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(shù)保持硅PIN光電二極管的低溫工作環(huán)境，另外在兩級(jí)熱電致冷器上還安裝了輸入場(chǎng)效應(yīng)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(guò)組件內(nèi)置的溫度傳感器顯示實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)封裝后的軟X射線探測(cè)。

XR-100CR系列產(chǎn)品無(wú)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(biāo)志著X射線探測(cè)器生產(chǎn)技術(shù)上的一個(gè)突破。

產(chǎn)品特性：
1.硅PIN光電二極管探頭；
2.兩級(jí)熱電致冷器；
3.探頭溫度實(shí)時(shí)顯示；
4.鈹（Be）窗；
5.多層準(zhǔn)直器；
6.密封封裝（TO-8）；
7.檢測(cè)范圍寬，適于多種應(yīng)用；
8.操作簡(jiǎn)單，易上手。

應(yīng)用范圍：
1. X射線熒光分析；
2. RoHS/WEE標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)；
3.便攜式設(shè)備；
4. OEM應(yīng)用；
5.核醫(yī)療學(xué)；
6.高校和科研院所教學(xué)研究；
7.藝術(shù)和考古學(xué)；
8.生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控；
9.穆斯堡爾譜儀；
10.航空及宇航應(yīng)用；
11.核電站輻射監(jiān)控；
12.有毒物垃圾場(chǎng)檢測(cè)；
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(tái)
2.真空應(yīng)用相關(guān)配件；
3.準(zhǔn)直套裝（高通量應(yīng)用）；
4.實(shí)驗(yàn)室XRF開(kāi)發(fā)套裝；
XRF設(shè)備由此開(kāi)始 ... ... 圖1. 6mm2/500μm尺寸硅PIN探測(cè)器測(cè)得的55Fe能譜 利用硅PIN探測(cè)器測(cè)量55Fe（5.9keV的峰）能譜時(shí)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(cè)器類(lèi)型以及成形時(shí)間（shaping time）常數(shù)有關(guān)，詳情可參見(jiàn)選購(gòu)指南。

入射的X射線會(huì)和硅原子相互作用，X射線能量每損失3.62eV就會(huì)在硅晶體產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。隨著入射能量的不同，能量損失或以光電效應(yīng)為主，或以康普頓散射(Compton scattering)為主。而探測(cè)器吸收X射線能量并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的幾率（即探測(cè)效率）隨著硅的厚度增大而變大。

為提高電子-空穴隊(duì)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(shí)，該偏壓對(duì)半導(dǎo)體而言過(guò)高，很可能漏電甚至擊穿硅晶體。但在XR-100CR型探測(cè)器中首次應(yīng)用了熱電制冷技術(shù)，保證探頭在低溫下工作，這樣漏電流大大減少，從而可以實(shí)現(xiàn)在高偏壓下的正常工作。另外高偏壓還能降低探測(cè)器的電容，進(jìn)而降低系統(tǒng)噪聲。

熱電制冷器同時(shí)對(duì)硅探測(cè)器以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管（為電荷敏感前置放大器提供輸入）進(jìn)行冷卻。對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的冷卻能減少它的漏電流，同時(shí)能增加跨導(dǎo)（transconductance），二者都能減少系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲。

實(shí)際上光電二極管探測(cè)器無(wú)法直接光學(xué)自復(fù)位，因此XR-100CR系列產(chǎn)品應(yīng)用一種新穎的反饋控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷敏感前置放大器的自復(fù)位。沒(méi)有繼續(xù)采用傳統(tǒng)產(chǎn)品中的復(fù)位晶體管，而是通過(guò)發(fā)射一個(gè)精確的電荷脈沖到場(chǎng)效應(yīng)管中來(lái)實(shí)現(xiàn)自復(fù)位，其中利用了到探測(cè)器的高壓連接和探測(cè)器電容。該方法避免了自復(fù)位晶體管的噪聲問(wèn)題，系統(tǒng)的能量分辨率進(jìn)一步提高。

