硅PIN探测器及用于其的电荷灵敏放大装置

摘要

本发明提供了一种硅PIN探测器及用于该硅PIN探测器的电荷灵敏放大装置。该硅PIN探测器包括：铍片，用于给探测器的内部提供密封真空环境，以使原子序数在铍之后的元素射线光子可以自由通过；光电探测器，用于收集从铍片透过来的光子，并产生电荷；JFET，其栅极上集成一个电容，光电探测器产生的电荷对此电容充电，以产生一个电压，从而使JFET的漏极同步产生几倍于栅极的电压变化；温度传感器，用于实时监控探测器的内部温度；两级电热半导体制冷器，用于对光电探测器、JFET和温度传感器提供低温环境；多个3U沉金接触脚位，分别通过金线与光电探测器、JFET、两级电热半导体制冷器、和温度传感器连接。本发明结构简单、成本低、体积小、无需液氮制冷。

说明书

技术领域

本发明涉及XRF领域，特别涉及一种硅PIN探测器及用于该硅PIN探测器 的电荷灵敏放大装置。

背景技术

目前XRF领域主要是应用传统硅锂技术探测器和正比计数管技术探测器来 分析元素含量与组成。相对本发明所使用的技术有如下弊端：(1)分辨率差， 对于电子能量相近的元素，无法分开。(2)体积大，不利于小型化，高集成度 是当今发展趋势。(3)探测器本身散热采用传统的液氮制冷，温度不好控制， 并且要经常更换液氮瓶，可操作性差。(4)前置放大器内部没有主动放电电路, 放电主要依赖电荷灵敏放大器本身特性,导致输出电压在接近放大器供电极限 时，输出非线性、失真、扭曲、抖动，严重影响信号的完整性。(5)电荷灵敏 放大器噪声过大，致使整个仪器系统分辨率变差，元素分析精度变差。(6)电 荷灵敏放大器输入端没有滤波与保护网络，输入端电压变化过大，异常情况下 很容易使电荷灵敏放大器饱和输出，导致仪器精度与效率变差。(7)供给探测 器的制冷电压不能自动根据探测器内部温度而自动调整，无法使探测器内部温 度恒定在某个特定的值，探测器温度不恒定会引起信号不稳定,最终使仪器定量 分析稳定性变差。(8)探测器小高压滤波电路不够完善，纹波偏大，影响探测 器工作稳定度。

发明内容

本发明提供了一种结构简单、成本低、体积小、无需液氮制冷的硅PIN探 测器及用于该硅PIN探测器的电荷灵敏放大装置。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种硅PIN探测器，包 括：铍片，用于给所述探测器的内部提供密封真空环境，以使原子序数在铍之 后的元素射线光子可以自由通过；光电探测器，用于收集从所述铍片透过来的 光子，并产生电荷；JFET，其栅极上集成一个电容，所述光电探测器产生的电 荷对此电容充电，以产生一个电压，从而使所述JFET的漏极同步产生一个几倍 于所述JFET(4)的栅极的电压变化；温度传感器，用于实时监控所述探测器的内 部温度；两级电热半导体制冷器，用于对所述光电探测器、所述JFET和所述温 度传感器提供低温环境；多个3U沉金接触脚位，分别通过金线与所述光电探测 器、所述JFET、所述两级电热半导体制冷器、和所述温度传感器连接。

优选地，还包括固定桩和屏蔽盖，所述屏蔽盖安装在所述固定桩上，且所 述固定桩和所述屏蔽盖之间形成真空安装空间，所述铍片安装在所述屏蔽盖的 顶部，且所述光电探测器、JFET、温度传感器和两级电热半导体制冷器均安装 在所述真空安装空间内。

