新四元优化探测器图为新版本优化环形检测器布局示意图。它由个SDDs环绕于芯片中心孔。每个心脏形状SDD与数量有限独立检测器可以近乎覆盖围绕该中心孔。此检测器厚度是微米,个SDD有效面积为平方毫米,整个检测器有效面积为平方毫米,想当于一个元探测器。在每个四SDDS角落黑色圆点表示阳极位置和临近结型场效应管。这些元素置于每个探测器敏感区域旁。这种方式SDD布置可以很容易地经由准直器筛出有效区域内,以及阳极,JFET边界区域剩余部分荧光,可以避免电荷共享现象,和改善峰背比。此外,这种配置SDD接收阳极可以设计得很小,其特征由fF与远低于中央阳极(大于fF)常规SDD电容输出,光谱分辨率得以提高。图优化版本SDD探测器环型布局示意图图所示照片为四元检测器安装在陶瓷板上与电子部分连接。用Fe源照射检测器已初步测量光谱分辨率。图为测得光谱。四个独立SDD同时偏置,和四个前置放大器输出被反馈送到相同Te以上碳线(eV)和氧线(eV)。然而,窗口(米厚)密封探测器外壳在低能量时限制了量子效率,,在.千电子伏时约,在千电子伏时约。低能量量子效率进一步限制由样品和探测器入射窗之间薄空气层(约毫米,检测器外情况下)和氮(约毫米,检测器内情况下)所引起。检测系统整体量子效率是.keV时和keV时。检测器在更高能量量子效率是由检测器厚度所限制。目前原型探测器(微米厚)量子效率在keV时约为,keV时仍然为。使用μm厚基板(在新四SDD元件中采用,第四节介绍)能将量子效率在keV时提高到。连结型场效应晶体管(JFET)被集成在每个SDD中心处,以充分利用阳极收集器低输出电容优点(这是fF顺序),该JFET在源极跟随器配置中操作。由单级Peltier冷却器冷却到保持—℃工作温度。个SDDS平均能量分辨率大约是eVFWHM(silena软件拟合),mn-k线测量(.keV)在适度计数率下用tennelecTC高斯整形放大器(s)(每SDD几kcps)。微聚X射线发生器由IFG公司(柏林)生产。它配备了一个W阳极,可提供伏阳极电压和高达微安阳极电流。polycapillary微型镜头(由IFG公司提供)增加了约在keV时,在keV时约(工厂数据),在焦点处用微米直径针孔测量(增益相对于所测量强度在同一点上取下镜头,并保持微米直径针孔)。FWHMX-射线束焦点范围从微米(keV)到微米(keV)(工厂数据)。光谱仪使用过程中,多元探测器信号,通过模块化多通道采集系统读出。该系统由个独立采集板组成,从探测器个独立元素中对每一个信号采集和处理,并适宜预放大。详细参考[]中说明运行过程细节。信号经由-poles高斯整形放大器进行s成型时间滤波然后峰值拉伸。其峰值振幅是由位ADCS数字化(MS/s采样率,.LSB非线性积分和.LSB非线性微分)。通过使用一个ADC实现每个板块模块化。收集到数据都存储在FIFO缓冲区,通过一个共同无源数字总线PC机,并通过增强型并口(EPP协议),然后转移到每个板。逻辑电路也提供快速成型信号以检测(拒绝)堆积事件。测量采集卡积分非线性在.,结果适合高分辨率光谱应用。由于与PC数码连接特性,种元素整体最大检出率目前仅限于kcounts/s。这个最大传输速率不是为了限制monocapillary光学光谱仪,但对于目前系统构成了严重瓶颈。锰-K线通过总线连接且独立,同时收集个采集板光谱获得频谱,测量能量分辨率约eVFWHM(高斯修复)。相对于先前引用值eV,我们归因于降解分辨率,主要在于探测器工作温度微小变化,和剩余板采集系统接地问题。三、元素映射应用实例所提出XRF光谱仪元素映射特别适用于尺寸小且需要观察细节对象(如珠宝或手绘微缩模型)考古分析。目前正在开展与米兰国民考古博物馆合作,对七世纪Lombardbuckle研究。图显示了在Trezzod’Adda(意大利北部)发现坟墓文物。图在Trezzod’Adda(意大利北部)发现坟墓文物Lombardbuckle此镶嵌工艺(agemina)元素映射分析结果见图。工匠将细条状黄金和白银镶嵌在铁基体上,其横向尺寸为几百微米。条状黄金几乎是纯黄金(Au约),而银薄片是银和铜合金(银左右,铜约)。扫描面积约毫米毫米,而测量点间距为微米微米。采集时间设置为每个测量点秒,平均计数率kcps每通道。图Lombardbuckle元素映射分析图示出了仪器在生物科学领域中应用一个例子。