 射线。  它使用全耗尽的 500 µm Si-PIN 光电二极管,并有 1 或 0.5 密耳 Be 窗口。

在 XR-100CR 中,探测器安装在延长管上(有多种不同的长度),前置放大器安装在连接的金属盒中。它需要单独的信号处理器和电源;推荐使用 Amptek PX5,它非常适合大多数实验室应用。同样的 Si-PIN 探测器也被用在较小的 X-123 封装设计中,或与较小的前置放大器一起用于 OEM 和定制系统。

图 1.使用 6 mm2/500 µm 探测器采集的 55Fe 谱图。
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应用

  • X 射线荧光(XRF)
  • RoHS/WEEE
  • 便携式仪器
  • OEM
  • 核医学
  • 教学和研究
  • 艺术和考古
  • 过程控制
  • Mössbauer 光谱仪
  • 太空和天文应用
  • 环境监测
  • 核电厂监测
  • 有毒垃圾场监测
  • PIXE

特点

  • Si-PIN 光电二极管
  • 有 6、13 和 25 mm2 可供选择
  • 2 级热电制冷器
  • 温度监测
  • 铍窗口
  • 多层准直器
  • 密封封装(TO-8)
  • 检测范围宽
  • 易于操作

  • 描述 +


    XR-100CR 是 X 射线探测器技术的一大突破,提供了以前只能从昂贵的低温冷却系统获得的“现成”性能。尽管现在已经有更新的探测器技术,例如 Amptek 的 XR-100SDD和 FastSDD®,但是 XR-100CR 由于性能好且成本低,在 XRF 行业仍然非常受欢迎。

    Amptek XR-100CR 的核心是一个热电冷却的 Si-PIN 光电二极管,可感应 X 射线。两级热电冷却器使探测器及其输入 JFET 的温度能够保持在 -55 °C 左右,减少了在不使用低温液氮冷却情况下的电子噪声。这种冷却是 XR-100CR 的关键,使其在紧凑、方便的封装中实现了高性能。

    探测器的密封 TO-8 封装设计使薄铍窗口不透光和气密,从而可进行软 X 射线检测。外壳内部为真空,可实现最佳冷却。XR-100CR 探测器包括一个内置多层准直器,最大程度地减少了背景和光谱伪影。它有一个复位式前置放大器,使用独特的方法通过高压连接进行复位,最大程度地降低了噪声。

    在 XR-100CR 中,前置放大器封装在一个 3.0 x 1.75 x 1.125 英寸的金属盒中,探测器位于延长管上(可选长度:无延长管、1.5″、5″和 9 英寸)。配有 5 英寸或 9 英寸延长管的 XR-100CR 适合使用可选 CP75 真空法兰进行真空测量。还有其他适合用于 OEM 或空间有限的情况的前置放大器。

    X 射线与硅原子相互作用,硅中每损失 3.62 eV 能量,就会平均产生一个电子/空穴对。根据入射辐射的能量,这种损失主要由光电效应或康普顿散射决定。探测器“阻止”X 射线并产生电子/空穴对的概率或效率随硅厚度的增加而增加。有关更多信息,请参阅“性能”选项卡上的效率曲线。

    为了便于电子/空穴收集过程,会根据探测器厚度在硅上施加一个 100-200 伏偏压。此电压过高,使探测器不能在室温下运行,因为这会导致过多泄漏,甚至击穿。由于 XR-100CR 中的探测器被冷却,泄漏电流大大降低,从而可施加高偏压。这种高电压会降低探测器的电容,从而降低系统噪声。

    热电冷却器可冷却 CdTe 探测器和电荷灵敏前置放大器的输入 FET 晶体管。冷却 FET 可降低其泄漏电流并提高跨导,这两者都有利于降低系统的电子噪声。

    由于光学复位在探测器为光电二极管时不切实际,XR-100CR 采用了一种新颖的反馈方法来复位电荷灵敏前置放大器。在大多数其他系统中使用的复位晶体管被取消。取而代之的是,将一个精确的电荷脉冲通过探测器电容注入输入 FET,然后通过与探测器的高压连接来完成复位。此方法消除了复位晶体管的噪声影响,并进一步提高了系统的能量分辨率。

    温度监测二极管芯片安装在冷却基板上,可直接读取内部组件的温度,温度将随室温的变化而变化。如果温度低于 -20 °C,XR-100CR 的性能将不会受到几度温度波动的影响。因此,在常规室温下使用 XR-100CR 时,无需闭环温度控制。对于 OEM 应用或手持式 XRF 仪器,建议使用闭环温度控制。主动温度控制是 Amptek 电子器件(如 PX5 和 DP5/PC5)的标准配置。

