Система детектирования X-123SDD

12 сентября 2018

X-123SDD — готовое решение для детектирования рентгеновского излучения с кремниевым дрейфовым детектором в одном компактном корпусе, который помещается у вас в руке.

Без использования жидкого азота

Рис.1 Спектрометр X-123SDD.

X-123SDD включает в себя

Кремниевый дрейфовый детектор (SDD) и предусилитель
Цифровой импульсный процессор и анализатор
Источник питания и софт, совместимый с вашим ПК

Достоинства

Компактность системы
Простота в использовании
Малый размер (7 x 10 x 2.5 см)
Низкое энергопотребление (2.5 Вт)
Малый вес (180 г)
USB, RS232 и Ethernet коннекторы

Применение

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА)
RoHS/WEE соответствие приборостроения
Контроль технологических процессов
Искусство и археология

Детектор

Кремниевый дрейфовый детектор (SDD) для регистрации рентгеновских лучей
2-х ступенчатое термоэлектрическое охлаждение
Площадь: 25 мм2
Толщина: 500 мкм
Многослойный коллиматор

Общие характеристики

Разрешение: 125 -140 кэВ, ширина на полувысоте при 5.9 кэВ
Оптимальный энергетический диапазон: от 1 кэВ до 40 кэВ
Максимальная скорость счета: до 5.6 x 105 событий в секунду

X-123SDD — результат 15-ти лет разработки детекторов рентегеновского излучения компании Amptek. Философией компании всегда было производство компактных, с низким потреблением энергии и высококлассных по характеристикам детекторов, с которыми легко работать. X-123SDD пример этой философии и представляет собой совмещенные в одном корпусе кремниевый дрейфовый детектор рентгеновского излучения XR-100SDD и его зарядочувствительный предусилитель; цифровой процессор импульсов DP5, MCA, софт и источник питания PC5. И всё это требует лишь +5 В напряжения постоянного тока и подключение к компьютеру через USB, RS232 или Ethernet.

sdd_12

Рис.2 Спектр 55Fe полученный с помощью кремниевого дрейфового детектора (SDD).

Описание

X-123SDD объединяет в одном корпусе высококачественные компоненты для рентгеновской спектрометрии компании Amptek: (1) детектор рентгеновского излучения XR-100SDD с предусилителем, (2) цифровой процессор импульсов DP5 с MCA и (3) источник питания PC5. В результате получилась полноценная система, которая может поместиться у вас в руке без какого-либо ущерба производительности. X-123SDD требуется для работы лишь +5В переменного напряжения и стандартное подключение к ПК. С X-123 любой может быстро получать высококачественные спектры рентгеновского излучения.

X-123SDD использует кремниевый дрейфовый детектор (SDD) аналогичный Si-PIN фотодиоду, но обладающий уникальной структурой электродов, обеспечивающей лучшее разрешение и скорость счета. SDD смонтирован на термоэлектрическом охлаждении с входным полевым транзистором и соединен с зарядочувствиетльным предусилителем. Термоэлектрическое охлаждение уменьшает уровень электрических шумов в детекторе и предусилителе, но при этом охлаждение остается открытым и понятным пользователю: оно работает как обычная система кондиционирования.

Импульсный процессор DP5 являет собой второе поколение цифровых импульсных процессоров (DPP), которые заменяют и усилитель сигнала, и многоканальный анализатор (MCA), встречающиеся в аналогичных системах. Использование цифровых технологий обеспечивает улучшение следующих ключевых параметров: (1) лучшие характеристики, в частности, лучшее разрешение и более высокая скорость счета; (2) отличная гибкость в конфигурировании настроек, выбирающихся с помощью софта; (3) улучшенная стабильность и воспроизводимость результатов. DPP оцифровывает выходной сигнал от предусилителя, применяя цифровую обработку сигнала в реальном времени, детектирует амплитуду пика и собирает эти значения в гистограммы памяти, генерирую энергетический спектр. Спектр затем передается на ПК пользователя. PC5 обеспечивает питание детектора, подачу низкого напряжения на предусилители и высокого напряжения смещения для детектора, а также питает термоэлектрическое охлаждение, которое обеспечивает замкнутый контур управления с максимальной разницей температур в 85 °C. Всё это управляется предоставляемым программным обеспечением. X-123SDD питается напряжением +5В с током порядка 300 мА.