我们测量了一些刚施过肥叶子化学元素分布。扫描面积为mm,间距为微米微米,每个测量点采集时间设置为.秒。在这种情况下平均计数率小于kcps每通道。从图中可以看出,肥料中化学元素开始沿淋巴管渗透到叶茎。光谱仪用这样设定,可以在预定时间间隔使寄存器存储一系列影像,然后用于研究肥料吸收。图所示为叶子中肥料化学元素(钙,铁,铜),扫描区域为灰色正方形图为一种喷墨打印机头,它薄塑料基片表面上沉积铜微带阵列扫描结果。锌-铁合金层覆盖在塑料基片表面两个边上。这种结构部分(细节)在图中可见。扫描区占空比球形(微米和微米)。执行扫描激发点垂直移动到阵列微带线,用微米间距测量点(过采样相对于预期空间分辨率)。该图给出了一个明确空间传递函数测量系统。输出信号调制在微米间距区域接近,微米间距区域约。如果我们假设高斯形状主光束点测得调制FWHM为微米,稍微大于标称镜头一致性期望值(因为,由于检测器密封情况下,我们被迫将样品设置为重点)。因此,检测系统空间分辨率约微米。未包括底层铜条区域锌-铁合金层荧光可见。图喷墨打印机头铜微带阵列扫描四、新四元优化探测器图为新版本优化环形检测器布局示意图。它由个SDDs环绕于芯片中心孔。每个心脏形状SDD与数量有限独立检测器可以近乎覆盖围绕该中心孔。此检测器厚度是微米,个SDD有效面积为平方毫米,整个检测器有效面积为平方毫米,想当于一个元探测器。在每个四SDDS角落黑色圆点表示阳极位置和临近结型场效应管。这些元素置于每个探测器敏感区域旁。这种方式SDD布置可以很容易地经由准直器筛出有效区域内,以及阳极,JFET边界区域剩余部分荧光,可以避免电荷共享现象,和改善峰背比。此外,这种配置SDD接收阳极可以设计得很小,其特征由fF与远低于中央阳极(大于fF)常规SDD电容输出,光谱分辨率得以提高。图优化版本SDD探测器环型布局示意图图所示照片为四元检测器安装在陶瓷板上与电子部分连接。用Fe源照射检测器已初步测量光谱分辨率。图为测得光谱。四个独立SDD同时偏置,和四个前置放大器输出被反馈送到相同TeionroomtemperatureX-rayspectroscopy,‖Nucl.Instrum.Methods,vol.A,pp.–,.[]C.Fiorini,―Anewdetectionsystemforx-raymicroanalysisbasedonasilicondriftdetectorwithPeltiercooling,‖Rev.Sci.Instr.,vol.,pp.–,.[]C.FioriniandA.Longoni,―In-situ,non-destructiveidentificationofchemicalelementsbymeansofportableEDXRFspectrometer,‖IEEETrans.Nucl.Sci.,vol.,no.,pp.–,Dec..[]H.Bronk,S.Rhrs,A.Bjeoumikhov,N.Langhoff,J.Schmalz,R.Wedell,H.-E.Gorny,A.Herold,andU.Waldschlger,―ArtTAX—Anewmobilespectrometerforenergy-dispersivemicroX-rayfluorescencespectrometryonartandarchaeologicalobjects,‖Fresenius’JournalofAnalyticalChemistry,vol.,pp.–,.[]A.Longoni,C.Fiorini,C.Guazzoni,A.Gianoncelli,L.Struder,H.Soltau,P.Lechner,A.Bjeoumikhov,J.Schmalz,N.Langhoff,andR.Wedell,―AnewXRFspectrometerbasedonaring-shapedmulti-elementsilicondriftdetectorandonX-raycapillaryoptics,‖IEEETrans.Nucl.Sci.,pt.,vol.,no.,pp.–,Jun..