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Si-PIN X 射線偵測器

Si-PIN X-Ray Detectors 型號：XR-100CR & X-123

Amptek 公司最近將矽晶圓製造搬到了公司內部，並改進了製程。因此，此探測器雜訊更低、漏電流更小、電荷收集能力更強，而且各探測器之間的一致性更好。這使其成為目前性能最好的 Si-PIN 探測器。

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產品特點產品規格 Features Specifications

Amptek 公司最近將矽晶圓製造搬到了公司內部，並改進了製程。因此，此探測器雜訊更低、漏電流更小、電荷收集能力更強，而且各探測器之間的一致性更好。這使其成為目前性能最好的 Si-PIN 探測器。

Si-PIN 是一種高性能熱電冷卻 X 射線探測器，可與多種前級放大器和數位脈衝處理器配置相結合。它通常用於需要中等能量解析能力和中等計數率的實驗室 X 射線光譜應用中，成本非常重要。它非常適合許多 XRF 應用，例如識別金屬合金、驗證 RoHS/WEEE 合規性以及檢測油漆中的鉛含量。

Si-PIN 的能量解析度從 139 到 190 eV FWHM 不等，取決於探測器的面積。它的最佳計數率低於 30 kcps，適用於 1.5 至 30 keV 的 X 射線。它使用完全耗盡的 500 um Si-PIN 光電二極管，有 1 mil 或 0.5 mil Be 視窗可供選擇。

在 XR-100CR 中，探測器安裝在延長器上（有多種不同長度可供選擇），前置放大器則安裝在附帶的金屬盒中。它需要單獨的訊號處理器和電源供應器；建議使用 Amptek 的 PX5，它非常適合大多數實驗室用途。同樣的 Si-PIN 探測器也可採用較小的 X-123 封裝，或為 OEM 和客製化系統配備較小的前置放大器。

X-123 是一個完整的 X 射線探測器系統，裝在一個小金屬盒中，可以拿在手上。X-123 是 Amptek 公司 14 年 X 射線探測器開發的結晶。其設計理念一直是製造小型、低功耗、高性能的儀器，同時保持其操作簡單。X-123 就是這一理念的體現，它將 XR-100CR X 射線探測器及其電荷敏感前置放大器、帶脈衝整形器、MCA 和介面的 DP5 數位脈衝處理器以及 PC5 電源，統統整合於在一個封裝中。最後，只需一個 +5 V 直流輸入和一個 USB 或 RS-232 介面即可連接到電腦。

圖 1. 使用 6 mm2/500 µm 偵測器拍攝的 55Fe 光譜。

產品應用
- X 射線螢光 (XRF)
- RoHS/WEEE
- 可攜式儀器
- 核醫學
- 教學與研究
- 藝術與考古
- 穆斯堡爾譜學（Mössbauer spectroscopy）
- 太空與天文學
- 核電廠監測
- 有毒傾倒場監測
- PIXE
產品特點
- Si-PIN光電二極體
- 有 6、13 和 25 mm2 三種規格
- 雙級熱電致冷晶片
- 溫度監控器
- 鈹窗
- 多層準直器
- 密封封裝（TO-8）
- 檢測範圍廣
- 操作簡便

XR100

探測器類型	Si-PIN
探測器尺寸	6 mm² ( 准直至4.4 mm²) 13 mm² ( 准直至 11.1 mm²) 25 mm² ( 准直至21.5 mm²)
矽厚度	500 µm
准直器	多層
能量解析度@ 5.9 keV (⁵⁵Fe)	139 eV FWHM 至 230 eV FWHM，視探測器類型和整形時間常數而定
背景計數值	<5 x 10^-3/s, 2 keV to 150 keV ，用於 6 mm²/500 µm 探測器
探測器 Be 視窗厚度	1 mil (25 µm), 或0.5 mil (12.5 µm)
電荷靈敏前置放大器	Amptek 客製化設計，可透過高壓電連接重置
增益穩定性	<20 ppm/°C（典型值）
尺寸	3.00 x 1.75 x 1.13 in (7.6 x 4.4 x 2.9 cm)
重量	4.9 oz (139 g)
總功率	<1 Watt
保固	1 年
典型設備壽命	5 至 10 年，視使用方式而定
工作條件	-35 °C to +80 °C
儲存和運輸	長期存儲：10年以上保持環境乾燥典型存儲和運輸：-40 °C 至 +85 °C，10 至 90% 濕度，無冷凝
	TUV 認證證書編號：CU 72072412 02 經測試符合：UL 61010-1： 2004 R7 .05 CAN/CSA-C22.2 61010-1： 2004

