Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Foton analizátorok és detektorok

Foton analizátorok és detektorok

Foton analizátorok

Szabatosan spektrométer névvel (régiesen: spektrofotométer) a foton analizátorokat és detektort (vagy detektorokat) együttesen tartalmazó optikai/optoelektronikai rendszereket illetjük. Egy spektrométer tehát általában egy mono- vagy polikromátorból és egy vagy több foton detektorból áll, amint azt az alábbiakban részletesen kifejtjük. Fontos megemlíteni, hogy az analizátorok és a detektorok közötti lényegi különbség az, hogy míg a spektrométerek analizátor része a fotonok energiájának (hullámhosszának, frekvenciájának) meghatározásáért, másképpen a fotonok energia szerinti „szétválogatásáért” felelősek, addig a detektorok a sugárzás intenzitását (a keresztmetszetükre időegységenként beérkező fotonok száma) mérik.

Az elmondottak miatt a foton analizátorok felépítése mindig az elektromágneses sugárzás hullámtermészetét használja ki. Egy vagy több ún, diszperzív optikai elem (korábban prizma, ma inkább optikai rács) segítségével a belépő sugárzást komponenseinek széttartó nyalábjaira bontják. A széttartó nyalábok miatt a komponensek szétválása, vagyis az optikai felbontóképesség annál jobb, minél nagyobb távolságban detektáljuk az egyes komponens nyalábokat (másképpen: a foton analizátorok felbontása annál jobb, minél nagyobb a „fókusztávolságuk” (ez utóbbi kifejezés valójában az elrendezés részét képező fókuszáló tükrök fókusztávolságára utal). Például az UV-Vis-NIR tartományban az 1-10 pm optikai felbontás eléréséhez jellemzően 500-1000 mm fókusztávolságra van szükség). Az alábbi tárgyalás során az egyes optikai elemek (pl. tükrök, rácsok, prizmák, stb.) működésének részleteire nem térünk ki, mert az optikai alapjelenségek előzetes ismeretét feltételezzük. Annyit érdemes megemlíteni, hogy az optikai rácsok esetében elsősorban a reflexiós rácsok váltak be, amelyek felületét 300 nm feletti hullámhosszakra főként vékony ezüst vagy arany, 100 nm felett főként alumínium bevonattal látják el a nagy reflexió érdekében, azonban mivel ennél rövidebb hullámhosszak (pl. röntgen sugárzás) esetén a fémek reflexiója igen kicsi, ezért ilyenkor üveg vagy kvarc anyag használatos. A rácsokkal elérhető diszperzió mértéke (ami a felbontást is befolyásolja) a rácsállandótól függ; ennek tipikus értéke 300-3600 mm-1.

Monokromátorok

A monokromátorok, amint azt nevük is jelzi, olyan, általában hangolható optikai eszközök, amelyek a belépő, összetett, szélessávú elektromágneses sugárzást „monokromatizálják”, vagyis abból beállításuknak megfelelően egy adott, keskeny sávszélességű (utópisztikusan egyetlen frekvenciájú, vagyis „egyszínű”) sugárzás-komponenst választanak ki. A monokromátorok (vagy a következő alfejezetben ismertetett polikromátorok) a spektrométerek elengedhetetlen kellékei, legyen szó akár a fotonok detektálásáról, akár a fotonokkal történő gerjesztésről, hiszen a szelektivitás ezek használata révén valósul meg. Az előbbi esetben a fotondetektor elé, míg az utóbbi esetben a sugárforrás után helyezzük el őket. Sokféle monokromátor elrendezés létezik, azonban ezek közös eleme, hogy az anyagok optikai tulajdonságainak (pl. diszperzió, reflexió, diffrakció, stb.) hullámhossz-függését használják ki. A szélessávú sugárzás mindig egy belépő résen keresztül érkezik a monokromátorba és a kilépő résen át távozik. A belépő rés feladata a belépő fénynyaláb irányát meghatározni és intenzitását korlátozni, a kilépő rés feladata a hullámhossz szerint felbontott sugárzásból a „megtartandó” keskeny sávszélességű tartományt kiválasztani. Ebből következik, hogy a monokromátor felbontásának növeléséhez a rések szélességének csökkentése szükséges, illetve hogy a monokromátor hangolásához általában a kilépő rést kell mozgatni. A valóságban a rés mechanikai mozgatása nehezebb, mint a diszperzív elemet (pl. prizma, rács) elforgatni, ezért inkább az utóbbi megoldást alkalmazzák. A két rés mérete általában egyforma. Alakjuk lehet kör keresztmetszetű is, azonban a leggyakrabban téglalap alakú réseket használnak két fő okból: a.) a szélességnél nagyobb magasság több fény átjutását (nagyobb transzmissziót) biztosítja, b.) ez általában jobban illeszkedik a detektorok érzékelő felületének alakjához. Az UV-Vis-NIR tartományban a kiváló, pl. 1-10 pm optikai felbontás eléréséhez a fókusztávolságtól függően kb. 5-50 μm szélességű rés(ek)re van szükség. A monokromátorok hangolhatósága és szükségszerűen precíziós optikai és mechanikai kivitelezése miatt ideális esetben stabil, rezgésmentes környezetben, készülékházban kerülnek elhelyezésre. Az alábbiakban két elterjedt monokromátor elrendezés ismertetésére kerül sor.

