Реферат: Сцинцилляционные счетчики
Содержание
q<span Times New Roman"">
Принцип работы сцинтилляционногосчетчикаq<span Times New Roman"">
Сцинтилляторыq<span Times New Roman"">
Фотоэлектронные умножителиq<span Times New Roman"">
Конструкции сцинтилляционныхсчетчиковq<span Times New Roman"">
Свойства сцинтилляционных счетчиковq<span Times New Roman"">
Примеры использованиясцинтилляционных счетчиковq<span Times New Roman"">
Список использованной литературыСЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ СЧЕТЧИКИ
Методрегистрации заряженных частиц с помощью счета вспышек света, возникающих припопадании этих частиц на экран из сернистого цинка(ZnS),является одним из первых методов регистрации ядерныхизлучений.
Еще в 1903г. Крукс и другие показали, что если рассматривать экран из сернистого цинка,облучаемый <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a
-частицами, черезувеличительное стекло в темном помещении, то на нем можно заметить появлениеотдельных кратковременных вспышек света — сцинтилляций. Было установлено, чтокаждая из этих сцинтилляций создается отдельной <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">a-частицей, попадающей на экран. Круксом был построен простойприбор, названный спинтарископом Крукса, предназначенный для счета <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">a-частиц.Визуальныйметод сцинтилляций был использован в дальнейшем в основном для регистрации <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a
-частиц и протонов сэнергией в несколько миллионов электронвольт. Отдельные быстрые электронырегистрировать не удалось, так как они вызывают очень слабые сцинтилляции.Иногда при облучении электронами сернисто-цинкового экрана удавалось наблюдатьвспышки, но это происходило лишь тогда, когда на один и тот же кристалликсернистого цинка попадало одновременно достаточно большое число электронов.Гамма-лучиникаких вспышек на экране не вызывают, создавая лишь общее свечение. Этопозволяет регистрировать <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">a
-частицы вприсутствии сильного <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">g-излучения.Визуальныйметод сцинтилляций позволяет регистрировать очень небольшое число частиц вединицу времени. Наилучшие условия для счета сцинтилляций получаются тогда,когда их число лежит между 20 и 40 в минуту. Конечно, метод сцинтилляцийявляется субъективным, и результаты в той или иной мере зависят отиндивидуальных качеств экспериментатора.
Несмотря на недостатки,визуальный метод сцинтилляцийсыгралогромную роль в развитии ядерной и атомной физики. С помощью него Резерфордрегистрировал <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">a
-частицыпри их рассеянии на атомах. Именно эти опыты привели Резерфорда к открытиюядра. Впервые визуальный метод позволил обнаружить быстрые протоны, выбиваемыеиз ядер азота при бомбардировке их <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">a-частицами, т.е. первое искусственное расщепление ядра.Визуальныйметод сцинтилляций имел большое значение вплоть до тридцатых годов, когдапоявление новых методов регистрации ядерных излучений заставило на некотороевремя забыть его. Сцинтилляционный метод регистрации возродился в концесороковых годов XX века на новой основе. К этому времени были разработаныфотоэлектронные умножители (ФЭУ), позволяющие регистрировать очень слабыевспышки света. Были созданы сцинтилляционные счетчики, с помощью которых можноувеличить скорость счета в 108 и даже более раз по сравнению свизуальным методом, а также можно регистрировать и анализировать по энергиикак заряженные частицы, так и нейтроны и <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">g
-лучи.§ 1.Принцип работы сцинтилляционного счетчика
Сцинтилляционныйсчетчик представляет собой сочетание сцинтиллятора (фосфора) и фотоэлектронногоумножителя (ФЭУ). В комплект счетчика входят также источник электрическогопитания ФЭУ и радиотехническая аппаратура, обеспечивающая усиление ирегистрацию импульсов ФЭУ. Иногда сочетание фосфора с ФЭУ производится черезспециальную оптическую систему (светопровод).
Принципработы сцинтилляционного счетчика состоит в следующем. Заряженная частица,попадая в сцинтиллятор, производит ионизацию и возбуждение его молекул,которые через очень короткое время (10-6 — 10-9 сек) переходят в стабильное состояние,испуская фотоны. Возникает вспышка света (сцинтилляция). Некоторая частьфотонов попадает на фотокатод ФЭУ и выбивает из него фотоэлектроны. Последниепод действием приложенного к ФЭУ напряжения фокусируются и направляются напервый электрод (динод) электронного умножителя. Далее в результате вторичнойэлектронной эмиссии число электронов лавинообразно увеличивается, и на выходеФЭУ появляется импульс напряжения, который затем уже усиливается ирегистрируется радиотехнической аппаратурой.
