Evaluación del rendimiento a largo plazo de un detector SDD para espectrometría de fotones

Abstract

The general objective of this work was to study the figures of merit, electronic noise, incomplete charge collection (ICC), and gain correction of a Silicon Drift Detector (SDD) over a 7-year period. The justification for this detailed analysis stems from the critical need to characterize the behavior, aging, operability, and robustness of semiconductor detectors, which typically operate under complex conditions involving temperature and voltage gradients. Evaluating parameters such as linearity, stability, and sensitivity provides valuable information for future applications in fields ranging from medical to nuclear sciences. The methodology is rooted in Total Reflection X-ray Fluorescence Spectrometry (TXRF), a relatively new, non-destructive technique that offers significant advantages in biomedicine. TXRF is capable of analyzing elements at trace (1-100 ppm) and ultra-trace (< 1 ppm) levels in samples like physiological fluids, tissues, or cell groups. This high analytical sensitivity is achieved by utilizing a total reflection geometry, which drastically reduces the spectral background, sometimes by a factor of 500 or more, by having the primary beam strike the sample carrier at a grazing angle below the critical angle. The SDD is crucial for this technique due to its excellent energy resolution (approaching the Fano limit in silicon) and its low electronic noise, enabled by its extremely low anode capacitance, around 0.1 pF or 100 fF. The study specifically addressed the analysis of selenium (Se), an element of toxicological interest due to bioaccumulation from supplements and fertilizers, especially since high amounts of selenium have been detected in patients with type 2 diabetes mellitus.

El objetivo general del estudio fue estudiar las cifras de mérito, el ruido electrónico, la colección incompleta de cargas (ICC) y la corrección de ganancia de un detector de barrido de silicio (SDD) a lo largo de un periodo de uso de 7 años. La justificación para este trabajo radica en la necesidad de caracterizar el comportamiento, el envejecimiento, la operatividad y la robustez de los detectores semiconductores que operan bajo condiciones complejas como gradientes de voltaje y temperatura. Evaluar la estabilidad, linealidad y sensibilidad del detector a largo plazo proporciona información valiosa para futuras aplicaciones científicas. La investigación se centró en la técnica de Espectrometría de Fluorescencia de Rayos X por Reflexión Total (TXRF), una variación de la XRF que es no destructiva, multielemental, y con grandes ventajas para campos como la biomedicina. La TXRF permite el análisis de elementos a niveles traza (1-100 ppm) y ultra traza (< 1 ppm) en fluidos fisiológicos o tejidos. La ventaja analítica crucial del TXRF es su alta sensibilidad, lograda al reducir drásticamente el ruido de fondo (hasta 500 veces o más) gracias a su geometría de reflexión total, donde el haz incide con un ángulo rasante inferior al ángulo crítico. Los detectores SDD (Silicon Drift Detector) son esenciales en esta técnica debido a su excelente resolución energética (cercana al límite de Fano en el silicio) y su bajo ruido electrónico, lo que los hace la opción predilecta para aplicaciones de alta resolución y alto flujo. Su bajo ruido se debe a la extremadamente baja capacitancia de su ánodo colector, que es alrededor de 0.1 pF o 100 fF. Una aplicación específica abordada fue el estudio de la traza de selenio en la orina humana, ya que la bioacumulación de selenio es una preocupación toxicológica, y se han encontrado cantidades elevadas en pacientes con diabetes mellitus tipo 2.