Síkrácsos, Czerny-Turner elrendezésű monokromátor

Ma az egyik leggyakrabban alkalmazott monokromátor típus az úgynevezett Czerny-Turner elrendezésű, síkrácsos típus. Az ábrán látható elrendezésben az egyik konkáv (szférikus) tükör a belépőrésen át beérkező, széttartó sugárnyaláb kollimációjának feladatát, míg a másik a reflektív síkrácsot elhagyó sugárnyaláb kilépő résre való fókuszálásának feladatát látja el. A monokromátoron átjutó hullámhosszúságú sugárzás-komponenst a síkrácsnak az ábra síkjára merőleges tengely mentén való elforgatással lehet beállítani, amit egy finom beosztású (nagy áttételű) léptetőmotoros megoldással szoktak megvalósítani. Érdekesség, hogy ez az elrendezés igen hasonló a korábbi Fastie-Ebert (1952) elrendezéshez, ahol nem két, hanem egyetlen nagyméretű szférikus tükör látta el ezeket a feladatokat: Czerny és Turner javaslata (1930) nyomán mindössze ezt a nagyméretű, költséges, és kis kihasználtságú tükröt cserélték ki két kisebb, ezáltal olcsóbb és külön beállítható tükörre.

Egy Czerny-Turner típusú monokromátor felépítése

Konkáv rácsos, Rowland elrendezésű monokromátor

Amint az fentebb láttuk, síkrácsos elrendezésnél a belépő rés fényét egy homorú tükörrel vetítik a rácsra, vagyis külső optikai elemre van szükség. Elegánsabb megoldás, és a rövid hullámhossz-tartományokban (pl. röntgen), ahol a fémtükrök reflexiója igen kicsi, praktikusabb is a síkrács helyett konkáv rácsot alkalmazni; ez egyetlen optikai elemként mind a diszperziós, mind a fókuszáló funkciót megvalósítja. Az első jó minőségű, reflektív homorú rácsokat Rowland készítette, aki spektrométer kialakítására is használta azokat (1882). Ezek kialakítását, amelyet a feltalálóról ma Rowland elrendezésű (hajlított vagy konkáv rácsos) spektrométernek nevezünk, az alábbi ábra mutatja. A szférikus rács (gömbsüveg-szelet) görbült felülete által kijelölt, a rácsfelület görbületi sugarának megfelelő kör (Rowland kör) mentén helyezkedik el mind a belépő, mind a kilépő rés. Ennél a monokromátornál is vagy a kilépő rés mozgatásával vagy a rács mozgatásával/forgatásával választhatjuk ki a kívánt hullámhosszúságot. Az elrendezés hátránya, hogy a rés alakja optimálisan ívelt kell legyen, ráadásul az ív méretezése a hullámhossztól is függ.

