Sistema de detección Si-PIN X-123

X-123: una solución completa para la detección de rayos gamma en un paquete compacto y portátil

¡Sin utilizar nitrógeno líquido!

Figura 1.

Incluye:

• Detector gamma y preamplificador
• Procesador de pulsos digitales y MCA
• Fuente de alimentación y software compatibles con PC

Ventajas

• Compacidad del sistema
• Facilidad de uso
• Tamaño pequeño (7 x 10 x 2,5 cm)
• Bajo consumo de energía (2,5 W)
• Peso ligero (180 g)
• Conexiones USB y RS232
• Compatible con otros tipos de detectores

Solicitud

• Acuerdo de Asociación Restringida
• Cumplimiento de RoHS/WEE para instrumentación
• Control de procesos tecnológicos
• Arte y Arqueología

Detector

• Detector de partículas gamma Si-PIN
• Enfriador termoeléctrico de 2 etapas
• Área: 6 a 25 mm2
• Espesor: 300 y 500 micras
• Colimador multicanal

Características generales

• Resolución: 145 a 260 eV FWHM a 5,9 eV
• Rango de energía óptimo: 1 keV a 40 keV
• Velocidad máxima de conteo: hasta 2 x 10 5 eventos por segundo

*La implementación específica depende de la configuración que sea más aplicable a la tarea dada.

Fig. 3. Espectro de 55Fe obtenido utilizando un detector de 6 mm2 / 500 µm.

El X-123 es el resultado de 14 años de desarrollo de detectores gamma en Amptek. La filosofía de la empresa siempre ha sido producir detectores compactos, de bajo consumo y alto rendimiento que sean fáciles de usar. El X-123 es un ejemplo de esta filosofía y es una combinación del detector XR100CR y el preamplificador sensible a la carga, el procesador de pulsos digitales DP5, el analizador multicanal (MCA), el software y la fuente de alimentación PC5 en una sola carcasa. Todo lo que se necesita es un voltaje de entrada de +5 V y una conexión USB o RS232 a una computadora.

Descripción

Amptek se especializa en espectrómetros gamma pequeños, de bajo consumo y fáciles de usar. El X-123 combina los estándares de Amptek con componentes de alto rendimiento en un solo paquete: el detector y preamplificador XR100CR, el procesador de pulsos digitales DP5 y MCA, y la fuente de alimentación PC5. El resultado es un sistema integrado completo que cabe en la palma de la mano. En muchos sistemas disponibles, el preamplificador solo es más grande, más pesado y consume más energía que todo el sistema de detección X-123. Requiere solo dos conexiones para funcionar: +5 V y un conector RS-232 o USB estándar.

El detector tiene un fotodiodo Si-PIN: las partículas gamma interactúan en el silicio y crean en promedio un par electrón-hueco, cada uno de los cuales representa una pérdida de energía de 3,62 eV, que es la señal de entrada.

El detector está montado sobre un refrigerador termoeléctrico en una base con un transistor de efecto de campo de entrada y está conectado a un preamplificador sensible a la carga. El refrigerador termoeléctrico reduce el ruido de la electrónica en el detector y el preamplificador, pero la refrigeración permanece abierta y comprensible para el usuario: funciona como un sistema de aire acondicionado normal. El preamplificador sensible a la carga utiliza retroalimentación clásica, restableciendo el pulso a su posición inicial a través de alto voltaje al detector.

El procesador de pulsos DP5 es un procesador digital que reemplaza tanto al amplificador de pulsos como al analizador multicanal (MCA) que se encuentran en la mayoría de los sistemas similares. El uso de tecnología digital mejora los siguientes parámetros clave:

1) mejor rendimiento, mejor resolución y mayor velocidad de conteo;

2) excelente flexibilidad en la configuración de opciones;

3) Estabilidad mejorada. El DP5 digitaliza la señal de salida del preamplificador, aplica un procesamiento digital en tiempo real a la señal, detecta la amplitud máxima y recopila (digitalmente) estos valores en histogramas de memoria, generando un espectro de energía. El espectro se transmite luego al nivel superior: la PC del usuario.

DP5 tiene 6 bloques de funciones principales para implementar las siguientes funciones:

1) filtro de entrada analógico;

2) CAD;

3) generador de señales electrónicas;

4) lógica de selección de pulso;

5) histograma;

6) cables de conexión (que incluyen el microcontrolador) y software.

Hay una fuente de alimentación, la PC5. El voltaje de entrada es de aproximadamente +5 V, con una corriente de 200 mA. La PC5 utiliza interruptores para generar todo el voltaje bajo que necesitan el procesador digital y el preamplificador. También incluye un alto voltaje para generar voltaje de polarización de hasta 400 V y alimenta un refrigerador termoeléctrico que proporciona un circuito de retroalimentación de bucle cerrado con un rango de temperatura máximo de 85 C. Ambos componentes se personalizan para cada detector en la producción.

Todo el sistema está alojado en una caja de aluminio de 7 x 10 x 2,5 cm3. Esta es la configuración estándar, que requiere solo dos conexiones: +5 V y una conexión USB o RS232 a un PC. El DP5 admite varias entradas y salidas adicionales si el X123 se integra con otros equipos. Esto incluye un circuito analizador multicanal y memoria de señal selectiva, control de tiempo y un analizador de un solo canal.