[]C.Guazzoni,S.Buzzetti,A.Longoni,andC.Arnaboldi,―Modularmulti-channelacquisitionsystemforhigh-resolutionX-rayspectroscopydetectors,‖IEEETrans.Nucl.Sci.,pt.,vol.,no.,pp.–,Jun..[]R.Hartmann,K.-H.Stephan,andL.Strder,―Thequantumefficiencyofpn-detectorsfromthenearinfraredtothesoftX-rayregion,‖Nucl.Instrum.Meth.,vol.A,pp.–,.[]P.Lechner,C.Fiorini,R.Hartmann,J.Kemmer,N.Krause,P.Leutenegger,A.Longoni,H.Soltau,D.Sttter,R.Sttter,L.Strder,andU.Weber,―SilicondriftdetectorsforhighcountrateX-rayspectroscopyatroomtemperature,‖Nucl.Instrum.Meth.,vol.A,pp.–,.[]IfG—InstitutFrGertebauGmbH,http://www.ifg-adlershof.de.RudowerChaussee/,.[]E.Roffia,Ed.,LaNecropoliLongobardadiTrezzoSull’Adda.ser.theSeriesRicerchediarcheologiaaltomedievaleemedievale.Firenze,Italy:All’insegnadelGiglio,,vol.–.[]CivicoMuseoArcheologicodiMilano,Milano,Italy.corsoMagenta.[]S.Buzzetti,M.Capou,C.Guazzoni,A.Longoni,R.Mariani,andS.Moser,―High-speedFPGA-basedpulse-heightanalyzerforhighresolutionX-rayspectroscopy,‖IEEETrans.Nucl.Sci.,vol.,no.,pp.–,Aug.以上线(eV)和氧线(eV)。然而,窗口(米厚)密封探测器外壳在低能量时限制了量子效率,,在.千电子伏时约,在千电子伏时约。低能量量子效率进一步限制由样品和探测器入射窗之间薄空气层(约毫米,检测器外情况下)和氮(约毫米,检测器内情况下)所引起。检测系统整体量子效率是.keV时和keV时。检测器在更高能量量子效率是由检测器厚度所限制。目前原型探测器(微米厚)量子效率在keV时约为,keV时仍然为。使用μm厚基板(在新四SDD元件中采用,第四节介绍)能将量子效率在keV时提高到。连结型场效应晶体管(JFET)被集成在每个SDD中心处,以充分利用阳极收集器低输出电容优点(这是fF顺序),该JFET在源极跟随器配置中操作。由单级Peltier冷却器冷却到保持—℃工作温度。个SDDS平均能量分辨率大约是eVFWHM(silena软件拟合),mn-k线测量(.keV)在适度计数率下用tennelec中文字本科毕业设计外文资料翻译院(系):工程技术学院专业:机械设计制造及其自动化姓名:学号:外文出处:NUCLEARSCIENCE附件:.外文资料翻译译文;.外文原文。完成日期:年月日基于单片阵列硅漂移探测器X荧光光谱仪:元素映射分析和优化检测结构A.Longoni,C.Fiorini,Member,IEEE,C.Guazzoni,Member,IEEE,S.Buzzetti,Member,IEEE,M.Bellini,L.Strder,P.Lechner,A.Bjeoumikhov,andJ.Kemmer摘要此文提出了一种带有激光切割中心孔单片阵列硅漂移探测器新型X射线荧光(XRF)光谱仪和展示了一些元素映射分析应用实例。X射线激发光束由检测器芯片上中心孔通过毛细管X射线透镜聚焦在一个狭缝中。这种结构能使样品发出荧光很大一部分被空气吸收,所以可以减小样品和检测器之间距离。此功能连同SDDS高检出率,可以缩短元素映射扫描时间。展示了新型X射线光谱仪在不同研究领域(从考古学到生物学)应用实例。