Egy Rowland elrendezésű monokromátor felépítése

Polikromátorok

Polikromátoroknak, vagy hagyományosan spektrográfoknak nevezzük azokat az optikai elrendezéseket, amelyek feladata nem egy, hanem egyszerre több hullámhosszúságú komponens kiválasztása és ezen komponenseknek különálló detektorokba való eljuttatása. Értelemszerűen ezek az elrendezések több, rögzített kilépő réssel ellátottak, vagy újabban esetleg nincs is kilépő résük – amennyiben az alkalmazott detektor „többcsatornás” (pl. fotodiódasor, CCD, stb. lásd alább). A polikromátorok felépítésükből, működési elvükből adódóan nem hangolhatóak (legalábbis részleges átépítésük nélkül nem), hanem mindig adott számú és adott hullámhosszúságú „csatornát” tartalmaznak. Három fontosabb polikromátor típust érdemes megismerni.

Detektor sort alkalmazó polikromátor

A legegyszerűbb polikromátor elrendezést az az eset képviseli, amikor egy monokromátor (pl. Czerny-Turner monkromátor) kilépő résének síkjában lineáris elrendezésű detektor sort (diszkrét, félvezető alapú, miniatür detektorokat szorosan egymás mellé) helyezünk el. Ebben a konstrukcióban nincs kilépő rés, és annak mozgatása sem szükséges, mert az egyes „detektor pixelek” diszkrét jellegükből adódóan megvalósítják a rés funkcióját: mindegyik csak a rá eső keskeny hullámhossz-tartományt detektálja. Az egyes diszkrét detektoroknak azért kell egymáshoz szorosan elhelyezkednie, hogy mindegyik minél keskenyebb hullámhossz-tartományt detektálhasson (minél jobb legyen az optikai felbontás). A mai gyakorlatban 256-4096 elemű detektor sort (pl. fotodiódasor, lineáris CCD, lásd alább) alkalmaznak, amelyekben az egyes „detektor pixelek” kb. 10-20 μm szélesek. Ezek segítéségével ez az egyszerű elrendezéssel az UV-Vis-NIR tartományban már kb. 10 cm fókuszhosszúság esetén is elérhető akár a 0,05 nm felbontás, 100 nm vagy annál szélesebb tartományban.

A Paschen-Runge elrendezés

A konkáv rácsos, Rowland típusú monokromátorok is viszonylag könnyen átalakíthatók polikromátorrá; ehhez mindössze a Rowland kör mentén több kilépő rést kell kiszámított pozíciókban elhelyezni. Ezt nevezzük Paschen-Runge elrendezésnek. Mivel a kilépő rések mögött detektorok foglalnak helyet, ezért a gyakorlatban a nagyfelbontású (pl. 750-1000 mm-es átmérőjű) ilyen polikromátorokban is tipikusan csak 20-30 diszkrét mérési hullámhossz valósítható meg, amelyek rögzítettek, csak a polikromátor átépítésével változtathatók meg. Korábban, a fotolemezes spektrumrögzítés (klasszikus spektrográfok) idejében léteztek olyan változatai is ennek az elrendezésnek, amikor a rugalmas anyagra felvitt fotolemezt a Rowland kör mentén húzódó váz megfelelő részére ívelten rögzítették; ezzel a megoldással nemcsak diszkrét hullámhosszakon lehetett mérni, hanem a spektrum egy részét folytonosan is fel lehetett venni. Mivel a mai félvezető alapú fotodetektor sorok szinte mindig merev, sík hordozójúak, ezért ezekkel a fotolemezes megoldás nem valósítható meg könnyen, így ha ilyeneket alkalmaznak, akkor azokkal csak egy szűk spektrumtartományt rögzítenek. A Paschen-Runge elrendezés ma is gyakran alkalmazott a célműszerekben, pl. ipari minőségellenőrző laborokban használt spektrométerekben.