  • 性能 +


    图 1.6、13 和 25 mm² Si-PIN 探测器的分辨率与峰值时间和温度之间的关系。

    图 3.不同峰值时间的分辨率与输入计数率(ICR)之间的关系。使用 XR-100CR 和 PX5 采集获得。

    图 4.不同峰值时间的 PX5 吞吐量。

    效率曲线

    图 5(线性)。显示了 XR-100CR 探测器的固有全能量探测效率。这种效率对应于 X 射线进入探测器前端并通过光电效应将全部能量沉积在探测器内部的概率。

    图 6(对数)。显示了光子发生任何相互作用的概率以及导致总能量沉积的光电相互作用的概率。如图所示,光电效应在低能量下占主导地位,但在高于 40 keV 的高能量下,光子会发生康普顿散射,在探测器中沉积的能量低于全能量。

    以上两个图结合了通过铍窗(包括保护涂层)的透射效应和硅探测器中的相互作用。曲线的低能量部分由铍窗口的厚度决定,而高能量部分则由 Si 探测器的有效深度的厚度决定。根据所选的窗口,90% 的入射光子以 2 至 3 keV 的能量到达探测器。根据所选的探测器,90% 的光子在高达 9 至 12 keV 的能量下被检测到。

    效率包:一个包含系数和有关效率常见问题解答的 ZIP 文件。此效率包仅供参考。不应将其用作关键定量分析的依据。

    理论分辨率为能量的函数

    图 7.各种探测器分辨率的分辨率与能量之间的关系。例如,55Fe 分辨率为 145 eV FWHM 的探测器将遵循红色曲线的规律。

    常见特性 X 射线能量下的分辨率

    例如:在上表中找到 55Fe 行并找到探测器的分辨率(粗体)。包含这些分辨率的列列出了该探测器在这些常见能量下的分辨率。

  • 规格参数 +


    通用

    探测器类型 Si-PIN
    探测器尺寸 6 mm2(准直至 4.4 mm2
    13 mm2(准直至 11.1 mm2
    25 mm2(准直至 21.5 mm2
    硅厚度 500 µm
    准直器 多层
    能量分辨率 @ 5.9 keV(55Fe) 139 eV FWHM 至 230 eV FWHM,具体取决于探测器类型和整形时间常数。
    本底计数 对于 6 mm2/500 µm 探测器,<5 x 10-3/s,2 keV 至 150 keV
    探测器铍窗厚度 1 密耳(25 µm)或 0.5 密耳(12.5 µm)
    电荷灵敏前置放大器 Amptek 定制设计,通过高压连接复位
    增益稳定性 <20 ppm/°C(典型值)
    外壳尺寸 3.00 x 1.75 x 1.13英寸(7.6 x 4.4 x 2.9 cm)
    重量 4.9 盎司(139 克)
    总功率 <1 瓦
    质保期 1 年
    典型设备寿命 5 至 10 年,视使用情况而定
    工作条件 -35°C 至 +80°C
    存储和运输 长期存储:10 年以上保持环境干燥
    典型存储和运输:-40 °C 至 +85 °C,10 至 90% 湿度,不结露
    TUV 认证
    证书编号:CU 72072412 01
    经测试符合:UL 61010-1: 2004 R7 .05
    CAN/CSA-C22.2 61010-1: 2004

    输入

    前置放大器电源 ±8 至 9 V @ 15 mA,峰间噪声不超过 50 mV
    探测器电源 +180 V(电源应能在 1 µA 时产生 +100 至 200 V 之间的电压)非常稳定,变化 <0.1%
    制冷器电源 电流 = 最大 350 mA,电压 = 最大 4 V,峰间噪声 <100 mV
    注:XR-100CR 配有自己的闭环温度控制器(Δ_Tmax=85°C)

    输出

    复位输出波形 XR100CR 的输出从 +5 V 摆动到 -5 V。
    复位周期因探测器类型和计数率而异。
    前置放大器灵敏度 典型 1 mV/keV(可能因不同探测器而异)
    前置放大器极性 负信号输出(最大负载为 1 千欧)
    前置放大器反馈 通过探测器电容复位
    温度监测灵敏度(二极管) 770 mV = -50 °C
    对于 Amptek 电子器件,通过软件直接读取 K 值。

    XR-100CR 连接器

    前置放大器输出 BNC 同轴连接器
    电源和信号 6 针 LEMO 连接器(部件号 ERA.1S.306.CLL)
    连接线 XR-100CR 到 PX5:6 针 LEMO(部件号 FFA.1S.306.CLAC57)到 6 针 LEMO(5 英尺长)
    XR-100CR 单机:6 针 LEMO(部件号 FFA.1S.306.CLAC57)到 9 针 D(5 英尺长)