Амплитуда и длительность импульсана выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ.
В качествефосфоров используются:
Ø<span Times New Roman"">
органические кристаллы,Ø<span Times New Roman"">
жидкие органические сцинтилляторы,Ø<span Times New Roman"">
твердые пластмассовые сцинтилляторы,Ø<span Times New Roman"">
газовые сцинтилляторы.Основнымихарактеристиками сцинтилляторов являются: световой выход, спектральный составизлучения и длительность сцинтилляций.
Припрохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникает некотороечисло фотонов с той или иной энергией. Часть этих фотонов будет поглощена вобъеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут испущены другие фотоны снесколько меньшей энергией. В результате процессов реабсорбции наружу будутвыходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора.
<img src="/cache/referats/3656/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1037">Световым выходом или конверсионнойэффективностью сцинтиллятора<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">c
называетсяотношение энергии световой вспышки , выходящей наружу, к величине энергии Е заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе,
<img src="/cache/referats/3656/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1038">
<img src="/cache/referats/3656/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1039"><img src="/cache/referats/3656/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1040">где —среднее число фотонов, выходящих наружу, —средняяэнергия фотонов. Каждый сцинтиллятор испускает не моноэнергетические кванты, асплошной спектр, характерный дляданногосцинтиллятора.
Оченьважно, чтобы спектр фотонов, выходящих из сцинтиллятора, совпадал или хотя бычастично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ.
<img src="/cache/referats/3656/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1041">Степеньперекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой . данного ФЭУ определяется коэффициентомсогласования
<img src="/cache/referats/3656/image012.gif" v:shapes="_x0000_s1042">
<img src="/cache/referats/3656/image014.gif" v:shapes="_x0000_s1043">где — внешнийспектр сцинтиллятора или спектр фотонов, выходящих наружу из сцинтиллятора. Напрактике при сравнении сцинтилляторов, сочетаемых с данными ФЭУ, вводятпонятие сцинтилляционной эффективности, которая определяется следующимвыражением:
<img src="/cache/referats/3656/image016.gif" v:shapes="_x0000_s1044">
Сцинтилляционнаяэффективность учитывает как число фотонов, испускаемых сцинтиллятором наединицу поглощенной энергии, так и чувствительность данного ФЭУ к этимфотонам.
Обычно сцинтилляционнуюэффективность данного сцинтиллятора определяют путем сравнения сосцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, принятого за эталон.
Интенсивность сцинтилляцииизменяется со временем по экспоненциальному закону
<img src="/cache/referats/3656/image018.gif" v:shapes="_x0000_s1045"> <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">
<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU">
где I0— максимальное значениеинтенсивности сцинтилляции; t0—постоянная времени затухания,определяемая как время, в течение которого интенсивность сцинтилляцииуменьшается в е раз.
Число фотонов света n,испущенных за время tпосле попаданиярегистрируемой частицы, выражается формулой
<img src="/cache/referats/3656/image020.gif" v:shapes="_x0000_s1046">
<img src="/cache/referats/3656/image022.gif" v:shapes="_x0000_s1047">где — полное число фотонов, испущенных в процессесцинтилляции.
Процессы люминесценции(высвечивания) фосфора делят на два вида: флуоресценции и фосфоресценции. Есливысвечивание происходит непосредственно во время возбуждения или в течениепромежутка времени порядка 10-8сек,то процессназывается флуоресценцией. Интервал 10-8секвыбранпотому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденномсостоянии для так называемых разрешенных переходов.
Хотя спектры и длительностьфлуоресценции не зависят от вида возбуждения, выход же флуоресценциисущественно зависит от него. Так при возбуждении кристалла <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a
-частицами выход флуоресценциипочти на порядок меньше, чем при фотовозбуждении.Под фосфоресценцией понимаютлюминесценцию, которая продолжается значительное время после прекращениявозбуждения. Но основное различие между флуоресценцией и фосфоресценциейзаключается не в длительности послесвечения. Фосфоресценция кристаллофосфороввозникает при рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении. Внекоторых кристаллах возможно затягивание послесвечения за счет того, чтоэлектроны и дырки захватываются «ловушками», из которых они могут освободиться,лишь получив дополнительную необходимую энергию. Отсюда очевидна зависимостьдлительности фосфоресценции от температуры. В случае сложных органическихмолекул фосфоресценция связана с пребыванием их в метастабильном состоянии,вероятность перехода из которого в основное состояние может быть малой. И вэтом случае будет наблюдаться зависимость скорости затухания фосфоресценции оттемпературы.