Az Echelle elrendezés

A fent leírt mono- és polikromátorokat, amennyiben azok rácsokat alkalmaznak, tipikusan a rácsegyenlet által meghatározott egyetlen színképrenden belüli működésre tervezik. Ennek a logikus megoldásnak az a hátránya, hogy nagy optikai felbontású mono- vagy polikromátor készítéséhez elég nagy fókuszhosszúságú (nagy méretű) optikai elrendezést kell építeni és az csak viszonylag szűk spektrumtartományt lesz képes átfogni. Ez igen jelentős hátrány az olyan spektrometriai alkalmazások esetében, amelyek egyszerre igénylik a nagy felbontást és a széles spektrumtartomány rögzítését (pl. csillagászat, atomspektrometria, lézerspektrometriai módszerek). Ennek a hátránynak a leküzdésére kifejlesztett és ma ezeken a területeken széles körben alkalmazott optikai elrendezés az ún. Echelle-rácsos spektrográf, amely két, egymáshoz képest 90 fokban elforgatott diszperzív elemet alkalmaz; egy kisfelbontású (ún. Echelle) optikai rácsot és egy nagyfelbontású rácsot (esetleg prizmát). Az elrendezés az előbbi rácsról kapta a nevét. A részletek ismertetésétől itt eltekintve az elrendezés működési koncepciója röviden az, hogy az első diszperzív elem által felbontott (legyezőszerűen szétterülő) spektrumot a második diszperzív elem még tovább bontja (magasabb rendben), de mivel az 90 fokos szögben el van forgatva, így az eredmény egy kétdimenziós területre vetülő, nagyfelbontású spektrum lesz. Az elrendezés által produkált „spektrumkép” (ún. echelogram) kétdimenziós jellege jól illeszkedik a mai félvezető képalkotó eszközökhöz (pl. CCD, CID, CMOS detektorok). A kétdimenziós detektormátrix minden egyes pixele a spektrum egy adott hullámhosszúságú komponensének diszkrét detektoraként működik: alkalmas kialakítás esetén minden egymás alatti pixelsor a rács rendjeinek felel meg, és a spektrum egy folytatólagos nagyfelbontású szakaszát rögzítik. Egy echelle spektrográf jellemzően 200-300 sorba (rendbe) szervezve rögzíti a spektrumot, így megvalósítható például a teljes UV-Vis-NIR spektrumtartomány rögzítése is 0,01 nm vagy akár még jobb felbontással.

Egy Echelle spektrográf tipikus felépítése

Foton detektorok

Minden spektrométer egyik központi eleme a fotonok detektálására (kvantitatív meghatározást feltételezve szabatosabban: számlálására) szolgáló egység. A fotonok energiájától, a fotonnyaláb fluxusától és a spektrométer kialakításától függően ennek a feladatnak az elvégzésére igen sokféle konstrukciót kidolgoztak már. Ezek közül az alábbiakban néhány gyakoribb típust ismertetünk, mégpedig a detektált fotonenergia növekedésének sorrendjében. Amint az várható és azt látni is fogjuk, a fotonok és a később ismertetendő, más részecskék detektálására/számlálására szolgáló fizikai eszközök működési elve között igen sok hasonlóság van. A mérés termikus zajszintjének csökkentése érdekében a foton detektorokat gyakran erősen hűtik, akár kriogenikus hőmérsékletre is, leggyakrabban a Peltier (termoelektromos) hatáson alapuló eszközökkel.

A fotoelektron-sokszorozó

A fotoelektron-sokszorozó (más elnevezései: photomultiplier, szekunder-elektronsokszorozó, PMT) működése a fotoelektromos hatáson alakul. A PMT eszközök üvegbúrája alatt vákuum van és a frontoldalán belépő fotonok egy fotonérzékeny felületre, a fotokatódra esnek. A fotokatód (bevonata) kis kilépési munkájú, elektromosan vezető anyagból (tipikusan alkálifémek, alkáliföldfémek) készül, amelyekből már kis energiájú fotonok (nagy hullámhosszúságú sugárzás) beesése hatására is elektronok lépnek ki. A fotokatód tehát a fotonokat elektronokra „konvertálja”, amelyek töltéssel rendelkezvén már jól gyorsíthatók elektromos erőtérben. A kilépő elektronokat egy különleges bevonattal ellátott elektród sorozat (dinódasor) várja, amely tagjai egyre nagyobb pozitív potenciálon vannak tartva (pl. az egymást követő dinódák között pl. 70-500 V a feszültség). Két egymást követő dinóda között az elektromos erőtér felgyorsítja az elektronokat, amelyek a dinódák felületébe csapódva szekunder elektronokat váltanak ki, mégpedig az elektronok energiájától, a beesés szögétől, a dinóda bevonat anyagának minőségétől függően egy elektron több (Ag-O-Cs összetételű bevonatnál akár 10-12 darab) újabb elektron kilépését váltja ki. Ez az elektronáramnak dinódánként közel egy nagyságrenddel való erősödéséhez vezet. Az utolsó dinódán (anód) áthaladó, felerősített áramjelet egy terhelő ellenálláson feszültséggé alakítják. A PMT eszközök a kb. 200-1200 nm hullámhossz-tartományban működőképesek, erősítésük igen nagymértékű, eléri 106-108 értéket és az a dinódákra kapcsolt feszültséggel könnyen szabályozható. A PMT detektorok érzékeny, robusztus, igen gyors (ns tartományú felfutás) és széles lineáris dinamikus tartományú (akár 5-6 nagyságrend) eszközök, ezért a mai napig nagy népszerűségnek örvendenek a spektrometriában. Hátrányuk az alkalmazott nagyfeszültség miatt sötétáram jelentős volta, aminek csökkentésére hűtést és lehetőség szerint ún. „solar blind” (csak UV fotonokra érzékeny) fotokatódot alkalmaznak. Az alábbi ábrák a PMT detektor vázlatos oldalnézeti rajzát és felülnézeti elrendezését (mely a valódi kialakítást jobban tükrözi) is bemutatják..

