X-ray detectors

JORGE TRINCAVELLI

San Pablo

Workshop; XIX Escola de Verão de Física Nuclear Experimental; 2016

Sociedade Brasileira de Física

Detectores de rayos xLa detección de rayos x en el rango de los keV se realiza usualmente utilizando dos tipos de espectrómetro: dispersivo en longitud de onda (WDS) y dispersivo en energía (EDS). El primero se caracteriza por su excelente resolución en energías y en segundo por su gran velocidad de adquisición.Espectrómetros WDSEstán compuestos básicamente por un cristal analizador y un contador proporcional. El cristal permite seleccionar, utilizando la ley de Bragg, una longitud de onda; los fotones que corresponden a ella son ?reflejados? hacia el contador proporcional, donde son registrados. Existen distintas geometrías para estos espectrómetros, en los cuales puede haber uno o más cristales, que pueden ser planos o curvos. Dentro de los espectrómetros de un cristal se destaca la geometría de Johansonn, en la cual el cristal está curvado y pulido con diferentes radios de curvatura para optimizar la resolución y la reflectividad hacia el contador.EficienciaLa eficiencia de un espectrómetro se define como el número de fotones colectados dividido por el número de fotones emitidos por la muestra. La eficiencia de un WDS es un parámetro muy difícil de modelar teóricamente, ya que depende de muchas variables, algunas de las cuales se conocen con grandes incertezas. En particular, hay que considerar el ángulo sólido subtendido por la muestra hacia el cristal, la reflectividad del cristal, el ángulo sólido subtendido desde el contador hacia el cristal y la eficiencia intrínseca del contador proporcional (definida como el número de fotones registrados dividido por el número de fotones que llegan al contador). La dificultad de estimar la eficiencia de un WDS a partir de los elementos que lo componen y de las relaciones geométricas entre ellos hace necesario desarrollar métodos experimentales para ?medir? la eficiencia canal por canal, es decir, energía por energía. Existen diversos métodos para hacerlo, uno de ellos consiste en medir un espectro con un espectrómetro EDS de eficiencia conocida y con el WDS cuya eficiencia se desea establecer. El cociente de los espectros es proporcional al cociente de las eficiencias, con lo cual puede determinarse la curva de eficiencia del WDS en función de la energía del fotón.Espectrómetros EDSDe estos espectrómetros nos referiremos a los más difundidos, que son los de Si(Li): silicio dopado con litio. Su elemento activo es un semiconductor con una separación entre la banda de valencia y la de conducción tal que (a la temperatura de operación) no circula carga cuando se aplica un campo eléctrico externo adecuado. Sin embargo, ante la llegada de un fotón, se genera mediante efecto fotoeléctrico un par electrón-hueco, cuyo electrón tiene energía suficiente para pasar a la banda de conducción y viajar hacia el electrodo positivo. En el transcurso de su recorrido, este electrón es capaz de ionizar nuevamente generando una pequeña cascada de pares electrón-hueco. Al finalizar el proceso, todos los electrones creados son colectados en el electrodo positivo, constituyendo un pulso de carga que es proporcional a la energía del fotón incidente. Este pulso de carga es transformado en un pulso de voltaje, que es amplificado y clasificado por su amplitud en un conjunto de canales, de manera que finalmente cada fotón, según su energía corresponde a un determinado canal.EficienciaExisten diversas capas no activas que separan la parte interna del cristal de Si(Li) del medio desde el cual llegan los fotones (usualmente vacío): una ventana que puede ser de berilio o de algún polímero, un contacto óhmico (típicamente Au o Al) y una capa del cristal que no es efectiva para la detección debida a efectos de superficie, denominada capa muerta. Algunos detectores, de ventana ultradelgada, además poseen una grilla de soporte que también se interpone entre la llegada del fotón y la zona activa del detector. Conociendo la composición, densidad y espesor de cada uno de estos elementos, así como el espesor del cristal de Si(Li), es sencillo establecer una expresión analítica para la eficiencia intrínseca del detector en función de la energía del fotón. Suele ser más dificultoso determinar la eficiencia absoluta (o simplemente eficiencia, tal como está definida al principio), ya que para ello hay que multiplicar la eficiencia intrínseca por la fracción de ángulo sólido subtendida desde la muestra hacia el detector y este parámetro no siempre se conoce con precisión. Existen diferentes métodos para determinarlo, por ejemplo, con la ayuda de simulaciones Monte Carlo y la medición de un espectro de un material conocido, o bien, utilizando una fuente radiactiva.Asimetría de picosA diferencia de las líneas características detectadas con un WDS, con un EDS, las líneas se convierten en picos muy anchos comparados con el ancho natural de la emisión (ensanchadas en un factor de alrededor de cien). Esto se debe al proceso de detección, que incluye la generación de cierto número de portadores de carga (pares electrón-hueco), que puede fluctuar siguiendo las leyes de la estadística. Es importante señalar que, por otra parte, los picos detectados en un EDS suelen no ser simétricos, aunque deberían en principio ser gaussianos. Este efecto se debe a que alguno de los portadores de carga generados no llegan a ser colectados a tiempo en su viaje hacia los electrodos. El fenómeno, conocido como colección incompleta de carga, produce picos con una cola hacia el lado de bajas energías, ya que siempre se traduce en un defecto de la carga colectada y nunca en un exceso. Por otra parte es marcadamente dependiente de la energía del fotón incidente.