12^th May 2021 | Author: Dr Haithem Mansour

このブログ記事は「EDS/EDXにおけるハードウェアコンポーネントの重要性」シリーズの第2弾です。 以前の投稿で, 私は高速かつ正確で信頼性の高いEDSデータを提供するために、コリメーターアセンブリ、エレクトロントラップ、ウィンドウの重要性を強調しました。

今回は、EDS検出器の中でも最も重要な部品である「センサー」について説明します。

EDSセンサーは、特定のエネルギーのX線をイオン化することで、それに比例した大きさの電荷に変換する半導体デバイスです。

EDSセンサーの種類

EDSには、SDDとSi(Li)の2種類のセンサーがあります。 従来のシリコン結晶にリチウムを拡散させた「Si(Li)」と呼ばれるものが実用化されたのは1960年代後半のことです。 Si(Li)は電荷信号と電子ノイズを分離するために、非常に低い動作温度（90°K）が必要で、通常は液体窒素のリザーバーを使って冷却します。 2つ目のタイプは、Silicon Drift Detector（通称SDD）です。 SDDはその優れた性能により、Si(Li)技術に完全に取って代わりました。 このセンサーははるかに高速で、解像度も高く（特に計数率が上がるにつれて）、零下数十度までの冷却しか必要としません。

図Fig.1. EDS SDD検出器の構造を示す切断図

EDS検出器のSDDはどのような役割を果たしているのでしょうか？

EDS検出器は、個々のX線のエネルギーを比例した大きさの電圧信号に変換します。 これはさまざまな段階を経て達成されます。 SDDはX線が半導体結晶中の原子をイオン化して電荷に変換する第一段階を担当しています。

入射したX線がSDDに当たると、そのエネルギーは半導体内の一連のイオン化によって吸収され、いくつかの電子-正孔ペアが生成されます（図.2）。 そして電子はSDDの伝導帯に上がり、結晶格子内を自由に移動できるようになります。 電子が伝導帯に上がると、そこに「正孔」ができて、結晶の中で自由なプラスの電荷のように振る舞うのです。 SDDに印加されたバイアス電圧により、電子はドリフトリング間の電界勾配を下って「ドリフト」します。 そしてその電子はアノードに集められます。 この設計により、アノードの大きさを最小限に抑えることができ、センサー回路の静電容量を減らし、検出器の電圧ノイズを低減することができます。 ノイズが少ないと、信号処理に要する時間が短くなり、より多くのX線をより正確にカウントすることができます。これにより、SDD技術の強みである高カウントレートでの良好なスペクトル分解能を実現しています。

図.2. SDD検出器の構造と動作

SDDのサイズ

EDS検出器には、異なるSDDセンサーサイズがあります。例えば、Ultim Maxシリーズでは、40mm²、65mm²、100mm²、170mm²のセンサーがラインナップされています。 センサーサイズが大きいほど、検出面が大きくなり、検出されるX線の数（入力カウントレート）が多くなります。 図3は、同じ収集条件でSDDのサイズを変えた場合の1秒あたりのカウント数の違いを示したものです。

図.3. 1秒あたりのカウント数とSDDセンサーサイズの関係

大規模なセンサーサイズで高性能を維持することが課題となっています。 例えば大型のセンサーを搭載した検出器は、同じ温度に冷却するために、より大きな電力を必要とします。 分解能にも影響する検出器の電流ノイズを最小限に抑え、長期にわたって安定させるためには、環境、冷却技術、エンジニアリングの面で大きな課題があります。 大面積のSDDセンサーが、その大きさゆえに容易に達成できる超高カウントレートで良好な解像度を維持するためには、すべてのセンサーサイズで同じ小型アノードを使用することが重要です。

最大のセンサーの検出器の解像度を、最小のセンサーで達成できる範囲で高く保つことが重要です。 これはピークの分離が難しく、スペクトル分解能が最も重要な低加速電圧ナノ分析に大面積の検出器が使用されているためです。オックスフォード・インストゥルメンツは、検出器の製造および設置時に、C K X線を用いた低エネルギー分解能について、すべてのUltim検出器をテストし、すべてのセンサーサイズで高い性能が達成されることを保証しています。

ここまでで、SDDの重要性と、正確で高速なEDSデータを提供するためにSDDが果たす役割についてご理解いただけたと思います。次回は、FETと冷却システムについてご紹介します。

Dr Haithem Mansour
X-ray Product Manager