A foto-elektronsokszorozó (PMT) detektor oldalnézeti (bal oldalon) és felülnézeti (jobb oldal) koncepcionális felépítése

A fotodióda

A félvezető fotodiódák mikroelektronikai eszközök. Ma a legegyszerűbb és legelterjedtebb fotodetektoroknak számítanak. Működésük a félvezetők p-n átmeneti rétegében a beeső fotonok hatására keletkező töltéshordozók (lyuk-elektron párok) okozta áramimpulzusok mérésén alapul. A félvezető sávszerkezete határozza meg, hogy milyen hullámhossz-tartományban használható egy adott anyagú fotodióda. A Si esetében a működési tartomány kb. 200-1100 nm, az érzékenység az UV tartományban azonban csak negyede-ötöde a 800 nm környékén mérhető maximumnak (pl. az IR tartományban InGaAs összetételű félvezető alkalmazható).

Egy fotodióda vázlatos felépítése

A fotodiódák jelének kiolvasása kétféle módon történhet. A legtöbb méréstechnikai alkalmazásban valamint a nagysebességű alkalmazásokban (pl. ultragyors lézerspektrometria) az ún. fotokonduktív üzemmódot alkalmazzák, amelyben a diódát záróirányban előfeszítik (vagyis kapcsaira a p és n rétegek jellemével ellentétes polaritású feszültséget kapcsolnak). Ilyen körülmények között megvilágítás hiányában a dióda nem vezet, a beérkező fotonok keltette áramlökések jól mérhetők. Ennek az üzemmódnak az az előnye, hogy a mért jel linearisan nő a megvilágítással és igen gyors felfutású, hátránya viszont a sötétáram megnövekedett értéke és a kis érzékenység. A másik kiolvasási üzemmód a fotovoltaikus, amikor nem alkalmaznak külső feszültségforrást, hanem a dióda kapcsain megjelenő feszültséget mérik (itt jegyezzük meg, hogy ez lényegében megfelel a napelemek működési elvének is). Ez az üzemmód nagy érzékenységű, a háttérjel nagyon kicsi, de a mérhető jel lassú (a dióda kapacitása korlátozza) és linearitása csak szűk tartományban teljesül, ezért lassan változó és alacsony fényintenzitások mérése alkalmas. Érdemes megemlíteni, hogy léteznek speciális fotodióda konstrukciók is, amelyek a jelerősítésre (lavina vagy avalanche fotodióda, APD) és a sebességre (p-i-n rétegrendű fotodióda, PIN) optimált kialakításúak. A fotodiódákat nem csak önálló egységként, hanem lineáris mátrixba (sorokba) rendezve is gyártják és alkalmazzák. ....