輸入

前置放大器電源

±8 to 9 V @ 15 mA ，峰間雜訊不超過 50 mV

探測器電源

+180 V（電源應能夠產生 +100 至 200 V @ 1 μA）非常穩定，變化 <0.1%

致冷器電源

電流 = 最大 350 mA, 電壓 = 最大4 V，峰間雜訊 <100 mV

為 <100 mV 注： XR-100CR配有自己的溫度控制器 (Delta_T_max=85°C)

輸出

重置輸出波形	XR100CR 的輸出波動範圍為 +5 V 至 -5 V 重置週期因偵測器類型和計數率而異
前置放大器靈敏度	典型 1 mV/keV（可能因不同探測器而異）
前置放大器極性	正信號輸出（最大負載為 1 kohm）
前置放大器反饋	透過檢測器電容重置
溫度監控器靈敏度（二極體）	770 mV = -50 °C 對於 Amptek 電子設備，可透過軟體直接讀取 K 值

XR-100CR 連接器

前置放大器輸出

BNC 同軸連接器

電源和訊號

6 針 LEMO 連接器（零件編號 ERA.1S.306.CLL）

連接電纜

XR-100CR 至 PX5：6 針 LEMO連接器（零件編號 FFA.1S.306.CLAC57）至 6 針 LEMO連接器（5 英尺長）

XR-100CR 獨立操作：6 針 LEMO連接器（零件編號 FFA.1S.306.CLAC57）至 9 針 D連接器（5 英尺長）

6 針 LEMO 連接器針腳輸出

Pin 1	溫度監控二極體
Pin 2	+H.V. 偵測器偏壓，最大 +100 - 200 V
Pin 3	-9 V 前置放大器電源
Pin 4	+9 V 前置放大器電源
Pin 5	冷卻器功率返回
Pin 6	冷卻器功率0 至 +4 V @ 350 mA
外殼	接地和屏蔽

真空操作

XR-100CR 可在空氣或低至 10-8 Torr的真空中運作。在真空中操作 XR-100CR 有兩種方法：1）可將整個 XR-100CR 探測器和前置放大器盒置於腔體內。為了避免過熱和耗散 XR-100CR 運作所需的 1 Watt功率，應使用四個安裝孔為腔室壁提供良好的熱傳導。可選配 Conflat 上的 9DVF 型 9 針 D 真空饋入連接器，將 XR-100CR 與真空室外的 PX5 連接起來。 2) XR-100CR 可安裝在真空室外，透過標準 Conflat 壓縮 O 型環埠探測真空室內的 X 光。可選配 EXV9 型（9 吋）真空檢測器的延長器用於此應用。

X-123

能量解析度

139 至 260 eV FWHM @5.9 keV。取決於探測器、峰值時間和溫度。

能量範圍

對於 1.5 至 25 keV的 X 射線，效率大於 25%。可在此範圍之外使用，但效率較低。

最大計數率

取決於峰值時間。啟用堆積排除功能後，50% 死區時間的建議最大值如下所示 :

DP5峰值時間 (µs)	2.4	6.4	25.6
整形時間 (µs)	1.0	2.9	11.6
建議的最大速率	1.2 x 10⁵	4.6 x 10⁴	1.2 x 10⁴

