XR-100探頭組件示意圖
XR-100CR系列產(chǎn)品由高性能X射線探頭，前置放大器（前放）和致冷系統(tǒng)組成，首次采用熱電致冷技術保持硅PIN光電二極管的低溫工作環(huán)境，另外在兩級熱電致冷器上還安裝了輸入場效應管(FET)和新型溫度反饋控制電路，這樣探頭組件的溫度可保持在約零下55攝氏度左右，并可通過組件內(nèi)置的溫度傳感器顯示實時溫度。探頭采用TO-8封裝，并利用不透光和不透氣（真空封裝適用）的薄鈹(Be)窗以實現(xiàn)封裝后的軟X射線探測。

XR-100CR系列產(chǎn)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(chǎn)技術上的一個突破。

產(chǎn)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(chǎn)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；
XRF設備由此開始 ... ... 圖1. 6mm2/500μm尺寸硅PIN探測器測得的55Fe能譜 利用硅PIN探測器測量55Fe（5.9keV的峰）能譜時的能量分辨率為145eV到230eV不等（半高全寬，F(xiàn)WHM），具體分辨率和探測器類型以及成形時間（shaping time）常數(shù)有關，詳情可參見選購指南。

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(chǎn)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(chǎn)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型探測器中首次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(xiàn)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(chǎn)品應用一種新穎的反饋控制方法來實現(xiàn)電荷敏感前置放大器的自復位。沒有繼續(xù)采用傳統(tǒng)產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)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。

長時間倉儲：干燥條件下存放十年以上
一般倉儲/物流：-20到+50oC，10%到90%濕度（無冷凝器）
最大電壓4V，噪聲峰峰值小于100mV，最大電流350mA
注意：XR-100CR探測器自身包含溫度控制器
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。
1. 其他厚度的Be窗可特別訂購（0.3mil到7.5um）；
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(shù)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(shù)字脈沖處理器和電源模塊 XR-100CR系列產(chǎn)品的電源由PX5(數(shù)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(shù)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4. 采用XR100CR和PX5搭建的典型系統(tǒng)的框圖。 AMPTEK公司能提供不同的探測器和前置放大器配置以滿足不同需要，其對應的針腳輸出和電壓類型不一樣。

為提高能譜測量的質量，絕大部分Amptek生產(chǎn)的探測器都帶有內(nèi)部準直器。
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(chǎn)生一些小脈沖信號，進而影響測得的能譜數(shù)據(jù)。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(nèi)部準直器則可以限制X射線只能打到有效面元內(nèi)，這就避免了噪聲信號的產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(jù)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。



圖8（線性坐標）. XR-100CR型探測器的對應完全能量沉積的內(nèi)稟探測效率。 該效率對應X射線能進入該探測器前端并通過光電效應沉積所有能量到探測器上的概率。
圖9（對數(shù)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。 光電效應在低能段主導，而該效應對應了能量的完全沉積，但在超過40keV后，康普頓（Compton）散射效應逐漸顯著，不是所有能量均沉積在探測器上。
上面兩圖同時考慮了鈹窗（包括保護層）對X射線透過率的影響以及光子與硅探測器之間的相互作用。曲線的低能部分由鈹窗的厚度決定，而高能部分則取決于硅探測器的有效探測厚度。選用特定的鈹窗，可使90%的能量為2到3keV的入射光子到達探測器；選用特定的探測器，可接收到90%的9到12keV 的光子。

傳輸效率文件：包含傳輸效率方面系數(shù)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(jù)。

得益于該系列產(chǎn)品的獨特設計和可靠性，XR-100在探路者計劃中被選中，用于巖石和土壤成分分析。


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

完整的X射線熒光譜儀系統(tǒng)包括： 1. XR-100CR型X射線探測器；
2. PX5型數(shù)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。