优选地，低温环境为零下40摄氏度以下。

本发明还提供了一种用于上述硅PIN探测器的电荷灵敏放大装置，包括： 信号输入端、阻容滤波器、主动复位器、信号输出接口、供电与温度输出接口、 电荷灵敏放大器、滤波与保护器、温度跟随器、制冷器电压调整器、温度输入 端和制冷器控制端；信号输入端用于与硅PIN探测器的信号输出端连接；阻容 滤波器的输入端与供电与温度输出接口的第四输入端连接，输出端通过对应的 3U沉金接触脚位、金线与光电探测器的工作电压端连接；主动复位器的输入端 与电荷灵敏放大器的输出端连接，主动复位器的输出端通过电容耦合与阻容滤 波器的输出端连接，用于将电荷灵敏放大器的信号输出电平控制在理想的线性 范围内；信号输出接口的输入端与电荷灵敏放大器的输出端连接，用于输出经 过电荷灵敏放大器初级放大处理的探测器输出信号；供电与温度输出接口的第 一输入端与滤波与保护器的输入端连接，第二输出端与温度跟随器的输出端连 接，第三输入端与制冷器电压调整器的输入端连接，第四输输入端与阻容滤波 器的输入端连接；电荷灵敏放大器的第一输入端通过对应的3U沉金接触脚位、 金线与探测器JFET的漏极信号输出端、滤波与保护器的第一输出端连接，电荷 灵敏放大器的第二输入端与滤波与保护器的第二输出端连接，电荷灵敏放大器 的输出端与信号输出接口输入端、主动复位器输入端、同时经过对应的3U沉金 接触脚位、金线与JFET的栅极集成电容的一端连接；供电与温度输出接口的第 一输入端与滤波与保护器的输入端连接，滤波与保护器的第一、第二输出端分 别与电荷灵敏放大器的第一、第二输入端连接；温度输入端用于与硅PIN探测 器的温度输出端连接；温度跟随器的输入端经过对应的3U沉金接触脚位、金线 与探测器温度传感器的温度信号输出端连接，输出端与供电与温度输出接口的 第二输出端、制冷器电压调整器的第二输入端连接；制冷器电压调整器的第一 输入端与供电与温度输出接口的第三输入端连接，制冷器电压调整器的第二输 入端与温度跟随器的输出端连接，输出端经过对应的3U沉金接触脚位、金线与 两级电热半导体制冷器的工作电压端连接。

优选地，滤波与保护器、电荷灵敏放大器、温度跟随器、制冷器电压调整 器、阻容滤波器、主动复位器用于给探测器提供一个高稳定的工作电压环境， 并将探测器输出的信号做高保真、低噪声的初级放大处理。

优选地，滤波与保护器、电荷灵敏放大器、温度跟随器、制冷器电压调整 器、阻容滤波器、主动复位器通过贴片方式固定在一块PCB板上，再封装在一 个对电磁屏蔽的金属壳体内，通过固定在金属壳体上的供电与温度输出接口、 信号输出接口与外部通讯，同时探测器也固定在屏蔽金属壳体上，共同组成一 个完整的模组。

本发明克服了现有技术中的探测器的弊端，使探测器的体积更紧凑，供电 系统更稳定，信号完整性更好，噪声更低。本发明相对于现有技术中的硅锂探 测器相比，体积缩小了几十倍；无需液氮制冷，温度精度控制在正负0.2摄氏 度变化范围，维护相当方便；在相同元素相同分辨率条件下，现有技术中的硅 锂探测器需要零下80摄氏度以下温度，但本发明只需要零下30到40摄氏度。

附图说明

图1示意性地示出了本发明的结构示意图。

图中附图标记：1、铍片；2、屏蔽盖；3、光电探测器；4、JFET；5、温度 传感器；6、两级电热半导体制冷器；7、固定桩；8、滤波与保护器；9、电荷 灵敏放大器；10、温度跟随器；11、制冷器电压调整器；12、阻容滤波器；13、 主动复位器；14、供电与温度输出接口；15、信号输出接口；16、3U沉金接触 脚位；17、金线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要 求限定和覆盖的多种不同方式实施。

请参考图1，本发明提供了一种硅PIN探测器，适用XRF领域SI-PIN,SDD 等高分辨率探测器。

该探测器包括：铍片1，用于给探测器的内部提供密封真空环境，以使原子 序数在铍之后的射线光子可以自由通过；光电探测器3，用于收集从铍片1透过 来的光子，并产生电荷，优选地，为极低暗电流、极低分布电容、高反偏电压、 高光灵敏度的光电二极管；JFET4，其栅极上集成一个电容，光电探测器3产生 的电荷对此电容充电，以产生一个电压，从而使JFET4的漏极同步产生一个几 倍于栅极的电压变化，优选地，JFET4为低噪声、高跨导结型场效应管；温度传 感器5，用于实时监控探测器的内部温度，产生一个温度的模拟信号；两级(两 层)电热半导体制冷器6，用于对光电探测器3、JFET4和温度传感器5提供低 温环境；多个3U沉金接触脚位16，分别通过金线17与光电探测器3、JFET4、 两级电热半导体制冷器6、和温度传感器5连接。特别地，两级电热半导体制冷 器6自身上下面温度温差最大可达到95摄氏度，该温度可由软件控制输出调节。 3U沉金接触脚位与金线是利用金的化学特性防止氧化、腐蚀、磨损，减少连接 过程中的接触电阻，以及良好的散热效果。