探測器和前置放大器

探測器類型	Si-PIN（也可採用 SDD 或 CdTe 技術）
探測器區域	6 mm² to 25 mm²
探測器厚度	500 µm
Be 視窗厚度	1 mil (25 µm) or 0.5 mil (12.5 µm)
准直器	多層
熱電致冷器	雙極
前置放大器類型	Amptek 客製化設計，可透過高壓電連接重置

脈衝處理器

增益	粗增益和精細增益的組合產生總增益，可在 0.84 至 127.5 之間連續調節
粗調增益	可透過軟體從 1.12 到 102 以 16 個紀錄的步階選擇 : 1.12, 2.49, 3.78, 5.26, 6.56, 8.39, 10.10, 11.31, 14.56, 17.77, 22.42, 30.83, 38.18, 47.47, 66.26, 102.0
細調增益	軟體可調，0.75 至 1.25，10 位元解析度
滿刻度	1000 mV 輸入脈衝 @ x1 增益
增益穩定性	<20 ppm/°C（典型值）
脈衝形態	梯形
峰值時間	24 個軟體可選峰值時間，介於 0.8 至 102 μs 之間，近似對數間隔，對應於 0.4 至 45 μs 的半高斯整形時間
死區時間	總死區時間是峰值時間的1.05倍。沒有轉換時間。
快速通道脈衝對分辨時間	120 ns

MCA

通道數	軟體可調：8k、4k、2k、1k、0.5k 或 0.25k 通道
預設	時間、總數、ROI 計數、單個通道計數

通信

USB	2.0 全速 (12 Mbps)
串行	標準 RS-232，鮑率為 115.2k 或 57.6k
乙太網路	10base-T

電源

額定輸入	+5 VDC，500 mA（2.5 W）（典型值）。電流在很大程度上取決於探測器的 ΔT。 5 V 直流電壓下的電流範圍為 300 至 800 mA。提供交流電源轉接器。
輸入範圍	4 V 至 6 V（300 至 200 mA，最大 500 mA）
高壓電源	内建升壓器，可調至 400 V
冷卻器電源	Delta_Tmax = 85 °C 的閉迴路控制器

一般和環境

工作溫度	-30 °C to +80 °C
保固	1 年
典型設備壽命	5 至 10 年，視使用方式而定
儲存和運輸	長期存儲：10年以上保持環境乾燥
合規	符合 RoHS 規範
	TUV 認證證書編號：CU 72072412 02 經測試符合：UL 61010-1： 2004 R7 .05 CAN/CSA-C22.2 61010-1： 2004

連接器

USB

標準 USB Mini 插孔

RS232

標準 2.5 mm立體聲音頻插孔

Tip	Transmit	To PC Receive DB9 pin 2 (DB25 pin 3)
Ring	Receive	To PC Transmit DB9 pin 3 (DB25 pin 2)
Sleeve	Ground	To PC Ground DB9 pin 5 (DB25 pin 7)

乙太網路

標準乙太網路連接器（RJ-45）

電源

Hirose MQ172-3PA（55），配套插頭： MQ172-3SA-CV

輔助

2 x 8 16 針 2 mm 間距（Samtec 零件號碼 ASP-135096-01）。與電纜組件（Samtec P/N TCMD-08-S-XX.XX-01）。

上排奇數腳，下排偶數腳位。右上方腳 = 1，右下方腳 = 2。

Pin #	Name	Pin #	Name
1	SCA1	2	SCA2
3	SCA3	4	SCA4
5	SCA5	6	SCA6
7	SCA7	8	SCA8
9	AUX_IN_1	10	AUX_OUT_1
11	AUX_IN_2	12	AUX_OUT_2
13	IO2	14	IO3
15	GND	16	GND