Fig. 4. Diagrama de arquitectura y conexión X-123.

Especificaciones del X-123

Opciones

• Otros espesores de ventana de berilio (0,3 mm - 7,5 µm).
• Un conjunto de colimadores para grandes caudales.
• Ejecución al vacío
• Como componente en la producción de sistemas electrónicos

Fig. 5. Versiones del detector X-123.

Fig. 6. X-123 con preamplificador PA-230 en la carcasa. Esta opción es similar al detector X-123 en sí, excepto que el detector/preamplificador se extrae de la carcasa de la electrónica y se conecta a ella mediante un cable flexible.

Fig. 7. Resolución versus tiempo de formación/tiempo de pico para detectores Si-PIN y SDD.

Fig. 8. Resolución versus tasa de conteo para diferentes tiempos pico.

Fig. 9. Dependencia de la tasa de conteo de entrada con respecto a la de salida.

Usando un colimador

Todos los detectores Si-PIN están equipados con colimadores integrados para mejorar la sensibilidad espectral. Las partículas gamma interactúan cerca del límite del volumen activo del detector y pueden producir pequeños pulsos debido a la recolección de carga parcial. Estos pulsos dan como resultado un espectro que, en algunos casos, difumina la señal útil. El colimador integrado limita el flujo de partículas gamma en el volumen activo, donde se produce una señal "limpia". Según el tipo de detector, los colimadores pueden:

• mejorar la relación señal/ruido
• reducir el efecto frontera
• eliminar picos falsos

Ejecución al vacío

El X-123CR puede funcionar tanto en aire como en vacío a presiones de hasta 10-8 Torr. Hay dos opciones para operar el X-123CR en vacío: 1) Todo el detector y preamplificador del X-123CR se pueden colocar dentro de la cámara. Para evitar el sobrecalentamiento y la disipación de 1 W de potencia necesaria para operar el X-123CR, se debe asegurar una buena conductividad térmica hacia las paredes de la cámara mediante cuatro orificios de montaje. 2) El X-123CR se puede ubicar fuera de la cámara de vacío; se utiliza un puerto ConFlat estándar para la detección de rayos X en la cámara.

Curvas de eficiencia

La figura 10 (lineal) muestra la eficiencia de detección de energía total real para el detector XR-100CR. Esta eficiencia corresponde a la posibilidad de que las partículas gamma penetren en el detector y pierdan toda su energía dentro del mismo como resultado del efecto fotoeléctrico.

Fig. 11 (logaritmo). Muestra la probabilidad de interacción cuando un fotón pasa de la probabilidad de interacción fotoeléctrica como resultado de lo cual la energía total disminuirá. Se muestra que el efecto fotoeléctrico predomina a energías bajas, pero a energías superiores a 40 keV predomina el efecto Compton, cuando los fotones pierden casi toda su energía en el detector.

Aplicación X-123: Cumplimiento de RoHS/WEEE

Las directivas RoHS/WEEE [Restricción de sustancias peligrosas/Residuos de aparatos eléctricos y electrónicos] exigen que la industria electrónica certifique sus productos en cuanto al grado máximo de composición de sus componentes constituyentes. El X123 se puede utilizar para supervisar el cumplimiento de RoHS/WEEE como parte de un programa de calidad como XRF. Permite a los usuarios medir la concentración de elementos individuales de forma rápida, precisa y no destructiva. Las empresas pueden supervisar el cumplimiento de los proveedores y demostrar su propio cumplimiento. El X123 proporciona a los fabricantes de equipos originales y a los usuarios finales un potente espectrómetro gamma en un instrumento cómodo, pequeño y fácil de usar que se puede implementar rápidamente para minimizar el tiempo de comercialización. No hay requisitos de ingeniería adicionales para el espectrómetro y todos los componentes se pueden fabricar internamente. Todo lo que se necesita es una fuente de alimentación de +5 V y una conexión USB o RS232 a un PC.

El X-123 no sacrifica el rendimiento por el tamaño. La resolución máxima de 5,9 keV de 55 Fe varía de 145 eV FWHM a 260 eV FWHM según el tipo de detector y el tiempo de adquisición. Esto hace que el X-123 sea un sistema listo para usar, una excelente opción para el análisis rápido de productos y ofrece a los fabricantes de equipos originales un rápido tiempo de comercialización.

Fig. 12. Ejemplos de espectro RoHS/WEEE.

Ejemplos de resultados de medición del detector Si-PIN X-123

Fig. 13. Análisis de fluorescencia de rayos X de una muestra multielemento de 109 Cd.

Arroz. 14. Análisis XRF de Pb a 109 Cd.

Fig. 15. Análisis XRF de varios elementos basados ​​en PC de 109 Cd.

Fig. 16. Análisis de fluorescencia de rayos X de varios elementos de 109 Cd.

Construcción. Dimensiones

Figura 17.

Unión

Fig. 18. X-123 con placa de montaje y montaje en esquina.

Fig. 19. Placa de montaje para X-123.

Fig. 20. Fijación de esquina para X-123.

Sistema completo para análisis XRF

Fig. 21. Sistema completo para análisis XRF.

El sistema XRF general incluye:

• Espectómetro gamma X-123;
• Controlador de tubo de rayos X Mini-X USB;
• Software XRF-FP para análisis cuantitativo;
• Placa de montaje XRF MP1