    6 针 LEMO 连接器引脚分配

    引脚 1 温度监测二极管
    引脚 2 +高压探测器偏压,最大 +100 – 200 V
    引脚 3 -9 V 前置放大器电源
    引脚 4 +9 V 前置放大器电源
    引脚 5 制冷器电源返回
    引脚 6 冷却器电源
    0 至 +4 V @ 350 mA
    外壳 接地和屏蔽

    真空应用

    XR-100CR 可在空气或低至 10-8 托的真空下工作。XR-100CR 有两种真空工作方式:1)整个 XR-100CR 探测器和前置放大器盒可放置在真空室内。为了避免过热并耗散 XR-100CR 工作时产生的 1 瓦功率,应借助四个安装孔来实现真空室壁的良好传热。真空法兰上可选配的 9DVF 9 针 D 型真空馈通连接器可用于将 XR-100CR 连接到真空室外的 PX5。2)XR-100CR 可位于真空室外,通过标准真空法兰压缩 O 形端口检测真空室内的 X 射线。可选型号 EXV9(9 英寸)真空探测器延长管适用于此应用。单击此处了解有关真空应用和选件的更多信息。

  • 应用 +


    XR-100CR Si-PIN 应用谱图

    XR-100CR 最常见的应用领域是 X 射线荧光或 XRF。这是一种分析技术,可确定样品中存在的元素,并且不会造成破坏性,而且非常快速。

    RoHS/WEEE 应用
    合金分析:SS316 的 XRF,Ag/Cu 的 XRF
    铅(Pb)的 XRF
    金属电镀
    工艺控制
    圣高登斯 $20 美元金币的 XRF
    各种珠宝的 XRF
    玻璃分析
    纸张分析
    Mössbauer 光谱测量
    多元素荧光样品
    低 Z 元素荧光
    241Am 频谱

    RoHS/WEEE 应用

    RoHS/WEEE [电气电子设备有害物质/废物限制] 指令要求电子行业在 2006 年 7 月之前证明产品符合特定元素和化合物(Cr VI、Pb、Cd、Hg、Br PBB/PBDE)的最大浓度要求。下图显示了铬(Cr)、铅(Pb)和镉(Cd)组合发出的 X 射线光谱。作为质量保证计划的一部分,XR-100CR 可通过 XRF 验证是否符合 RoHS/WEEE 要求。它使用户能够快速、准确、无损地测量指定元素的浓度。公司可以验证供应商的合规性并证明自己的合规性。

    图 8.铬(Cr)、铅(Pb)和镉(Cd)XRF。RoHS/WEEE 指令要求电子行业在 2006 年 7 月之前认证产品符合特定元素和化合物(Cr VI、Pb、Cd、Hg、Br PBB/PBDE)的最大浓度要求。

    SS316 的 XRF

    XRF 可用于准确测定特定金属制品的合金成份。每种合金都具有独特的元素比,使用 XRF,可以通过峰的强度比无损地确定元素比。下面谱图显示了一块不锈钢 316 在 109Cd 的激发下发出的 X 射线谱图。高强度 Fe 线表明,这块不锈钢以铁为主,而 Cr、Mn、Ni 和 Mo 峰则表明,它是合金。这在许多应用中都非常重要,例如质量保证(验证供应商是否使用了正确的合金)、工艺控制、金属回收等

    图 9.109Cd 下 SS316 的 X 射线荧光(XRF)。

    银(Ag)和铜(Cu)合金的 XRF

    图 10.银(Ag)和铜(Cu)合金的 XRF。

    铅(Pb)的 XRF

    金属分析领域中的一种特殊情况是铅(Pb)。铅多年来被广泛用于各种产品,从油漆到管道焊锡再到电子组件等。XRF 提供了一种非破坏性方法来评估物品中是否存在铅,而不会损坏物品。下面的频谱显示了一块纯铅在 109Cd 激发源下发出的特征 L X 射线。

    图 11.109Cd 下铅(Pb)的 X 射线荧光(XRF)。

    图 12.铅(Pb)荧光显示了 K 和 L 线。

    钢连接器上的镀层

    下面的频谱显示了电子连接器上的镀层。由于某些连接器应用特别规定不能使用 Cd,因此验证其是否存在非常重要。此频谱清楚地表明,Cd 和 Cr 都存在于钢连接器上的镀层中。

    图 13.镀镉和镀铬钢

    镍(Ni)上镀金(Au)

    图 14.镍上镀金

    镀锌钢的 XRF

    图 15.镀锌钢:铁(Fe)上镀锌(Zn)。

    工艺控制:钢铁厂烟囱的 XRF

    图 16.