Вся система установлена в алюминиевом корпусе с размерами 7 x 10 x 2.5 см3. Детектор установлен на удлинителе, длиной от 0 до 22.86 см (доступны вакуумные фланцы). В стандартной конфигурации необходимо только 2 подключения: питание (+5В) и соединение с ПК (USB, RS232 или Ethernet). Также доступно несколько дополнительных входов и выходов, если X123 интегрируется с другим оборудованием. Это включает в себя цепь многоканального анализатора и селективную память сигналов, регулирование по времени и одноканальный анализатор. X-123SDD поставляется в комплекте с программным обеспечением для сбора данных и управления. Он также включает в себя интерфейс прикладного программирования (API) DLL для интегрирования устройства с пользовательским ПО. Возможна дополнительная комплектация ПО для анализа рентгеновских спектров, вакуумным оборудованием, несколькими вариантами коллиматоров и систем монтажа, а также рентгеновскими трубками для создания полноценной компактной системы для РФА.

x123sdd_1

Рис.3 Блок схема X-123SDD и диаграмма подключения.

Характеристики Х-123SDD

Общие

Энергетическое разрешение

125 - 140 эВ (ширина на полувысоте) при 5.9 кэВ. Зависит от пикового времени и температуры.

Уровень электрических шумов

73 эВ (ширина на полувысоте)

Отношение уровня сигнала к фону

20,000:1 (отношение счета от 5.9 кэВ до 1 кэВ)

Диапазон энергий

Эффективность >25% для рентгеновского излучения с энергией от 1 до 25 кэВ. Может работать за пределами данного диапазона, но с меньшей эффективностью.

Максимальная скорость счета

Зависит от пикового времени. Рекомендуемые параметры представлены в таблице ниже:

Пиковое время DP5 (мкс)	9.6	4.8	2.4	0.8
Время формирования (мкс)	4.4	2.2	1.0	0.4
Рекомендуемая максимальная скорость	4.9 x 10⁴	1.0 x 10⁵	1.9 x 10⁵	5.6 x 10⁵
Типовое разрешение (эВ ширина на полувысоте при 5.9 кэВ)	130	135	140	155

Детектор и предусилитель

Тип детектора

Кремниевый дрейфовый детектор (SDD)

Площадь детектора

25 мм2 (площадь коллиматора 17 мм2)

Толщина детектора

500 мкм

Толщина Be окна

0.5 mil (12.5 мкм)

Коллиматор

Многослойный

Термоэлектрическое охлаждение

2-х ступенчатое (ΔTmax=85° )

Тип предусилителя

Зарядочувствительный, производства компании Amptek.

Коэффициент преобразования предусилиителя

1 мВ/кэВ (обычно)

Цифровой процессор импульсов (DPP)

Усиление

Комбинация грубого и тонкого усиления, обеспечивает непрерывное усиление от 0.84 до 127.5

Грубое усиление

Программно выбираемое от 1.12 до 102.0 в 16 шагов:

1.12, 2.49, 3.78, 5.26, 6.56, 8.39, 10.10, 11.31,

14.56, 17.77, 22.42, 30.83, 38.18, 47.47, 66.26, 102.0

Тонкое усиление

Программно выбираемое, от 0.75 до 1.25, с разрешением 10 бит.

Полная шкала

1000 мВ входного импульса при усилении X1

Стабильность

<20 ppm/°C (типовое значение)

Форма импульса

Трапециевидная (Полугауссовский усилитель с временем формирования t имеет пиковое время время 2.2t и сопоставим с трапециевидной формой того же самого пикового времени)

Тактовая частота АЦП

От 20 до 80 МГц

Пиковое время

30 различных программно выбираемых значений от 0.2 до 102 мкс, соответствующих полугауссовским временам формирования от 0.1 до 45мкс.