利用熱電制冷的探測(cè)器內(nèi)部元件的溫度會(huì)隨著室溫的變化而改變，故為即時(shí)監(jiān)控這些元件的溫度，在硅基底上還安裝了一個(gè)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(huì)有明顯變化，故在通常室溫條件下使用時(shí)無(wú)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(shè)備應(yīng)用中則強(qiáng)烈推薦使用溫度反饋控制電路。主動(dòng)溫度控制（ATC）模塊在PX2CR中是可選的，而在PX5中是默認(rèn)標(biāo)配的。

長(zhǎng)時(shí)間倉(cāng)儲(chǔ)：干燥條件下存放十年以上
一般倉(cāng)儲(chǔ)/物流：-20到+50oC，10%到90%濕度（無(wú)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(cè)器自身包含溫度控制器
單獨(dú)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(zhǎng)均五英尺。
1. 其他厚度的Be窗可特別訂購(gòu)（0.3mil到7.5um）；
2. 高通量應(yīng)用時(shí)候的準(zhǔn)直器套件；
3. 真空應(yīng)用相關(guān)配件；
4. OEM應(yīng)用；
5. X-123配置。

圖2a. X-123配置，包含探測(cè)器，前置放大器，數(shù)字處理器及電源的一體化設(shè)計(jì)。

圖2b. 探測(cè)器，前置放大器及封裝。

圖3. XR100CR探測(cè)器加長(zhǎng)選項(xiàng)

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(lái)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(shí)間），多道分析功能以及探測(cè)器所需的所有電源。
XR-100CR/PX5的組合系統(tǒng)能確保開(kāi)機(jī)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(cè)器和前置放大器配置以滿(mǎn)足不同需要，其對(duì)應(yīng)的針腳輸出和電壓類(lèi)型不一樣。

為提高能譜測(cè)量的質(zhì)量，絕大部分Amptek生產(chǎn)的探測(cè)器都帶有內(nèi)部準(zhǔn)直器。
探測(cè)器有效面元(active volume)邊緣部分和X射線的相互作用會(huì)因不完全電荷收集產(chǎn)生一些小脈沖信號(hào)，進(jìn)而影響測(cè)得的能譜數(shù)據(jù)。而且這些信號(hào)可能正處在用戶(hù)所關(guān)心的元素所在的能量范圍，降低了信噪比。而內(nèi)部準(zhǔn)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(hào)的產(chǎn)生。
不同類(lèi)型的探測(cè)器中準(zhǔn)直器的應(yīng)用各有優(yōu)點(diǎn)：提高峰本比（P/B）；消除邊界效應(yīng)；消除假尖峰信號(hào)。


真空環(huán)境中的應(yīng)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(yīng)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(guò)熱，并做好輸入的1W功率的良好導(dǎo)熱；即利用XR-100CR封裝上的四個(gè)安裝孔，根據(jù)具體真空室位形設(shè)計(jì)散熱，將器件熱量傳導(dǎo)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X(jué)R-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(cè)器延長(zhǎng)組件（如EXV9型，長(zhǎng)9英寸）和標(biāo)準(zhǔn)CF刀口法蘭窗口（通過(guò)O型金屬環(huán)密封）配套。



圖8（線性坐標(biāo)）. XR-100CR型探測(cè)器的對(duì)應(yīng)完全能量沉積的內(nèi)稟探測(cè)效率。 該效率對(duì)應(yīng)X射線能進(jìn)入該探測(cè)器前端并通過(guò)光電效應(yīng)沉積所有能量到探測(cè)器上的概率。
圖9（對(duì)數(shù)坐標(biāo)）. 考慮各種效應(yīng)后的收集效率，其中也包含了光電效應(yīng)的概率影響。 光電效應(yīng)在低能段主導(dǎo)，而該效應(yīng)對(duì)應(yīng)了能量的完全沉積，但在超過(guò)40keV后，康普頓（Compton）散射效應(yīng)逐漸顯著，不是所有能量均沉積在探測(cè)器上。
上面兩圖同時(shí)考慮了鈹窗（包括保護(hù)層）對(duì)X射線透過(guò)率的影響以及光子與硅探測(cè)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(cè)器的有效探測(cè)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(dá)探測(cè)器；選用特定的探測(cè)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(jiàn)問(wèn)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(dú)特設(shè)計(jì)和可靠性，XR-100在探路者計(jì)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(tái)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(cè)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(tái)。