使用基于 CCD 技術(shù)的探測(cè)器直接檢測(cè) X 射線（30 eV 至 20 keV）

介紹

CCD 已變得越來(lái)越專業(yè)化，以滿足商業(yè)和科學(xué)市場(chǎng)不斷變化的需求。在科學(xué)市場(chǎng)中，CCD 已通過(guò)多種方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以在從光譜學(xué)和半導(dǎo)體測(cè)試到生物成像和基因研究的廣泛應(yīng)用中提供高性能。

對(duì)科學(xué)級(jí) CCD 的設(shè)計(jì)修改最初是由對(duì) X 射線天文學(xué)應(yīng)用的興趣推動(dòng)的，極大地?cái)U(kuò)展了同步加速器設(shè)施的 X 射線成像和 X 射線光譜學(xué)領(lǐng)域。設(shè)備經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，可檢測(cè)能量范圍從遠(yuǎn)低于 100 eV 一直到 100 keV 及更高(整整三個(gè)數(shù)量級(jí))的 X 射線，這使得它們對(duì)于將高靈敏度與兩個(gè)相結(jié)合的研究具有無(wú)價(jià)的價(jià)值。三維探測(cè)器。這些設(shè)備用于許多 X 射線技術(shù)，包括 X 射線顯微鏡、X 射線光刻、X 射線光譜、X 射線晶體學(xué)和 X 射線無(wú)損檢測(cè)。

在直接檢測(cè)相機(jī)中，CCD直接暴露于傳入的 X 射線光子，從而能夠直接吸收(即檢測(cè))光子。根據(jù) X 射線能量范圍，可以使用不帶增透膜 (AR) 的背照式 CCD，也可以使用前照式或背照式深耗盡 CCD。

基本原則

當(dāng)暴露于可見(jiàn)光 (380-750 nm) 時(shí)，前照式和背照式 CCD 會(huì)在外延層中為每個(gè)吸收的光子生成單個(gè)電子空穴對(duì)。在這些器件中實(shí)現(xiàn)比較高量子效率 (QE)所需的比較好層厚度隨波長(zhǎng)而變化。前照式和背照式 CCD 制造商已分別確定約 20 μm 和 15 μm的厚度。盡管這些標(biāo)準(zhǔn)厚度可以吸收大約 30 eV 到 20 keV 范圍內(nèi)的 X 射線(圖 1)，但 CCD 內(nèi)的其他組件有助于確定檢測(cè)低能和中能 X 射線所需的設(shè)備類型。

圖 1：不同能級(jí)下的 X 射線衰減長(zhǎng)度。

例如，由于前照式 CCD 的電極結(jié)構(gòu)和絕緣層都會(huì)吸收能量低于 700 eV 的 X 射線光子，因此需要背照式 CCD 架構(gòu)來(lái)檢測(cè)低能量 X 射線(約 30 eV)至 3 keV)。背照式 CCD 的橫截面如圖 2 所示。

當(dāng)涉及低能量 X 射線(大約 30 eV 至 500 eV)時(shí)，即使AR 涂層本身也可以吸收 X 射線光子。考慮到這一點(diǎn)，Teledyne Princeton Instruments 設(shè)計(jì)了不帶 AR 涂層的直接檢測(cè)相機(jī)。對(duì)于中等能量 X 射線(約 3 keV 至 20 keV)，可以使用帶或不帶 AR 涂層的背照式 CCD。

圖 2： A) 前照式深耗盡 CCD 的橫截面。 B) 背照式 CCD 的橫截面。C) 背照式深耗盡 CCD 的橫截面。

為了滿足中等能量 X 射線范圍內(nèi)更高 QE的需求，CCD 制造商 Teledyne e2v幾年前開(kāi)發(fā)了前照式深耗盡技術(shù)，作為提高靈敏度的一種方法。為了在 QE、空間分辨率和缺陷之間實(shí)現(xiàn)良好的平衡，Teledyne e2v 采用50 μm 厚的外延層。為了優(yōu)化探測(cè)器 QE，Teledyne Princeton Instruments PIXIS-XB將這些傳感器與鈹窗結(jié)合使用，這種設(shè)計(jì)使研究人員可以自由使用相機(jī)，而無(wú)需將探測(cè)器連接到真空室。