Плато

16 прогаммно выбираемых выбираемых значений для каждого пикового времени (зависит от пикового времени), >0.05 мкс.

Восстановление

Асимметричное, 16 программно выбираемых темпов свертки.

Время разрешения двух импульсов

120 нано секунд

Мертвое время

1.05 пикового времени. Время преобразования отсутствует.

Максимальная скорость счета

4x10⁶ с-1

Корректировка мертвого времени

Ручная корректировка. Точность до 1%.

Опции выбора импульса

Реджекция наложений, сортировка по времени нарастания, пропускание

Многоканальный анализатор (MCA)

Количество каналов

Программно выбираемое: 8,000; 4,000; 2,000; 1,000; 500; или 250 каналов

Байт на канал

3 Байта (24 бита) — 16.7x 106 сигналов

Время работы

От 10 мс до 466 дней

Время передачи данных

1,000 каналов за 12 мс (USB) или 280 мс (RS-232)

Время преобразования

Отсутсвует

Предустановка

Время, общие число счетов, количество счетов за ROI, количество счетов передаваемых через 1 канал

Временная развертка MCS

От 10 мс/канал до 300 с/канал

Внешние средства управления MCA

Вход: импульс пропускается только когда пропуск разрешен внешней логической системой. Управляется ПО.

Вспомогательные каналы ввода/вывода

Одноканальный анализатор (SCA)

8 SCA

Цифровой выход

Два независимых выхода с 8 прогарммно задаваемыми настройками: INCOMING_COUNT, PILEUP, MCS_TIMEBASE, etc.

Цифровой вход

Два независимых входа, программный выбор из

MCA_GATE, EXTERNAL_COUNTER

I/O

Две общие линии ВВОДА/ВЫВОДА для пользовательского приложения

Цифровой осциллограф

Данные осциллографа отображаются на компьютере. Программно выбирается показывать форму выходного сигнала, входной сигнал на АЦП и т. д. Применятся для отладки оборудования.

Разъемы

USB

USB 2.0 (12 Mbps)

Serial

Стандартный RS232

Ethernet

10base-T

Питание

Номинальное входное

+5 В постоянного тока в 500 мА (2,5 Вт) (типовое). Ток сильно зависит от ΔT детектора. Диапазон от 300 до 800 мА при 5 В постоянного тока. Адаптер переменного тока прилагается.

Диапазон входного напряжения

От 4 В до 5.5 В (при токах 0.4 - 0.7 A)

Начало переходного процесса

2 A для <100 мкс

Высокое напряжение

Внутренний умножитель, программно управляемый, от -95 до -1500В

Питание охлаждения

Контролер с обратной связью ΔTmax = 85 °C

Габаритные размеры

Габариты

7 x 10 x 2.5 см, за исключением удлинителя

Длина удлинителя

3.8 см

Вес

180 г

Общие

Рабочая температура

От -20 °C до +50 °C

Гарантия

1 год

Среднее время службы

5 - 10 лет, в зависимости от использования

Хранение и транспортировка

Длительное хранение: 10 + лет в сухой среде

Типичные Хранение и транспортировка: -20 ° C до +50 ° C, от 10 до 90% влажности без конденсации

Соответствие

Соответствует RoHS

Сертификация TUV

Свидетельство №:CU 72101153 01

Протестировано на: UL 61010-1: 2009 R10.08

CAN/CSA-C22.2 61010-1-04 + Gi1

Разъемы

USB

Стандартный разъем USB Mini. (X-123SDD не питается от USB.)

RS232

Стандартный 2,5-мм разъем для наушников.

TipTransmitДля получения ПК DB9 контактный 2 (на DB25 вывод 3)RingReceiveДля ПК передачи DB9 контакт 3 (на DB25 контакт 2)SleeveЗемляДля ПК Земля DB9 выводе 5 (на DB25 контакт 7)

Ethernet

Стандартный разъем Ethernet (RJ-45)

Питание

Hirose MQ172-3PA (55), Спаривание вилки: MQ172-3SA-CV

Вспомогательный

2x8 16-контактный 2 мм (Samtec номер ASP-135096-01). Состыковывается с Samtec P / N TCMD-08-S-XX.XX-01. Верхний ряд нечетных контактов, нижний ряд четных. Вверху справа контакт = 1, правый нижний контакт = 2.