§ 2.Сцинтилляторы
Неорганические сцинтилляторы.Неорганическиесцинтилляторы представляют собой кристаллы неорганических солей. Практическоеприменение в сцинтилляционной технике имеют главным образом галоидныесоединения некоторых щелочных металлов.
Процессвозникновения сцинтилляций можно представить при помощи зонной теории твердоготела. В отдельном атоме, не взаимодействующем с другими, электроны находятсяна вполне определенных дискретных энергетических уровнях. В твердом теле атомынаходятся на близких расстояниях, и их взаимодействие достаточно сильно.Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляютсяи образуют зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами. Самой внешнейразрешенной зоной, заполненной электронами, является валентная зона. Выше еерасполагается свободная зона — зона проводимости. Между валентной зоной изоной проводимости находится запрещенная зона, энергетическая ширина которойсоставляет несколько электронвольт.
Если вкристалле имеются какие-либо дефекты, нарушения решетки или примесные атомы, тов этом случае возможно появление энергетических электронных уровней,расположенных в запрещенной зоне. При внешнем воздействии, например при прохождениичерез кристалл быстрой заряженной частицы, электроны могут переходить извалентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне останутся свободныеместа, обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядоми называемые дырками.
Описанныйпроцесс и является процессом возбуждения кристалла. Возбуждение снимаетсяпутем обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону,происходит рекомендация электронов и дырок. Во многих кристаллах переходэлектрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточныелюминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне. Указанныецентры обусловливаются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. Припереходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энергией, меньшей ширинызапрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристаллемала и поэтому световой выход для него много больше, чем для чистого,беспримесного кристалла.
Напрактике, для увеличения светового выхода неорганических сцинтиллятороввводятся специальные примеси других элементов, называемых активаторами. Так,например, в кристалл йодистого натрия в качестве активатора вводится таллий.Сцинтиллятор, построенный на основе кристаллаNaJ(Tl),обладает большим световым выходом. СцинтилляторNaJ(Тl) имеет значильтельные преимущества по сравнению сгазонаполненными счетчиками:
большуюэффективность регистрации <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">g
-лучей (сбольшими кристаллами эффективность регистрации может достигать десятковпроцентов);малуюдлительность сцинтилляции (2,5 •10-7 сек);
линейную связь между амплитудойимпульса и величиной энергии, потерянной заряженной частицей.
Последнеесвойство требует пояснений. Световой выход сцинтиллятораимеет некоторую зависимость от удельных потерь энергии заряженной частицы .
<img src="/cache/referats/3656/image025.gif" v:shapes="_x0000_s1052"> <img src="/cache/referats/3656/image026.gif" v:shapes="_x0000_s1054">
Рис. 1. Зависимость светового выхода
кристаллаNaJ (T1)от энергии частиц.
<img src="/cache/referats/3656/image025.gif" v:shapes="_x0000_s1053">
При очень больших величинах возможны значительные нарушения кристаллическойрешетки сцинтиллятора, которые приводят к возникновению локальных центровтушения. Это обстоятельство может привести к относительному уменьшениюсветового выхода. Действительно, экспериментальные факты свидетельствуют отом, что для тяжелых частиц выход нелинеен, а линейная зависимость начинаетпроявляться только с энергии в несколько миллионов электронвольт. На рис.1 приведеныкривые зависимости <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">c
от Е: кривая 1для электронов, кривая 2для <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">aчастиц.Кроме указанных щелочно-галоидныхсцинтилляторов иногда используются другие неорганические кристаллы:ZnS (Tl), CsJ (Tl), CdS (Ag), CaWO4, CdWO4и др.