Töltéscsatolt eszközök

A töltéscsatolt detektorok (charge coupled detector, CCD) az elmúlt kb. két évtizedben forradalmasították a spektroszkópiai eszközöket. A CCD detektorok mindig lineáris detektor sor vagy kétdimenziós detektor mátrix formájában készülnek; igen sok mai digitális fényképezőgépnek és videokamerának is CCD detektormátrix a képalkotó érzékelője. A CCD detektorok működése a fotodiódák működéséhez hasonló, azzal a különbséggel, hogy kialakításuk miatt képesek a keletkező töltéshordozók tárolására is, ami lehetővé teszi az expozícós idő elektronikus szabályzását és az egyes töltéshordozók kvantitatív „megszámolását” is. Minden CCD pixel valójában egy kondenzátorhoz hasonló fémoxid típusú félvezető struktúra (metal-oxide semiconductor gate, MOS kapu), amelynek dimenziói néhány tíz nanométert tesznek ki. Ennek, az ábrán is látható MOS struktúrának az a feladata, hogy a fotoérzékeny régió alatt egy „potenciál gödröt” hozzon létre, a keletkező töltéshordozók csapdázására. A pixelek kiolvasása egy a kapu elektródra adott, potenciál hullám alkalmazásán alapul (a szomszédos pixelek elektródjára adott magasabb pozitív potenciál vonzó hatása az elektronokat átmozgatja abba a pixelbe, majd a nagyobb potenciál további pixelekre léptetésével az elektronok a sor vagy oszlop szélére léptethetők ki, ahol azok számát az áramimpulzus mérésével megállapítja egy elektronika). Ez a folyamat időt igényel, mégpedig egy léptetés tipikusan m s nagyságrendű időt, vagyis egyetlen pl. 1 megapixeles (1024 x 1024 pixeles) kép kiolvasása nagyságrendileg 1 másodpercbe telik. A CCD detektorok érzékenysége (kvantumhatékonysága) nem kimagaslóan jó, mivel a fotonoknak keresztül kell haladniuk a kapuelektródon. Ez különösen az UV tartományban, ahol a Si anyagú fotodiódák érzékenysége egyébként is rossz, jelent komoly hátrányt. Ezt ma a korszerű CCD chipekben úgy orvosolják, hogy a szubsztrátot elvékonyítják és a fényt hátulról, a szubsztráton keresztül engedik a fotoérzékeny régióra. Ezáltal elérhető, hogy a kvantumhasznosítási tényező értéke elérje a 70%-ot a látható és 20-30%-ot az UV tartományban. A CCD detektorok sebessége közepes; az elérhető leggyorsabb expozíciós (integrációs) idők a 10 µs - 1 ms tartományba esnek. Hosszú integrációs idők esetén kiváló jel/zaj viszonyú detektálás érhető el segítségükkel.

Egy töltéscsatolt foton detektor (CCD) felépítésének és működésének vázlata

A proporcionális számláló

A röntgen és gamma sugárzás ionizáló karakterét használja ki a proporcionális számláló működése. A proporcionális számláló lényegében egy argongázzal megtöltött (vagy azzal folyamatosan átöblített), a sugárzás számára átlátszó vékony filmablakkal (pl. a 0,1-10 μm vastag berillium, Si3N4 vagy alumínium réteggel bevont Mylar film) ellátott cella. A cella elektromosan földelt, középvonalában egy kb. 1 kV pozitív potenciálon tartott volfrám tűelektródot tartalmaz. A belépő sugárzás az argon atomok ionizációját okozza. A folyamat során elektronok („fotoelektronok”) képződnek, amelyeket a nagy pozitív potenciálú tű elektród vonzani fog, miáltal útjuk során ütközések révén még több argon atom lavinaszerű ionizációját okozzák. Végeredményben az anódba csapódó elektronok száma arányos (proporcionális) lesz a beérkező sugárzás intenzitásával. Itt érdemes megjegyezni, hogy a kapott jel nagyságát a tűelektród potenciáljának kis értékei esetén a beérkező fotonok energiája is jelentősen befolyásolná, kV nagyságrendű potenciál esetén a jel már az intenzitással lesz arányos. Az áramimpulzusokat (vagy terhelő ellenállással feszültség impulzusokat) elektronika számlálja meg. Az impulzusok pontos megszámlálása akkor lehetséges, ha azok nem érkeznek túl gyorsan egymás után (vagyis az érkező intenzitás, másképpen másodpercenként becsapódó fotonok száma nem halad meg egy küszöbértéket), hiszen az elektronikának fel kell dolgoznia az impulzusokat. Ez kb. 200-300 ns időt vesz igénybe, ezért ezek a detektorok tipikusan kb. 106/s intenzitást (becsapódásszámot) képesek kezelni.