    圣高登斯 $20 美元金币的 XRF

    图 17.含 90% 金(Au)和 10% 铜(Cu)的圣高登斯 $20 美元金币的 XRF 分析。

    铂金(Pt)戒指的 XRF

    图 18.含铜(Cu)、痕量镍(Ni)和钯(Pd)的铂金(Pt)戒指的分析。

    14k 金/白金(Au)链的 XRF

    图 19.含铜(Cu)和镍(Ni)的 14k 金/白金(Au)链的分析。

    玻璃的 XRF

    图 21.

    纸张的 XRF

    图 22.

    Mössbauer 光谱测量

    XR-100CR 7 mm2/300 µm 探测器是一款出色的 Mössbauer 光谱测量探测器。由于探测器的厚度只有 300 µm,因此它在 14.4 keV 时效率很高,而在 122 keV 时效率很低。此处显示的 57Co 频谱显示了 14.4 keV 和 122 keV 的探测效率之比约为 1700/1。通过在探测器和激发源之间使用一种薄铝吸收体,还可以消除 6.4 keV 和 7.1 keV 峰,从而使 14.4 keV 成为唯一可检测的能量峰。

    图 24.

    多元素荧光样品

    图 25.109Cd 下多元素样品的 X 射线荧光(XRF)。

    低 Z 元素荧光

    图 26.6 mm2/500 µm 探测器的低(Z)元素 X 射线荧光(XRF)。

    241Am 频谱

    图 27.241Am 频谱。

  • 选件和其他信息 +


    选件和配件

    •  其他铍窗厚度可单独订购(0.3 密耳 – 7.5 µm)。
    •  用于高通量应用的准直器套件。
    •  真空附件
    •  OEM 应用
    •  X-123 配置
    •  MP1 XRF 安装板
    •  实验人员 XRF 套件

    图 28a.X-123配置,包括
    探测器、前置放大器、数字处理器和电源
    ,它们全部集成在一个小盒子中。

    图 28b.探测器/前置放大器有 OEM 配置,
    可满足任何系统的要求。图为带有 PA-230 前置放大器
    和外壳的探测器。有关详细信息,请参阅 OEM 页面。

    图 29.XR-100CR 探测器延长管选项。

    附加信息

    准直器应用

    Amptek 的所有 Si-PIN 探测器都包含内部多层准直器,以提高光谱质量。X 射线在探测器有效体积边缘附近相互作用可能会由于局部电荷收集而产生小脉冲。这些脉冲会在频谱中产生伪影,在某些应用中,这些伪影会掩盖重要信号。内部准直器可将 X 射线限制在产生干净信号的有效体积内。根据探测器的类型,准直器可以提高峰背比(P/B),消除边缘效应,并消除假峰。

    6 mm2/13 mm2/25 mm2 X 500 µm 探测器由于探测器边缘的局部电荷收集会产生副峰,因此具有“边缘效应”。

    图 30.此图比较了一个带准直器的探测器和一个不带准直器的探测器。

    虽然效应很小,约为 5.9 keV 峰计数的 1%,但为了消除副峰,所有 6 mm 2/13 mm 2/25 mm 2 X 500 µm 探测器上都使用了内部多层(见下文)准直器。

    多层准直器(ML)

    多层准直器通过逐层使用更低 Z 材料制成。每一层都充当上一层荧光峰的吸收体。最后一层是最低 Z 材料,其荧光峰值能量低到超出预期的 X 射线检测范围。

    Amptek 开发了一款顶尖的内部多层准直器(ML)。基底金属为 100 µm 的钨(W),第一层为 35 µm 的铬(Cr),第二层为 15 µm 的钛(Ti),最后一层为 75 µm 的铝(Al)。

    应用指南、教程和资源

  • 机械 +


    1.5 英寸延长管(标准)


    图 31.所有尺寸均以英寸为单位,公差为 ±0.005。

    XR-100 STP 文件

    无延长管


    图 32.所有尺寸均以英寸为单位,公差为 ±0.005。

    通用 AXR(T0-8)机械尺寸


    图 33.所有尺寸均以英寸为单位,公差为 ±0.005。

    TO-8 STP 文件

    典型探测器几何参数


    图 34.典型探测器几何参数。

    直角散热器机械尺寸(随 OEM 组件提供)

    图 35.所有尺寸均以英寸为单位,公差为 ±0.005。

    图 36.探测器、PA210 或 PA230 前置放大器和散热器组件。

    图 37.探测器、PA210 或 PA230 前置放大器和散热器组件。

    下载带散热器的探测器 STP 文件

  • 文档 +