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熱電致冷技術——無需液氮！
XR-100CR型硅PIN探測器及配套電源PX5
XR-100探頭組件示意圖
XR-100CR系列產品無需采用昂貴的低溫制冷系統(tǒng)即可獲得非常優(yōu)越的性能，它標志著X射線探測器生產技術上的一個突破。
產品特性：
1. 硅PIN光電二極管探頭；
2. 兩級熱電致冷器；
3. 探頭溫度實時顯示；
4. 鈹（Be）窗；
5. 多層準直器；
6. 密封封裝（TO-8）；
7. 檢測范圍寬，適于多種應用；
8. 操作簡單，易上手。
應用范圍：
1. X射線熒光分析；
2. RoHS/WEE標準檢測；
3. 便攜式設備；
4. OEM應用；
5. 核醫(yī)療學；
6. 高校和科研院所教學研究；
7. 藝術和考古學；
8. 生產過程監(jiān)控；
9. 穆斯堡爾譜儀；
10. 航空及宇航應用；
11. 核電站輻射監(jiān)控；
12. 有毒物垃圾場檢測；
13. 粒子誘發(fā)X射線熒光分析（PIXE）。
配件：
1. MP1型X射線熒光分析系統(tǒng)裝配平臺
2. 真空應用相關配件；
3. 準直套裝（高通量應用）；
4. 實驗室XRF開發(fā)套裝；
簡要理論說明
入射的X射線會和硅原子相互作用，X射線能量每損失3.62eV就會在硅晶體產生一個電子-空穴對。隨著入射能量的不同，能量損失或以光電效應為主，或以康普頓散射(Compton scattering)為主。而探測器吸收X射線能量并產生電子-空穴對的幾率（即探測效率）隨著硅的厚度增大而變大。
為提高電子-空穴隊收集效率，需要在硅晶體上加約100到200伏的電壓，而具體大小則取決于硅的厚度。在室溫下工作時，該偏壓對半導體而言過高，很可能漏電甚至擊穿硅晶體。但在XR-100CR型探測器中**應用了熱電制冷技術，保證探頭在低溫下工作，這樣漏電流大大減少，從而可以實現在高偏壓下的正常工作。另外高偏壓還能降低探測器的電容，進而降低系統(tǒng)噪聲。
熱電制冷器同時對硅探測器以及場效應晶體管（為電荷敏感前置放大器提供輸入）進行冷卻。對場效應管的冷卻能減少它的漏電流，同時能增加跨導（transconductance），二者都能減少系統(tǒng)的電子學噪聲。
實際上光電二極管探測器無法直接光學自復位，因此XR-100CR系列產品應用一種新穎的反饋控制方法來實現電荷敏感前置放大器的自復位。沒有繼續(xù)采用傳統(tǒng)產品中的復位晶體管，而是通過發(fā)射一個精確的電荷脈沖到場效應管中來實現自復位，其中利用了到探測器的高壓連接和探測器電容。該方法避免了自復位晶體管的噪聲問題，系統(tǒng)的能量分辨率進一步提高。
利用熱電制冷的探測器內部元件的溫度會隨著室溫的變化而改變，故為即時監(jiān)控這些元件的溫度，在硅基底上還安裝了一個用于溫度監(jiān)控的二極管芯片。低于-20oC的情況下，XR-100CR的性能在幾攝氏度的范圍內都不會有明顯變化，故在通常室溫條件下使用時無需采用閉合環(huán)路的溫度反饋控制電路，但在OEM手持式X射線熒光譜儀設備應用中則強烈推薦使用溫度反饋控制電路。主動溫度控制（ATC）模塊在PX2CR中是可選的，而在PX5中是默認標配的。
產品參數
| 常規(guī)參數 | |
| 探頭類型 | 硅PIN探測器(Si-PIN) |
| 硅基底尺寸 | 6-25mm2 |
| 硅基底厚度 | 300或500μm |
| 準直器 | 多層準直器 |
| 能量分辨率(@55Fe， 5.9keV峰) | 145-230eV FWHM (取決于探測器類型和成形時間常數) |
| 本底計數 | <3x10-3/s，（對應2-150keV峰值，7mm2/300μm探測器） |
| 鈹(Be)窗厚度 | 1mil (25μm)或0.5mil (12.5μm) |
| 電荷敏感型前置放大器 | Amptek定制設計（通過高壓連接復位） |
| 增益穩(wěn)定性（溫飄） | <20ppm>oC (一般情況下) |
| 外殼尺寸 | 3 x 1.75 x 1.13 inch， 7.6 x 4.4 x 2.9 cm |
| 重量 | 4.9 ounces (139g) |
| 總功率 | <1W |
| 保修期 | 一年 |
| 產品壽命 | 五到十年，因具體應用而異 |
| 環(huán)境溫度 | 0~+40oC |
| 倉儲和物流要求 | 長時間倉儲：干燥條件下存放十年以上 一般倉儲/物流：-20到+50 oC，10%到90%濕度（無冷凝器） |
| TUV Certification Certificate #: CU 72072412 01 Tested to: UL 61010-1: 2004 R7 .05 CAN/CSA-C22.2 61010-1: 2004 | |
| 輸入參數 | |