Органические кристаллические сцинтилляторы.Молекулярные силы связи в органических кристаллах малы по сравнению с силами,действующими в неорганических кристаллах. Поэтому взаимодействующие молекулыпрактически не возмущают энергетические электронные уровни друг у друга ипроцесс люминесценции органического кристалла является процессом, характернымдля отдельных молекул. В основном электронном состоянии молекула имеет несколькоколебательных уровней. Под воздействием регистрируемого излучения молекулапереходит в возбужденное электронное состояние, которому также соответствуетнесколько колебательных уровней. Возможны также ионизация и диссоциациямолекул. В результате рекомбинации ионизованной молекулы, она, какправило, образуется в возбужденном состоянии. Первоначально возбужденнаямолекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через короткое время(~10-11сек)испускаетфотон высокой энергии. Этот фотон поглощается другой молекулой, причем частьэнергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на тепловое движениеи испущенный впоследствии фотон будет обладать уже меньшей энергией посравнениюс предыдущим. После несколькихциклов испускания и поглощения образуются молекулы, находящиеся на первомвозбужденномуровне; они испускают фотоны,энергия которых может оказаться уже недостаточной для возбуждения другихмолекул и, таким образом, кристалл будет прозрачным для возникающегоизлучения.
<img src="/cache/referats/3656/image029.gif" v:shapes="_x0000_s1078">
Рис.2. Зависимость светового выхода
антрацена от энергии для различных частиц.
Благодаря тому, что большая частьэнергии возбуждения расходуется на тепловое движение, световой выход(конверсионная эффективность) кристалла сравнительно невелик и составляетнесколько процентов.
Для регистрации ядерных излученийнаибольшее распространение получили следующие органические кристаллы:антрацен, стильбен, нафталин. Антрацен обладаетдостаточнобольшим световым выходом (~4%) и малым временем высвечивания (3•10-8сек).Но при регистрации тяжелых заряженныхчастиц линейная зависимость интенсивности сцинтилляции наблюдается лишь придовольно больших энергиях частиц.
На рис.2приведены графики зависимости светового выхода <span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">c
(в произвольных единицах) от энергии электронов 1, протонов 2, дейтонов3 и <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">a-частиц 4.Стильбенхотя и обладает несколько меньшим световым выходом, чем антрацен, нозато длительность сцинтилляции у него значительно меньше(7•10-9 сек), чем уантрацена, что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуетсярегистрация очень интенсивного излучения.
Пластмассовыесцинтилляторы.Пластмассовые сцинтилляторы представляют собойтвердые растворы флуоресцирующих органических соединений в подходящем прозрачномвеществе. Например, растворы антрацена или стильбена в полистироле, илиплексигласе. Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы исоставляют несколько десятых долей процента или несколько процентов.
Так как растворителя много больше,чем растворенного сцин-тиллятора, то, естественно, регистрируемая частицапроизводит в основном возбуждение молекул растворителя. Энергия возбуждения вдальнейшем передается молекулам сцинтиллятора. Очевидно, что спектр испусканиярастворителя должен быть более жестким, чем спектр поглощения растворенноговещества, или по крайней мере совпадать с ним. Экспериментальные факты показывают,что энергия возбуждения растворителя передается молекулам сцинтиллятора засчет фотонного механизма, т. е. молекулы растворителя испускают фотоны,которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества. Возможен и другоймеханизм передачи энергии. Так как концентрация сцинтиллятора мала, то раствороказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора.
Пластмассовыесцинтилляторы имеют значительные преимущества по сравнению с органическимикристаллическими сцинтилляторами:
Ø<span Times New Roman"">
возможность изготовления сцинтилляторов очень большихразмеров;Ø<span Times New Roman"">
возможность введения в сцинтиллятор смесителей спектрадля достижения лучшего согласования его спектра люминесценции со спектральнойхарактеристикой фотокатода;Ø<span Times New Roman"">
возможность введения в сцинтиллятор различных веществ,необходимых в специальных экспериментах (например, при исследованиинейтронов);Ø<span Times New Roman"">
возможность использования пластмассовых сцинтилляторовв вакууме;малое времявысвечивания (~3•10-9 сек). Наибольшимсветовым выходом обладают пластмассовые сцинтилляторы, приготовленныерастворением антрацена в полистироле. Хорошими свойствами обладает такжераствор стильбена в полистироле.
Жидкиеорганические сцинтилляторы.Жидкие органические сцинтилляторыпредставляют собой растворы органических сцинтиллирующих веществ в некоторыхжидких органических растворителях.
Механизмфлуоресценции в жидких сцинтилляторах аналогичен механизму, происходящему втвердых растворах—сцинтилляторах.