此外,本文还将介绍一种新基于四个SDDS单片环绕重心孔集成硅芯片多元探测器拓扑结构。这种四SDDS型结构通过专门设计以获取高能量分辨率和峰背比。首次应用此探测器实验结果数据也得出了。它将配备到将来开发X射线荧光光谱仪系列中。索引—元素映射,硅漂移探测器,X射线荧光(XRF),X射线光学,X射线光谱法。一、引言元素映射分析(即,检测样品中化学元素并确定其空间分布)在从基础科学到工业技术,或是从生物学到法医调查这几个不同领域中都是一个重要问题。这种分析是基于对试样正确活跃点X射线荧光光谱测量。扫描电子显微镜(SEM)被广泛应用于元素映射分析。样品(从所研究试样中取得)由一个高能电子束激发,因此需金属化和在真空室中用显微镜进行分析。这种技术通常有“破坏性”特点,它空间分辨率在微米范围,但是衰变电子发散辐射(轫致辐射)可能会损伤微量元素检测。另一种元素映射技术是基于激发样品加速带电粒子光束(粒子激发X射线荧光分析技术),一般所用带电粒子是质子。所研究样品可以在空气中不必金属化,因此它可以被认为是“无损”检测。轫致辐射主要是由于从原子壳层加速带电粒子轰击出电子所激发,。这种辐射影响能量范围通常是有限微小KeV。粒子激发X射线荧光分析技术空间分辨率可以达到微米级,但是这种技术主要缺点就是需要昂贵带有粒子加速器大型仪器设备。少数基于α源可移动PIXE光谱仪在参考文献[],[]中被提出。X射线荧光光谱仪激发X射线束本质上是无损(即被分析对象可以保真空条件下测量),一个简单伦琴管就足以激发X射线光束并且避免轫致辐射。然而,从X射线管发出宽带辐射会分散在检测器中,这可能会破坏微量元素检测精度。基于样品上激发光束技术可以显着减少在检测器上主辐射散射。X荧光光谱仪例子在参考文献[]–[]中可见。近期引进硅漂移探测器(SDD)在XRF领域开辟了高分辨率紧凑型光谱仪道路,适用于实验现场材料无损分析。在本文中,我们引入了一个全新基于SDDS环形单片阵列X射线荧光光谱法光谱仪。图X射线荧光光谱仪概念设计图为所提出X射线光谱仪概念设计,单独SDD被布置在芯片激光切割中心孔周围封闭环中。微聚焦管所发出X射线光束,经由多毛细管X射线透镜聚焦,并通过检测器中心孔到达样品。与在文献[]中提出光谱仪主要新颖性是比单个毛细管透镜更好多毛细管X射线透镜激发光强度。由于缩短了样品和检测器之间距离,此结构可以吸收大部分从样品所发出荧光,所以减少了空气对荧光吸收。有以上这些特点高检出率SDDS使得元素映射分析在很短时间内可以实现,因此所提出XRF光谱仪在很多方面很好替代了扫描电镜显微镜(SEM)和质子诱发X射线发射法(PIXE),虽然只有比较有限空间分辨率(几十微米级)。如果需要可移动现场应用实施仪器,光谱仪检测头也能很容易地在测量中用X射线微光束来同步加速器光源。第二部分介绍新光谱仪结构和性能,第三部分提出了光谱仪在不同领域应用实例,比如考古学,生物学。第四章介绍了一种新基于四SDDS围绕中心孔结构多元探测器,在硅芯片上它们都是单片集成。每个SDDS拓扑结构都被优化为具有非常高探测器能量分辨率和峰背比,这也优化了芯片元素分析映射应用。该探测器首次实验结果也在实验中得出。该探测器已经在IstitutoNazionalediFisicaNucleare(INFN)实验中被开发为FELIX(X射线光谱快速元件成像)框架。二、X射线荧光光谱仪元素映射图示出了所提出元素映射光谱仪设置。微聚X射线发生器耦合到X光透镜将主光束聚焦于样品。检测模块室布置着个用珀尔帖元件冷却独立SDDS一个环形单片阵列,探测器被封装在一个充满氮气密封空间里并配备两个窗口来防止被珀尔帖元件冷却凝结。X-Y扫描系统(图中不显示比例)负责控制样品运动,定制设计电子(未示出)读出和处理从探测器接收信号。在主机PC上安装了一个专门软件,它控制光谱采集,对样本X-Y扫描,还有数据存储和处理。图polycapyllary镜头设置和探测器详细结构每个探测器个独立单元有效面积为平方毫米(在平方毫米敏感区内)。当样品被放置在X射线透镜焦点时,此有源区确保覆盖立体角约为.SR。检测器厚度约微米。这里所使用技术,它入射窗可以获得量子效率为以上碳线(eV)和氧线(eV)。然而,窗口(米厚)密封探测器外壳在低能量时限制了量子效率,,在.千电子伏时约,在千电子伏时约。