Pin #	Name	Pin #	Name
1	SCA1	2	SCA2
3	SCA3	4	SCA4
5	SCA5	6	SCA6
7	SCA7	8	SCA8
9	AUX_IN_1	10	AUX_OUT_1
11	AUX_IN_2	12	AUX_OUT_2
13	IO2	14	IO3
15	GND	16	GND

Интерфейс программного обеспечения

DPPMCA

X-123SDD можно управлять с помощью дисплея Amptek DPPMCA и специального программного обеспечения. Эта программа полностью контролирует и настраивает X-123, получает и отображает эти данные. Он поддерживает ROI, калибровrу, поиска пика, и т.д. Программное обеспечение DPPMCA включает в себя интерфейс для РФА-анализа и пакет программного обеспечениза. Работает под Windows XP PRO SP3 или более поздней версии.

SDK

X-123SDD поставляется с бесплатным набором разработчика ПО (SDK).Пользователь может использовать этот набор для написания собственного кода по управлению X-123SDD для решения своих задач.

VB демонстрационное ПО

Демонстрационное программное обеспечение VB запускается на персональном компьютере и позволяет пользователю настроить X-123SDD, запустить и остановить сбор данных, и сохранить файлы с данными. Он поставляется с исходным кодом и может быть изменен пользователем. Это программное обеспечение предназначено продемонстрировать как вручную управлять X-123SDD или через USB или RS-232 интерфейс, используя основные команды без SDK . Это в первую очередь необходимо при написании программного обеспечения для отличных от Windows платформ.

Опцион

Доступна другая толщина бериллиевого окна при специальном заказе (0.3 mil - 7.5 мкм).
Набор коллиматоров для работы с большими потоками.
Вакуумное оборудовании
Возможно использование в качестве компонент OEM систем

x123_h

Рис.4 X-123SDD в расширенных вариантах.

oem18

Рис.5 X-123 с предусилителем PA-230 в корпусе. Эта опция схожа с самим детектором X-123 за исключением того, что детектор/предусилитель вынесены из корпуса с электроникой и соединены с ним по гибкому проводу.

Работа в вакууме

X-123SDD могут работать как на воздухе, так и в вакууме при давлении до 10-8 Торр. Есть два варианта работы X-123SDD в вакууме: 1) Весь детектор X-123SDD и предусилитель могут быть размещены внутри камеры. Для того, чтобы избежать перегрева и рассеивать 1 Вт мощности, необходимой для работы X-123SDD, должна быть обеспечена хорошая теплопроводность к стенкам камеры с помощью четырех отверстий для крепления. 2) X-123SDD может быть расположены вне вакуумной камеры, для обнаружения рентгеновских лучей в камере используется стандартный порт ConFlat.

Дополнительная информация о системе

Рис.6 График зависимости разрешения от пикового времени для кремниевого дрейфового детектора (SDD).

Рис.7 Зависимость разрешения от Времени формирования/Времени пика для Si-PIN и SDD детектора.

Рис.8 Зависимость Разрешение от скорости счета для различных времен пика.

Рис.9 Спектр 55Fe из 4 миллионов измерений, полученный кремниевым дрейфовым детектором (SDD).

sdd_9

Рис.10 График зависимости разрешения от энергии для различных значений пикового времени полученный кремниевым дрейфовым детектором (SDD).

sdd_15

Рис.11 Рисунок объединяет в себе эффект проницаемости бериллиевого стекла (включая защитный слой) и взаимодействия с SDD детектором. Область малых энергий на графике определяется толщиной бериллиевого стекла — 0.3 mil (8 мкм) или 0.5 mil (12.5 мкм), область же высоких энергий характеризуется толщиной активной зоны SDD детектора.

Дополнительные спектры