對(duì)于要求 X 射線靈敏度跨越中低能量范圍(約 30 eV 至 20 keV)的極其苛刻的應(yīng)用，Teledyne Princeton Instruments 還設(shè)計(jì)了SOPHIA-XO和PIXIS-XO相機(jī)，它們使用背照式、無(wú)增透膜的深耗盡型 CCD。這些型號(hào)具有可旋轉(zhuǎn)的 ConFlat 法蘭，但也可以配備帶鈹窗的可拆卸 ConFlat 法蘭。最后，為了在真空室內(nèi)實(shí)現(xiàn)最終的操作靈活性，Teledyne Princeton Instruments 提供了PI-MTE3相機(jī)，它可以與任何上述 CCD 傳感器一起提供。

電荷產(chǎn)生機(jī)制

穿過(guò) CCD 各層的 X 射線光子可能會(huì)因康普頓散射、熒光或光電效應(yīng)而損失能量。對(duì)于低于 150 keV 的能量，光電效應(yīng)占主導(dǎo)地位。因此，當(dāng)硅吸收 30 eV 至 20 keV 能量范圍內(nèi)的 X 射線光子時(shí)，其能量通過(guò)光電效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并根據(jù)初級(jí) X 射線光子能量在 CCD 中生成電子空穴對(duì)。為了在硅中產(chǎn)生一對(duì)電子空穴，每對(duì) X 射線光子平均需要 3.65 eV。因此，當(dāng)吸收 8.0 keV 的 X 射線光子時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生約 2192 e- (8000/3.65)。請(qǐng)注意，產(chǎn)生電子空穴對(duì)所需的平均能量的波動(dòng)受以下因素控制：硅內(nèi) X 射線光子的相互作用。這些波動(dòng)由稱為 Fano 因子(硅為 0.1)的數(shù)值因子來(lái)概括。

收費(fèi)機(jī)制

對(duì)于高度重視定量測(cè)量的科學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，重要的是，X 射線光子產(chǎn)生的電荷被收集在一個(gè)像素內(nèi)，然后傳輸?shù)捷敵?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器，而不會(huì)因電荷轉(zhuǎn)移效率 (CTE) 不完美而造成損失。根據(jù)其生成地點(diǎn)，光電子電荷云有可能在兩個(gè)或多個(gè)像素之間分裂。為了確保最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，必須考慮這種程度的不確定性。

如果電荷在無(wú)場(chǎng)層中產(chǎn)生，則它通過(guò)擴(kuò)散移動(dòng)并重新組合或到達(dá)耗盡層場(chǎng)的邊緣。到達(dá)耗盡層(或在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生)的任何電荷都會(huì)以最小的徑向擴(kuò)散迅速漂移到表面收集位點(diǎn)?？拷袼剡吘壔蚧迳钐幃a(chǎn)生的電荷可以在像素之間分裂。來(lái)自深度生成事件的一些電荷也可能重新組合，使得電荷不守恒。

信號(hào)電荷的測(cè)量并不總是表明真實(shí)的沉積能量，特別是對(duì)于 CCD 深處產(chǎn)生的事件(前照式設(shè)備中的高能 X 射線)。一些部分事件在單色 X 射線源生成的脈沖高度分布中也可能是明顯的。

在無(wú)場(chǎng)層被蝕刻掉的背照式器件中，電子直接在外延層中產(chǎn)生。因此，在這種情況下，產(chǎn)生的電子的遷移也可能發(fā)生在較低能量的 X 射線中，因?yàn)樗鼈兪窃诒砻娓浇a(chǎn)生的。

當(dāng)探測(cè)器用于光子計(jì)數(shù)模式時(shí)，應(yīng)采取措施確保 (1) 與曝光時(shí)間相關(guān)的入射通量足夠弱，以防止多重射線光子到達(dá)同一像素，并且 (2)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了區(qū)分單像素事件和多像素事件的方法(圖 3)。通常，強(qiáng)度閾值方法用于區(qū)分單像素和多像素事件。要利用此方法，必須為單像素事件和多像素事件選擇精確的閾值水平，如下例所示。