A szcintillációs detektor

Nagy energiájú, kb. 0,2 nm alatti hullámhosszúságú röntgen (vagy gamma) sugárzás a proporcionális számláló argongáz töltetében nem nyelődik el hatékonyan, ezért ebben a tartományban más detektálási megoldás, az ún. szcintillációs detektor használatos a sugárzás intenzitásának mérésére. Ez lényegében egy fotoelektron-sokszorozó, amely fotokatódja elé egy speciális egykristályt helyeznek, amelynek feladata a nagyenergiájú fotonokat kisebb energiájú fotonokká konvertálni; ezeket a fotonokat a fotoelektron-sokszorozó a már korábban leírt, szokott módon detektálja. A szcintillációs számlálókban leggyakrabb alkalmazott konverziós kristály a tallium szennyezéssel „aktivált” NaI, amely 410 nm hullámhosszon emittál. A keletkező áram (vagy feszültség) impulzusok számlálása a proprocionális számlálóhoz hasonlóan történik, ezért a detektálási sebessége is hasonló (kb. 106/s maximális intenzitás mérhető).

A félvezető kristály detektor

A nagyenergiájú fotonok detektálásának egy másik, a félvezető fotodiódáéhoz hasonló útját követi a félvezető kristálydetektorok működése. Ezekben a detektorokban egy kisméretű és vékony (30-80 mm2 felület, 3-5 mm vastagság) félvezető egykristályt (pl. lítiummal adalékolt Si, vagy nagytisztaságú Ge) alacsony hőmérsékletre hűtve tartanak (komoly röntgen spektrométerekben ez a hőmérséklet a cseppfolyós nitrogén hőmérséklete, vagyis kb. -196°C). Ezen kristályok tiltott sávszélessége alacsony, kb. 4 eV, de az igen alacsony hőmérséklet miatt minden elektron a vegyértéksávban fog tartózkodni, vagyis a kristály igen jó elektromos szigetelő. A kristály első- és hátsó oldalára vékony elektródokat helyeznek el; az első elektródra, amelyen keresztül a nagy energiájú fotonok belépnek a kristályba nagy negatív potenciálon (pl. -500 V) tartják, a hátsó elektród pedig a kiolvasó áramimpulzus-mérő térvezérlésű tranzisztoros (FET) elektronikához van kapcsolva (az elektronikát a kiszajú működés érdekében szintén alacsony hőmérsékleten tartják). A beérkező foton abszorpciója  a kristályban lyuk-elektron pár generálását idézi elő. A pozitív töltéshordozók (lyuk) az első elektród vonzása miatt arrafelé távoznak, míg az elektronok a hátsó elektród felé haladnak, ahol az elektronika által megszámlálható áramlökéseket idéznek elő. Egy ilyen töltéshordozó pár generálása a tiltott sáv szélességének megfelelő energiát igényel, vagyis a beérkező röntgen foton energiája annyi elektront generál, ahányszorosa ennek a fotonenergia (pl. egy 6,4 keV energiájú foton egy Si kristályban, amely tiltott sávjának szélessége 3,85 eV, 1662 elektront fog generálni). Ezeket a félvezető detektorokat leggyakrabban az ún. energiadiszperzív röntgen fluoreszcencia spektrométerekben (EDXRF) alkalmazzák, ahol a feladatuk a röntgen sugárzás intenzitásának (időegység alatt beérkező fotonok száma) és energiájának (a beérkező fotonok energiájának) együttes megmérése, ezért bonyolult, memóriával ellátott jelfeldolgozó elektronika kapcsolódik hozzájuk, amelynek összetett működése azt eredményezi, hogy csak viszonylag kis intenzitások (pl. 40000/s) mérhetők és az energia szerinti felbontás sem kimagaslóan nagy (kb. 20 eV).

Egy félvezető kristály detektor felépítése

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Ismertesse egy síkrácsos, Czerny-Turner rendszerű monokromátor felépítését!

  2. Hogyan működik és milyen jellemzőkkel bír a fotoelektron-sokszorozó?

  3. Hogyan épülnek fel és működnek a töltéscsatolt eszközök?

  4. Ismertesse a proporcionális számláló működési elvét!

  5. Mit nevezünk foton detektornak, illetve analizátornak?