Наиболее подходящими растворителямиоказались ксилол, толуол и фенилциклогексан, а сцинтиллирующими веществами р-терфенил, дифенилоксазол итетрафенилбутадиен.Наибольшимсветовым выходом обладает сцинтиллятор, изготовленный при растворении
р-терфенилав ксилоле при концентрации растворенного вещества 5 г/л.
Основные достоинства жидкихсцинтилляторов:
Ø<span Times New Roman"">
возможность изготовления больших объемов;Ø<span Times New Roman"">
возможность введения в сцинтиллятор веществ,необходимых в специальных экспериментах;Ø<span Times New Roman"">
малая длительность вспышки (~3•10-9 сек).Газовые сцинтилляторы.Припрохождении заряженных частиц через различные газы в них наблюдалось появлениесцинтилляций. Наибольшим световым — выходом обладают тяжелые благородные газы(ксенон и криптон). Большим световым выходом обладает также смесь ксенона игелия. Присутствие в гелии 10% ксенона обеспечивает световой выход, дажебольший, чем у чистого ксенона (рис.3).Ничтожномалые примеси других газов резко уменьшают интенсивность сцинтилляций в благородныхгазах.
<img src="/cache/referats/3656/image031.gif" v:shapes="_x0000_s1079">
Рис.3.Зависимостьсветового выхода газового
сцинтиллятора от соотношениясмеси гелия и ксенона.
Экспериментальнобыло показано, что длительность вспышек в благородных газах мала (10-9-10-8 сек), а интенсивность вспышек в широкомдиапазоне пропорциональна потерянной энергии регистрируемых частиц и независит от их массы и заряда. Газовые сцинтилляторы обладают малой чувствительностьюк <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">g
-излучению.Основнаячасть спектра люминесценции лежит в области далекого ультрафиолета, поэтомудля приведения в соответствие со спектральной чувствительностью ФЭУиспользуются светопреобразователи. Последние должны обладать высоким коэффициентомконверсии, оптической прозрачностью в тонких слоях, низкой упругостьюнасыщенных паров, а также механической и химической устойчивостью. В качествематериалов для светопреобразователей в основном используются различные органическиесоединения, например:
дифенилстильбен(эффективность преобразования около 1);
P1p’-кватерфенил (~1);
антрацен (0,34) и др.
Светопреобразователь наноситсятонким слоем на фотокатод ФЭУ. Важным параметром светопреобразователя являетсяего время высвечивания. В этом отношении органические преобразователи являютсявполне удовлетворительными (10-9 секили несколько единиц на 10-9 сек).Для увеличения светосбора внутренние стенки камеры сцинтиллятора обычнопокрываются светоотражателями(MgO,эмаль наоснове окиси титана, фторопласт, окись алюминия и др.).
§ 3. Фотоэлектронные умножители
Основными элементамиФЭУ являются: фотокатод, фокусирующая система, умножительная система (диноды),анод (коллектор). Все эти элементы располагаются в стеклянном баллоне,откаченном до высокого вакуума ( 10-6 мм рт.ст.).
Для целейспектрометрии ядерных излучений фотокатод обычно располагается на внутреннейповерхности плоской торцевой части баллона ФЭУ. В качестве материалафотокатода выбирается вещество достаточно чувствительное к свету, испускаемомусцинтилляторами. Наибольшее распространение получили сурьмяно-цезиевыефотокатоды, максимум спектральной чувствительности которых лежит при <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">l
= 3900<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¸4200 А, чтосоответствует, максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов.<img src="/cache/referats/3656/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
Рис.4.Принципиальная схема ФЭУ.