由于采用了上述技术方案，本发明克服了现有技术中的探测器的弊端，使 探测器的体积更紧凑，供电系统更稳定，信号完整性更好，噪声更低。本发明 相对于现有技术中的硅锂探测器相比，体积缩小了几十倍；无需液氮制冷，温 度精度控制在正负0.2摄氏度变化范围，维护相当方便；在相同元素相同分辨 率条件下，现有技术中的硅锂探测器需要零下80摄氏度以下温度，但本发明只 需要零下30到40摄氏度。

特别地，相对于现有技术中的主流正比计数管探测器，本发明体积缩小5 倍以上；分辨率好上5倍以上；电路结构更紧凑，能更好的支持现在的贴片技 术，实现规模化生产。

特别地，多个3U沉金接触脚位16，分别通过金线17与光电探测器3、JFET4、 两级电热半导体制冷器6、温度传感器5连接，3U沉金接触脚位与连接金线是 利用金的化学特性防止氧化、腐蚀、磨损，减少连接过程中的接触电阻，以及 良好的散热效果。

优选地，还包括固定桩7和屏蔽盖2，屏蔽盖2安装在固定桩7上，且固定 桩7和屏蔽盖2之间形成真空安装空间，铍片1安装在屏蔽盖2的顶部，且光 电探测器3、JFET4、温度传感器5和两级电热半导体制冷器6均安装在真空安 装空间内。屏蔽盖2会紧密压接在固定桩7上，一起给探测器内部提供一个真 空、不透光的密闭空间。

优选地，低温环境为零下40摄氏度以上。

优选地，硅PIN探测器采用精密的封装技术，将高精密、低噪声、小体积 的光电探测器3、JFET4、温度传感器5、两级电热半导体制冷器6封装在一个 标准的TO8封装标准的真空密闭容器内，此容器对电磁屏蔽，并且除了铍片透 光外，其它部位都是对光屏蔽的。

请参考图1，本发明还提供了一种用于上述硅PIN探测器的电荷灵敏放大装 置，包括：信号输入端、阻容滤波器12、主动复位器13、信号输出接口15、供 电与温度输出接口14、电荷灵敏放大器9、滤波与保护器8、温度跟随器10、 制冷器电压调整器11、温度输入端和制冷器控制端。

信号输入端用于与硅PIN探测器的信号输出端连接；阻容滤波器12的输入 端与供电与温度输出接口14的第四输入端连接，输出端经过对应的3U沉金接 触脚位、金线与光电探测器3的工作电压端连接，用于将外部供给的电压进行 多级阻容滤波，给探测器内部光电探测器3提供更稳定的电压。特别地，阻容 滤波器12为3级阻容滤波。

主动复位器13的输入端与电荷灵敏放大器9的输出端连接，主动复位器13 的输出端通过电容耦合与阻容滤波器12的输出端连接，用于将电荷灵敏放大器 9的信号输出电平控制在理想的线性范围内，如果超出，发出复位信号，将整个 信号回路复位，特别地，主动复位器13将电荷灵敏放大器9的理想线性范围控 制在-5V至+5V内。

信号输出接口15的输入端与电荷灵敏放大器9的输出端连接，用于输出经 过电荷灵敏放大器9的初级放大处理的探测器输出信号；供电与温度输出接口 14的第一输入端与滤波与保护器8的输入端连接，第二输出端与温度跟随器10 的输出端连接，第三输入端与制冷器电压调整器11的输入端连接，第四输输入 端与阻容滤波器12的输入端连接；电荷灵敏放大器9的第一输入端经过对应的 3U沉金接触脚位16、金线17与JFET4的漏极信号输出端、滤波与保护器8的 第一输出端连接，电荷灵敏放大器9的第二输入端与滤波与保护器8的第二输 出端连接，电荷灵敏放大器9的输出端与信号输出接口15输入端、主动复位器 13输入端、同时经过对应的3U沉金接触脚位16、金线17与JFET4的栅极集成 电容的一端连接；滤波与保护器8的输入端与供电与温度输出接口14的第一输 入端连接，滤波与保护器8的第一、第二输出端分别与电荷灵敏放大器9的第 一、第二输入端连接；温度输入端用于与硅PIN探测器的温度输出端连接；温 度跟随器10的输入端经过对应的3U沉金接触脚位16、金线17与探测器温度传 感器5的温度信号输出端连接，输出端与供电与温度输出接口14的第二输出端、 制冷器电压调整器11的第二输入端连接；制冷器电压调整器11的第一输入端 与供电与温度输出接口14的第三输入端连接，制冷器电压调整器11的第二输 入端与温度跟随器10的输出端连接，输出端经过对应的3U沉金接触脚位16、 金线17与两级电热半导体制冷器6的工作电压端连接，用于通过模拟的方式识 别探测器内部温度，如果温度升高，调整制冷器工作电压升高，如果温度下降， 调整制冷电压下降，将温度恒定某个电路设定的固定值。