| 前置放大器電源 | 電壓正負8到9V，電流15mA，噪聲峰峰值小于50mV |
| 探頭電源 | 電壓100到200V，電流1μA（因探頭種類而異）； 輸入需要非常穩(wěn)定：<0.1%的波動。 |
| 制冷器電源 | **電壓4V，噪聲峰峰值小于100mV，**電流350mA 注意：XR-100CR探測器自身包含溫度控制器 |
| 輸出參數 | |
| 復位輸出波形 | XR100CR的輸出在+5和-5V之間； 復位周期會隨探測器類型和計數率不同而變化。 |
| 前置放大器靈敏度 | 一般為1mV/keV（不同探測器可能略有不同） |
| 前置放大器極性 | 負脈沖信號輸出（**負載為1k歐姆） |
| 前端放大器反饋 | 經過探測器電容復位 |
| 溫度顯示靈敏度 | PX2CR中770mV相當于-50 oC； 利用PX5可通過軟件直接讀取溫度（單位：開爾文）。 |
| 前置放大器輸出 | 同軸電纜BNC接頭 |
| 功率和信號 | 六針雷莫（LEMO）接頭（Part# ERA.1S.306.CLL） |
| 互連電纜 | 單獨使用XR100CR：六針雷莫接頭（Part# FFA.1S.306.CLAC57）到九針D型接口；配套使用PX5：六針雷莫到六針雷莫接頭；長均五英尺。 |
六針LEMO接頭針腳輸出
| 針腳1 | 溫度監(jiān)控二極管 |
| 針腳2 | 探測器正偏壓（高壓），**為+100~200V |
| 針腳3 | 前置放大器-9V電源 |
| 針腳4 | 前置放大器+9V電源 |
| 針腳5 | 致冷器電源返回 |
| 針腳6 | 致冷器電源輸入（電壓范圍：0~+4V，電流350mA） |
| 外殼 | 接地和屏蔽 |
選配組件
2. 高通量應用時候的準直器套件；
3. 真空應用相關配件；
4. OEM應用；
5. X-123配置。
圖2a. X-123配置，包含探測器，前置放大器，數字處理器及電源的一體化設計。
圖2b. 探測器，前置放大器及封裝。
圖3. XR100CR探測器加長選項
XR100CR的數字脈沖處理器和電源模塊 XR-100CR系列產品的電源由PX5(數字脈沖處理器和電源模塊組合)提供，而PX5自身的直流輸入來源于交流電適配器。PX5提供了數字脈沖處理放大器（0.2~100us峰化時間），多道分析功能以及探測器所需的所有電源。
XR-100CR/PX5的組合系統(tǒng)能確保開機1分鐘后穩(wěn)定工作。
圖5. 硅PIN和硅漂移探測器的分辨率和峰化/成形時間關系曲線
圖6. 不同峰化時間下探測器能量分辨率和輸入計數率（ICR）關系，對應XR100CR和PX5情況
圖7. 不同峰化時間下的PX5輸出能力
準直器的使用
探測器有效面元(active volume)邊緣部分和X射線的相互作用會因不完全電荷收集產生一些小脈沖信號，進而影響測得的能譜數據。而且這些信號可能正處在用戶所關心的元素所在的能量范圍，降低了信噪比。而內部準直器則可以限制X射線只能打到有效面元內，這就避免了噪聲信號的產生。
不同類型的探測器中準直器的應用各有優(yōu)點：提高峰本比（P/B）；消除邊界效應；消除假尖峰信號。
真空環(huán)境中的應用 XR-100CR型產品可以工作在10-8托的真空環(huán)境到大氣壓下工作，而真空環(huán)境應用有如下兩種方案：
1) XR-100CR的探頭和前放均置于真空室內部：
a. 為保證XR-100CR的正常工作，需避免器件過熱，并做好輸入的1W功率的良好導熱；即利用XR-100CR封裝上的四個安裝孔，根據具體真空室位形設計散熱，將器件熱量傳導到真空室壁上；
b. 在CF（Conflat Flange）刀口法蘭上利用可選的真空饋通端子（如9DVF型，九接口）連接XR-100CR和真空室外的PX5電源。
2) XR-100CR全部置于真空室外：需利用可選的真空探測器延長組件（如EXV9型，長9英寸）和標準CF刀口法蘭窗口（通過O型金屬環(huán)密封）配套。
效率曲線
圖8（線性坐標）. XR-100CR型探測器的對應完全能量沉積的內稟探測效率。
圖9（對數坐標）. 考慮各種效應后的收集效率，其中也包含了光電效應的概率影響。
傳輸效率文件：包含傳輸效率方面系數和常見問題解答的.zip格式文件，僅提供基本信息，不能作為定量分析依據。
XR-100在探路者（PathFinder）計劃中在火星著陸！??！
圖10. 承蒙芝加哥大學提供。
完整的XRF系統(tǒng)
圖11. 完整的X射線熒光譜儀系統(tǒng)
圖12. XR100CR和Mini-X安裝在MP1平臺上示意圖
2. PX5型數字脈沖處理器，多道分析模塊和電源；
3. Mini-X型USB控制X射線管；
4. XRF-FP定量分析軟件；
5. MP1型XRF系統(tǒng)裝配平臺。
更多信息請關注AMPTEK英文官方網站：。
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