Одной изхарактеристик фотокатода является его квантовый выход в, т. е. вероятностьвырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод. Величина <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">e
может достигать 10-20%.Свойства фотокатода характеризуются также интегральной чувствительностью,представляющей собой отношение фототока (мка)к падающему на фотокатод световому потоку (лм).Фотокатоднаносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя. Существенна толщинаэтого слоя. С одной стороны, для большого поглощения света она должна бытьзначительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малойэнергией не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выходможет оказаться малым. Поэтому подбирается оптимальная толщина фотокатода.Существенно также обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительностьбыла одинакова на всей площади. В сцинтилляционной <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">g
-спектрометрии часто необходимо использовать твердыесцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру. Поэтомувозникает необходимость изготавливать ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов. Вотечественных ФЭУ фотокатоды делаются с диаметром от нескольких сантиметров до15<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¸20 см. фотоэлектроны, выбитые изфотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Дляэтой цели используется система электростатических линз, которые представляютсобой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристикФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали напервый динод с минимальным временным разбросом. На рис.4приведено схематическое устройство фотоэлектронногоумножителя. Высокое напряжение, питающее ФЭУ, отрицательным полюсомприсоединяется к катоду и распределяется между всеми электродами. Разностьпотенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектроновна первый умножающий электрод. Умножающие электроды носят название динодов.Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которыхбольше единицы (<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">s>1). Вотечественных ФЭУ диноды изготовляются либо в виде корытообразной формы (рис.4),либо в виде жалюзи. В обоих случаях динодырасполагаются в линию. Возможно также и кольцеобразное расположение динодов.ФЭУ с кольцеобразной системой динодов обладают лучшими временнымихарактеристиками. Эмитирующим слоем динодов является слой из сурьмы и цезия илислой из специальных сплавов. Максимальное значение <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">sдля сурьмяно-цезиевыхэмиттеров достигается при энергии электронов 350<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¸400 эв, а для сплавных эмиттеров — при 500<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">¸550 эв. В первом случае <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol; mso-symbol-font-family:Symbol">s= 12<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">¸14, вовтором <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">s=7<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¸10. Врабочих режимах ФЭУ значение <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">sнесколько меньше. Достаточно хорошим коэффициентом вторичнойэмиссии является <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">s= 5.Фотоэлектроны, сфокусированные напервый динод, выбивают из него вторичные электроны. Число электронов,покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все онинаправляются на второй динод, где также выбивают вторичные электроны и т. д.,от динода к диноду, число электронов увеличивается в <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">s
раз.Припрохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5—7 порядков ипопадает на анод — собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме,то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. Прирегистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов,возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этихимпульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором ивозникает импульс напряжения.
Важной характеристикой ФЭУ являетсякоэффициент умножения М. Еслизначение <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">s
для всехдинодов одинаково (при полном сборе электронов на динодах), а число динодовравно n,то<div v:shape="_x0000_s1085">
<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">s
n = (Aue-Bu)n <img src="/cache/referats/3656/image035.gif" v:shapes="_x0000_s1071">A и Bпостоянные, u– энергияэлектронов. Коэффициент умножения Мне равен коэффициенту усиления М',который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ ктоку, выходящему из катода
<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:RU">М'
<span Times New Roman",«serif»">=<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:RU"> <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language: RU">СМ,<span Times New Roman",«serif»">где С<1 — коэффициент сбора электронов,характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.
Очень важным является постоянствокоэффициента усиления М' ФЭУ как во времени, так ипри изменении числа электронов, выходящих из фото катода. Последнееобстоятельство позволяет использовать сцинтилляционные счетчики в качествеспектрометров ядерных излучений.
О помехах вфотоумножителях.В сцинтилляционных счетчиках даже при отсутствиивнешнего облучения возможно появление большого числа импульсов на выходе ФЭУ.Эти импульсы обычно имеют небольшие амплитуды и носят название шумовых.Наибольшее число шумовых импульсов обусловливается появлением термоэлектроновиз фотокатода или даже из первых динодов. Для уменьшения шумов ФЭУ частоиспользуется его охлаждение. При регистрации излучений, создающих большие поамплитуде импульсы, в регистрирующую схему включается дискриминатор, непропускающий шумовые импульсы.
<img src="/cache/referats/3656/image037.gif" v:shapes="_x0000_s1080">
Рис.5.Схема дляподавления шумов ФЭУ.
1.<span Times New Roman"">
При регистрацииимпульсов, амплитуда которых сравнима с шумовыми, рационально использовать одинсцинтиллятор с двумя ФЭУ, включенными в схему совпадений (рис.5).В этом случае происходит временная селекцияимпульсов, возникших от регистрируемой частицы. В самом деле, вспышка света,возникшая в сцинтилляторе от регистрируемой частицы, попадет одновременно нафтокатоды обоих ФЭУ, и на их выходе одновременно появятся импульсы,заставляющие сработать схему совпадений. Частица будет зарегистрирована.Шумовые же импульсы в каждом из ФЭУ появляются независимо друг от друга и чащевсего не будут зарегистрированы схемой совпадений. Тако