圖 3：?jiǎn)蜗袼睾投嘞袼厥录氖纠?/p>

深色像素表示高于單像素閾值的計(jì)數(shù)，陰影像素表示單像素閾值和多像素閾值之間的計(jì)數(shù)。

輻射損傷

專為直接 X 射線檢測(cè)而設(shè)計(jì)的 CCD 所獲得的良好靈敏度和更高的 QE 伴隨著固有的權(quán)衡，即一旦大量(即劑量/通量)的 X 射線輻射轟擊 CCD，就會(huì)發(fā)生長(zhǎng)久性損壞。特別是，觀察到性能參數(shù)的以下變化：

暗電流增加：當(dāng) X 射線光子撞擊硅時(shí)，它們會(huì)在硅和二氧化硅柵極氧化物之間產(chǎn)生額外的界面態(tài)。這些新?tīng)顟B(tài)的能級(jí)位于硅帶隙內(nèi)，導(dǎo)致暗電流增加。

平帶電壓偏移：當(dāng) X 射線被柵極氧化物吸收時(shí)，會(huì)生成電子空穴對(duì)。一些電子被檢測(cè)為信號(hào)，其中一些電子重新結(jié)合，其余電子從氧化物中逸出。然而，空穴的遷移率遠(yuǎn)低于電子的遷移率;因此，一些空穴被困在氧化物中。這些捕獲的空穴導(dǎo)致正空間電荷的積累，從而改變柵極電勢(shì)并增加外延硅有源區(qū)的電勢(shì)。這種效應(yīng)被稱為平帶電壓偏移。如果電荷積累變得太大，則可能必須調(diào)整 CCD 時(shí)鐘和偏置電壓以維持器件性能。

CTE降低： 如果輻射能量足夠高，硅晶格中就會(huì)發(fā)生位移損傷。反過(guò)來(lái)，CTE 也會(huì)降低。為了取代硅原子，需要大約 150 keV 的電子動(dòng)能。在背照式 CCD 中，入射光子在遇到柵極結(jié)構(gòu)之前到達(dá)外延層。因此，在低能 X 射線范圍內(nèi)低于設(shè)備特定閾值的能量水平不會(huì)發(fā)生輻射損傷。即使在 X 射線到達(dá)電極結(jié)構(gòu)的能量水平上，輻射損傷也會(huì)被延遲。

這些參數(shù)受到各種類型輻射的不同影響，即質(zhì)子、中子和重離子(高能粒子)，以及電子、伽馬射線、β射線和 X 射線(電離輻射)。隨著電離輻射劑量的增加，性能會(huì)緩慢下降，但很少達(dá)到可能導(dǎo)致突然故障的災(zāi)難性水平。因此，標(biāo)志著使用壽命結(jié)束的具體輻射劑量可能會(huì)根據(jù)應(yīng)用、X 射線能量和輻射通量的不同而有很大差異。其中一些效應(yīng)是所有硅基器件所固有的，但其他效應(yīng)則與 CCD 結(jié)構(gòu)和制造工藝有關(guān)。

退火損傷

據(jù)報(bào)道，如果將因X射線照射而產(chǎn)生高暗電流的器件在約350℃的合成氣體(10%H 2 90%N 2 )中處理幾個(gè)小時(shí)，CCD的性能可以恢復(fù)到其預(yù)輻照水平。

另?yè)?jù)報(bào)道，如果暴露在254 nm UV 波長(zhǎng)光源(EPROM 擦除光源)下約 10 分鐘，可以減少各種電壓的變化。

請(qǐng)注意，這些處理可能會(huì)使 CCD 更容易受到未來(lái) X 射線的損壞。然而，如果在350℃的合成氣體退火完成后，器件在空氣中在100℃下退火約15小時(shí)，那么這種效果可能會(huì)被抵消。

本節(jié)中列出的實(shí)驗(yàn)均未在 Teledyne Princeton Instruments 實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行過(guò)，因此我們強(qiáng)烈建議在嘗試這些過(guò)程時(shí)要小心謹(jǐn)慎。根據(jù)特定 CCD 的損壞程度，可能需要調(diào)整溫度或曝光時(shí)間。

審核編輯 黃宇