介面軟體

DPPMCA	X-123 可由 Amptek DPPMCA 顯示和擷取軟體控制。該軟體可完全控制和配置 X-123，並下載和顯示資料。它支援感興趣區 (ROI)、校正、峰值搜尋等功能。 DPPMCA 軟體，包括與 XRF-FP X 射線定量分析軟體包的無縫介面。可在 Windows XP PRO SP3 或更高版本下運作。
SDK	X-123 隨附免費的軟體開發工具包 (SDK)。使用者可以使用該工具包輕鬆編寫自訂程式碼，控制 X-123 以實現自訂應用，或將其連接到更大的系統。提供 VB、VC++ 等語言的範例。
VB 演示軟體	VB 演示軟體可在個人電腦上執行，允許使用者設定 X-123 參數、啟動和停止資料收集以及保存資料檔案。軟體提供原始碼，用戶可自行修改。該軟體旨在作為一個範例，說明如何在不使用 SDK 的情況下，透過 USB、RS232 或乙太網路介面，使用最基本的呼叫方式手動控制 X-123。這主要是為非 Windows 平台編寫軟體時所需的範例。

准直器的使用
Amptek 的大多數探測器都包含內部准直器，以提高光譜品質。由於部分電荷收集，在探測器有效體積邊緣附近相互作用的 X 射線可能會產生小脈衝。這些脈衝會導致頻譜中的偽影，對於某些應用來說，這些偽影會掩蓋目標信號。內部准直器將 X 射線限制在有效體積內，從而產生乾淨的信號。根據探測器的類型，准直器可以提供以下效益 :

改善峰值背景比 (P/B)
消除邊緣效應
消除假峰

真空操作

X-123 可在空氣或低至 10-8 Torr的真空環境中運作。 X-123 可透過標準的 Conflat 壓縮 O 型環連接埠連接到真空室。可選的 EXV5（5 英吋）或 EXV9（9 英吋）真空偵測器延長器可用於此應用。

Amptek recently brought silicon wafer manufacturing in-house and improved the process. The result is a detector with lower noise, lower leakage current, better charge collection, and uniformity from detector to detector. This makes it the best performing Si-PIN detector available.

The Si-PIN is a high performance thermoelectrically cooled X-ray detector and can be combined with several preamplifier and digital pulse processor configurations. It is typically used in laboratory X-ray spectroscopy applications requiring moderate energy resolution and moderate count rates where cost is important. It is well suited to many XRF applications such as identifying metal alloys, verifying RoHS/WEEE compliance, and detecting lead in paint.

The energy resolution of the SiPIN ranges from 139 to 190 eV FWHM depending on the detector area. It is best at count rates below 30 kcps and is suited to X-rays between 1.5 and 30 keV. It uses a fully depleted 500 um Si-PIN photodiode, and is available with 1 or 0.5 mil Be windows.

In theXR-100CR the detector is mounted on an extender (several different lengths are available) with the preamplifier in the attached metal box. It requires a separate signal processor and power supplies; Amptek’s PX5 is recommended and is ideally suited for most laboratory uses. The same Si-PIN detectors are available in the smaller X-123 package or with smaller preamplifiers for OEMs and custom systems.

The X-123 is a complete X-Ray Detector System in one small box that fits in your hand. X-123 represents the culmination of 14 years of X-ray detector development at Amptek. Our philosophy has always been to create small, low power, high performance instruments while keeping them simple to operate. The X-123 exemplifies this philosophy by providing in a single package the XR-100CR X-Ray Detector and its Charge Sensitive Preamplifier; the DP5 Digital Pulse Processor with pulse shaper, MCA, and interface; and the PC5 Power Supply. All that is needed is a +5 V DC input and a USB or RS-232 connection to your computer.

Figure 1. 55Fe Spectrum taken with a 6 mm2/500 µm detector.

Applications
- X-Ray Fluorescence (XRF)
- RoHS/WEEE
- Portable Instruments
- OEM
- Nuclear Medicine
- Teaching and Research
- Art and Archaeology
- Process Control
- Mössbauer Spectrometers
- Space and Astronomy
- Environmental Monitoring
- Nuclear Plant Monitoring
- Toxic Dump Site Monitoring
- PIXE
Features
- Si-PIN Photodiode
- Available in 6, 13 and 25 mm2
- 2-Stage Thermoelectric Cooler
- Temperature Monitor
- Beryllium Window
- Multilayer Collimator
- Hermetic Package (TO-8)
- Wide Detection Range
- Easy to Operate

