第二节　能量探测器

波长色散X射线光谱仪的优点是整体分辨率高，稳定性好。但分光晶体的使用在提高分辨率的同时，也使得体系结构变得复杂。在严酷环境和现场分析时，波长色散X射线光谱仪变得不再适用。

能量探测器由于无需晶体分光即可获得足够的分辨率，因此省却了分光和测角系统，且能满足大部分实际应用的需要，特别是在太空探测、现场和原位分析领域具有不可替代的作用。因此能量探测器获得了足够的重视和相当快的发展。其中以Si（Li）为代表的半导体探测器已被广泛应用于实际。

一、能量探测原理

在X射线光谱分析技术领域，能量探测器是目前发展最快的，它具有比正比计数器和闪烁计数器更高的能量分辨率。目前锂漂移硅探测器已得到广泛应用。

在结构上，锂漂移硅探测器是一种硅或锗单晶半导体探测器，表层为正电性的p型硅，中间为锂补偿本征区，底层为负电性的n型硅，组成PIN型二极管。其中表层p型区为死层，是非活性探测区，本征区则是由锂漂移进p型硅中形成，以补偿其中的不纯物或掺杂物，并增加电阻。锂漂移硅探测器通常可表示为Si（Li），简称硅锂探测器。Si（Li）探测器原理示意图如图4-4所示，图4-5是多种半导体能量探测器的实物照片。

当在探测器的两端施加一逆向偏压，产生的电场将耗尽补偿区中的残留电子空穴对载流子，该耗尽区就是探测器的辐射敏感区或活性区。当X射线光子穿过半导体的锂漂移活性区时，其中的硅原子将由于光电吸收产生光电子，在负偏压作用下，空穴流向p型区，电子流向n型区。探测器直径越小，在低能范围的分辨率越高，厚度越大，对高能光子的探测效率越高。

二、能量探测器组成与特性

能量探测器除半导体探测器和前置放大器外，还需由主放大器、多道分析器等共同组成完整的能量探测器。

主放大器的作用是将前置放大器微弱和低信噪比的信号放大成型，以便用于脉高分析，并滤掉和压制极高和极低频信号，改善能量分辨率。

多道分析器则用来测量每一放大后的脉冲信号，并将其转换成数字形式。脉冲高度对应于入射光子能量，在一定脉冲高度下所累计的数量代表了特定能量光子的数量。即多道分析器首先确定脉冲高度（即道，对应能量），再将脉冲信号分类，按其高度大小排队，记录数量（即计数，对应强度），从而得到常见的以道-计数或能量-强度关系表示的能量色散X射线光谱谱图。

在室温下，锂具有很高的扩散速率。故锂漂移硅探测器以及前置放大器必须保持在低温下，以降低噪声，抑制锂的迁移，保证最佳分辨率。为了获得低能光谱和保证高探测效率，真空和薄的Be窗也是必要的。

此外，能量探测器死时间较长，当多个光子到达探测器时，由于长的脉冲周期，而使输出脉冲畸变，脉冲输出为其多个光子响应脉冲的线性加和，这种畸变被称为脉冲堆积。所以，能量探测器一般还具有死时间校正和抗脉冲堆积电学系统，以消除其影响。

能量探测器的探测效率受到多种因素的影响，高能X射线需要较厚的探测区域，而轻元素分析则需要使用更薄的Be窗。其他影响因素还包括不完全电荷收集，逃逸峰损失，边角损失，探测器材料产生的荧光及其死区吸收，接触层吸收与荧光等。

决定探测器的能量分辨率的关键因素有三个，即前置放大器噪声、电离统计分布和其他线性变宽因子，如不完全电荷收集等。通常可简化计算Si（Li）探测器分辨率（R）:

式中，σn为Si（Li）探测器的前置放大器噪声；F为Fano因子，与第一电离能相关，表示产生一个离子对时所需的平均能量分数。

当以高斯分布的半高宽表示时，则有如下的分辨率计算简式：

R=FWHM=2.35σ

式中，σ为高斯分布中的标准偏差。

三、能量探测器的逃逸峰

硅锂能量探测器的逃逸峰的产生机理与正比计数器和闪烁计数器相同。硅锂能量探测器的逃逸峰主要由Si的K系线（1.74keV）产生，且由于谱线众多，高含量元素产生的逃逸峰通常会干扰低含量元素的测定。但逃逸峰与分析元素特征峰（父峰）的比值随着特征峰能量的增加按近乎指数的关系下降，故高能谱线的逃逸峰效应可以忽略。其原因在于Si的K系X射线能量太低，只有在靠近窗口时发生的概率才会较大，而高能光子则多会更深入地进入探测器内部，导致逃逸概率降低。

此外，用作触点的Au和Pt，焊锡合金材料中的In-Sn、Pb-Sn及Al、Si等，由于探测器制作工艺的需要而被采用，它们的特征谱线也可能会在不同的情况下被观察到。有时甚至对分析谱线产生严重干扰。在实际工作中往往容易疏忽干扰的识别，因此需要高度重视，审慎对待实验数据与分析结果。