低能量量子效率进一步限制由样品和探测器入射窗之间薄空气层(约毫米,检测器外情况下)和氮(约毫米,检测器内情况下)所引起。检测系统整体量子效率是.keV时和keV时。检测器在更高能量量子效率是由检测器厚度所限制。目前原型探测器(微米厚)量子效率在keV时约为,keV时仍然为。使用μm厚基板(在新四SDD元件中采用,第四节介绍)能将量子效率在keV时提高到。连结型场效应晶体管(JFET)被集成在每个SDD中心处,以充分利用阳极收集器低输出电容优点(这是fF顺序),该JFET在源极跟随器配置中操作。由单级Peltier冷却器冷却到保持—℃工作温度。个SDDS平均能量分辨率大约是eVFWHM(silena软件拟合),mn-k线测量(.keV)在适度计数率下用tennelecTC高斯整形放大器(s)(每SDD几kcps)。微聚X射线发生器由IFG公司(柏林)生产。它配备了一个W阳极,可提供伏阳极电压和高达微安阳极电流。polycapillary微型镜头(由IFG公司提供)增加了约在keV时,在keV时约(工厂数据),在焦点处用微米直径针孔测量(增益相对于所测量强度在同一点上取下镜头,并保持微米直径针孔)。FWHMX-射线束焦点范围从微米(keV)到微米(keV)(工厂数据)。光谱仪使用过程中,多元探测器信号,通过模块化多通道采集系统读出。该系统由个独立采集板组成,从探测器个独立元素中对每一个信号采集和处理,并适宜预放大。详细参考[]中说明运行过程细节。信号经由-poles高斯整形放大器进行s成型时间滤波然后峰值拉伸。其峰值振幅是由位ADCS数字化(MS/s采样率,.LSB非线性积分和.LSB非线性微分)。通过使用一个ADC实现每个板块模块化。收集到数据都存储在FIFO缓冲区,通过一个共同无源数字总线PC机,并通过增强型并口(EPP协议),然后转移到每个板。逻辑电路也提供快速成型信号以检测(拒绝)堆积事件。测量采集卡积分非线性在.,结果适合高分辨率光谱应用。由于与PC数码连接特性,种元素整体最大检出率目前仅限于kcounts/s。这个最大传输速率不是为了限制monocapillary光学光谱仪,但对于目前系统构成了严重瓶颈。锰-K线通过总线连接且独立,同时收集个采集板光谱获得频谱,测量能量分辨率约eVFWHM(高斯修复)。相对于先前引用值eV,我们归因于降解分辨率,主要在于探测器工作温度微小变化,和剩余板采集系统接地问题。三、元素映射应用实例所提出XRF光谱仪元素映射特别适用于尺寸小且需要观察细节对象(如珠宝或手绘微缩模型)考古分析。目前正在开展与米兰国民考古博物馆合作,对七世纪Lombardbuckle研究。图显示了在Trezzod’Adda(意大利北部)发现坟墓文物。图在Trezzod’Adda(意大利北部)发现坟墓文物Lombardbuckle此镶嵌工艺(agemina)元素映射分析结果见图。工匠将细条状黄金和白银镶嵌在铁基体上,其横向尺寸为几百微米。条状黄金几乎是纯黄金(Au约),而银薄片是银和铜合金(银左右,铜约)。扫描面积约毫米毫米,而测量点间距为微米微米。采集时间设置为每个测量点秒,平均计数率kcps每通道。图Lombardbuckle元素映射分析图示出了仪器在生物科学领域中应用一个例子。我们测量了一些刚施过肥叶子化学元素分布。扫描面积为mm,间距为微米微米,每个测量点采集时间设置为.秒。在这种情况下平均计数率小于kcps每通道。从图中可以看出,肥料中化学元素开始沿淋巴管渗透到叶茎。光谱仪用这样设定,可以在预定时间间隔使寄存器存储一系列影像,然后用于研究肥料吸收。图所示为叶子中肥料化学元素(钙,铁,铜),扫描 中文5030字本科毕业设计外文资料翻译院(系):工程技术学院专业:机械设计制造及其自动化姓名:学号:外文出处:NUCLEARSCIENCE附件:1.外文资料翻译译文;2.外文原文。
完成日期:2012年5月1日1基于单片阵列硅漂移探测器的X荧光光谱仪:元素映射分析和优化检测结构A.Longoni,C.Fiorini,Member,IEEE,C.Guazzoni,Member,IEEE,S.Buzzetti,Member,IEEE,M.Bellini,L.Strüder,P.Lechner,A.Bjeoumikhov,andJ.Kemmer摘要此文提出了一种带有激光切割中心孔的单片阵