XR100

Detector Type	Si-PIN
Detector Sizes	6 mm2 (collimated to 4.4 mm2) 13 mm2 (collimated to 11.1 mm2) 25 mm2 (collimated to 21.5 mm2)
Silicon Thickness	500 µm
Collimator	Multilayer
Energy Resolution @ 5.9 keV (55Fe)	139 eV FWHM to 230 eV FWHM depending on detector type and shaping time constant.
Background Counts	<5 x 10-3/s, 2 keV to 150 keV for 6 mm2/500 µm detector
Detector Be Window Thickness	1 mil (25 µm), or 0.5 mil (12.5 µm)
Charge Sensitive Preamplifier	Amptek custom design with reset through the H.V. connection
Gain Stability	<20 ppm/°C (typical)
Case Size	3.00 x 1.75 x 1.13 in (7.6 x 4.4 x 2.9 cm)
Weight	4.9 ounces (139 g)
Total Power	<1 Watt
Warranty Period	1 Year
Typical Device Lifetime	5 to 10 years, depending on use
Operation conditions	-35 °C to +80 °C
Storage and Shipping	Long term storage: 10+ years in dry environment Typical Storage and Shipping: -40 °C to +85 °C, 10 to 90% humidity non condensing
	TUV Certification Certificate #: CU 72072412 01 Tested to: UL 61010-1: 2004 R7 .05 CAN/CSA-C22.2 61010-1: 2004

Inputs

Preamp Power	±8 to 9 V @ 15 mA with no more than 50 mV peak-to-peak noise
Detector Power	+180 V (power supply should be able to produce between +100 to 200 V @ 1 µA) very stable <0.1% variation
Cooler Power	Current = 350 mA maximum, voltage = 4 V maximum with <100 mV peak-to-peak noise Note: the XR-100CR includes its own closed loop temperature controller (Delta_Tmax=85°C)

Outputs

Reset Output Waveform	The output of the XR100CR swings from +5 V to -5 V. The reset period will vary with detector type and count rate.
Preamplifier Sensitivity	1 mV/keV typical (may vary for different detectors)
Preamplifier Polarity	Negative signal output (1 kohm maximum load)
Preamplifier Feedback	Reset through the detector capacitance
Temperature Monitor Sensitivity (Diode)	770 mV = -50 °C For Amptek electronics direct reading in K through software.

XR-100CR Connectors

Preamp Output	BNC coaxial connector
Power and Signal	6-Pin LEMO connector (Part# ERA.1S.306.CLL)
Interconnect Cable	XR-100CR to PX5: 6-Pin LEMO (Part# FFA.1S.306.CLAC57) to 6-Pin LEMO (5 ft length) XR-100CR stand-alone: 6-Pin LEMO (Part# FFA.1S.306.CLAC57) to 9-Pin D (5 ft length)

6-Pin LEMO Connector Pin Out

Pin 1	Temperature monitor diode
Pin 2	+H.V. Detector Bias, +100 – 200 V maximum
Pin 3	-9 V Preamp power
Pin 4	+9 V Preamp power
Pin 5	Cooler power return
Pin 6	Cooler power 0 to +4 V @ 350 mA
Case	Ground and shield

Vacuum Operation

The XR-100CR can be operated in air or in vacuum down to 10-8 Torr. There are two ways the XR-100CR can be operated in vacuum: 1) The entire XR-100CR detector and preamplifier box can be placed inside the chamber. In order to avoid overheating and dissipate the 1 Watt of power needed to operate the XR-100CR, good heat conduction to the chamber walls should be provided by using the four mounting holes. An optional Model 9DVF 9-Pin D vacuum feedthrough connector on a Conflat is available to connect the XR-100CR to the PX5 outside the vacuum chamber. 2) The XR-100CR can be located outside the vacuum chamber to detect X-Rays inside the chamber through a standard Conflat compression O-ring port. Optional Model EXV9 (9 inch) vacuum detector extender is available for this application. Click here for more information on vacuum applications and options.

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