本发明中的电荷灵敏放大装置为上述的探测器内部器件提供高稳定度、低 噪声、低纹波的工作电压；将探测器输出来的微弱电压信号进行初级的高保真、 低噪声、高稳定的放大处理，并输出到信号接口，供后续处理；温度平衡控制 系统监控探测器封装内部温度，实时调整探测器封装内部两级热电半导体制冷 器的工作电压，使探测器封装内部温度恒定在电路预设的值，同时将探测器的 适时温度输出到接口，供外部监控使用；实时监控前置放大器的输出电平是否 在其理想线性区域内，一旦超出，立即将信号回路复位。

优选地，滤波与保护器8、电荷灵敏放大器9、温度跟随器10、制冷器电压 调整器11、阻容滤波器12、主动复位器13用于给探测器提供一个高稳定的工 作电压环境，并将探测器输出的信号做高保真、低噪声的初级放大处理。

优选地，滤波与保护器8、电荷灵敏放大器9、温度跟随器10、制冷器电压 调整器11、阻容滤波器12、主动复位器13通过贴片方式固定在一块PCB板上， 再封装在一个对电磁屏蔽的金属壳体内，通过固定在金属壳体上的供电与温度 输出接口14、信号输出接口15与外部通讯，同时探测器也固定在屏蔽金属壳体 上，共同组成一个完整的模组。

本发明的工作原理如下：

阻容滤波器12将来自供电与温度输出接口14提供的小高压进行多级阻容滤 波后经过对应的3U沉金接触脚位16与金线17供给光电探测器3工作使用；光 电探测器3接收透过铍片1进来的光子后，产生一定数量的电荷，这些电荷对 JFET4的栅极上集成的微小电容进行充电，生产一个微弱的电压；JFET4工作在 放大区域，栅极上一个微小的电压变化导致它的漏极上有一个几倍于栅极来自 滤波与保护器8经过对应的3U沉金接触脚位16、金线17连接供电的电压变化， 这个电压变化到达电荷灵敏放大器9的输入端；再经过经电荷灵敏放大器9的 初级放大输出后，一路经过对应的3U沉金接触脚16跟金线17连接反馈回JFET4 的栅极集成的电容一端，一路输出到信号输出接口15供外部使用，一路输出到 主动复位器13的输入端；主动复位器13判断来自电荷灵敏放大器9输出的电 压幅度是否在其理想的线性范围之内，如果超出范围，立即发出复位信号，通 过一个输出端的耦合电容将来自阻容滤波器12经过对应3U沉金接触脚位16、 金线17连接输出给光电探测器3的工作电压给一个向下的脉冲，从而将信号回 路整个复位。

温度跟随器10将来自温度传感器5经过对应的3U沉金接触脚位16跟金线 17连接的温度信号进行隔离并跟随输出后，一路输出到供电与温度输出接口14 供外部进行部温度监控使用，一路输出到制冷器电压调整器11的输入端；制冷 器电压调整器11将经由温度跟随器10传递过来的温度传感器5经由对应的3U 沉金接触脚位16跟金线17连线提供过来的探测器内部温度信号跟电路预设温 度进行比对，实时调整从供电与温度输出接口14供给两级电热半导体制冷器6 使用的工作电压；经过制冷器电压调整器11调整的电压经过对应的3U沉金接 触脚位16与金线17连接到两级电热半导体制冷器6的工作电压输入端，驱动 其工作，使整个探测器封装的内部的工作温度恒定在制冷器电压调整器11预设 的温度值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域 的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。