Файл: Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие.pdf

§ 2. Фотоэлектронные умножители

Для преобразования световых вспышек сцинтилляторов в элек­ трические сигналы используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ), или, как часто говорят, фотоумножители.

Фотоумножитель представляет собой откачанную до высокого вакуума стеклянную колбу (рис. 324) с прозрачным окном. Свет через него попадает на полупрозрачный фотокатод, нанесенный тон­ ким слоем на внутреннюю поверхность окна. Под действием света из фотокатода в результате фотоэффекта вырываются электроны. Электрическое поле, приложенное между фотокатодом и фокусирую­ щим электродом, дополнительно разгоняет электроны и направляет

Фоткатд

Рис. 324. Схема устройства фотоэлектронного умножителя.

их на первый из системы размножающих электродов, так называе­ мых динодов.

Диноды изготовляются из сплавов с малой работой выхода. При соударении электронов с поверхностью динодов из них выбиваются вторичные электроны. Напряжение на ФЭУ по­ дается так, что от динода к диноду потенциал постепенно повы­ шается. Форма динодов специально подбирается, чтобы электриче­ ское поле не только ускоряло, но и фокусировало электроны на следующий динод.

Работа фотоумножителя в существенной мере определяется ве­ личиной коэффициента вторичной эмиссии, под которой понимают отношение числа выбитых из динода электронов к числу электронов, падающих на динод. Если этот коэффициент превышает единицу, то на каждом диноде происходит размножение электронов, и электрон­ ная лавина по мере продвижения по фотоумножителю быстро разрастается. Величина импульса, возникающего на аноде, со­ ставляет несколько вольт и легко регистрируется простыми ра­ диосхемами.

Исследуем устройство фотоэлектронных умножителей более подробно. В качестве фоточувствительного слоя для изготовле­

ния фотокатода используют покрытия из соединений щелочно­ земельных элементов. Чаще всего применяются сурьмяно-цезие­ вые фотокатоды. Такие фотокатоды обладают сравнительно высо­ ким (10—15%) к в а н т о в ы м в ы х о д о м , под которым пони­ мают отношение числа вылетевших из фотокатода электронов к числу падающих на него световых квантов. Чувствительность фотокатода существенно зависит от длины волны падающего света

только в том случае, если спектр испускания сцинтиллятора на­

вещества, поглощающие свет сцинтиллятора и испускающие кванты с меньшей энергией, способные эффективно поглощаться фотока­ тодом ФЭУ.

Важной характеристикой ФЭУ является его коэффициент уси­ ления, под которым понимают отношение числа приходящих на

нодами.

Из приведенной формулы видно, что благодаря большому п даже незначительные изменения коэффициента вторичной эмиссии при­ водят к заметным изменениям коэффициента усиления. Поэтому при работе с фотоумножителями приходится пользоваться хорошо стабилизированными источниками напряжения. Постоянство коэф­ фициента усиления и, следовательно, стабильность напряжения особенно важны в тех случаях, когда сцинтилляционные счетчики используются для измерения энергии заряженных частиц. Напря­ жение на диноды обычно подается от одного источника напряжения

п у л ь с ы . Основными причинами фона является термоэлектронная эмиссия с фотокатода и первого динода, и процесс холодного вы­ рывания электронов с поверхности электродов.

Следует отметить еще один вид фоновых импульсов — так на­ зываемые л о ж н ы е и м п у л ь с ы . Причиной ложных импуль­ сов чаще всего бывают световые кванты, которые излучаются

молекулами остаточного газа, ионизируемого электронными лави­ нами. Число ложных импульсов и импульсов фона растет с увели­ чением напряжения и может достигнуть величины, при которой умножитель выйдет из строя. Поэтому при работе с ФЭУ надо очень аккуратно повышать напряжение и не превышать его номи­ нальное значение.

§3. Измерение ионизации

спомощью сцинтилляционных счетчиков

Как мы видели, величина импульса, приходящего на анод фо­ тоумножителя, пропорциональна числу электронов, вылетевших с фотокатода, а значит, и числу фотонов, образовавшихся в сцин­ тилляторе. Таким образом, сцинтилляционные счетчики могут ис­ пользоваться для измерения энергии, оставленной в сцинтилляторе регистрируемой частицей. Точность таких измерений зависит от многих причин.

Прежде всего исследуем связь между энергией, оставленной частицей в сцинтилляторе, и числом излученных квантов света. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникают локальные возмущения, сильно поглощающие свет. Так как концентрация таких поглощающих (гасящих) центров пропорциональна ионизации, то число испущенных фотонов рас­ тет медленнее, чем потери энергии. Соответствующая формула за­ писывается обычно в следующем виде:

dEjdx

п- Щ 1+ ß d £ W

Вэтом выражении п — число испущенных квантов, dE/dx — энергия, теряемая частицей на единице пути, п0 и В — постоянные, завися­ щие от типа сцинтиллятора.

Уорганических кристаллов и особенно у пластических сцинтил­ ляторов В велико. Эти сцинтилляторы поэтому мало пригодны для измерения потерь энергии. Кроме того, у органических сцинтилля­

торов мала конверсионная эффективность,, мало, следовательно, и число световых квантов, попадающих на фотокатод. При малом числе квантов возникают большие флюктуации числа выбитых из фотокатода электронов, а значит, и амплитуды анодного импульса. Поясним эти рассуждения числами.

Как видно из вышеприведенной таблицы (см. стр. 615), число световых квантов, испускаемых с 1 см следа быстрой частицы, для пластических сцинтилляторов составляет около ІО4. Пусть толщина сцинтиллятора составляет 1 см. Обычно от сцинтилляторов удается передать к фотокатоду не более 20% излученного света. Квантовый выход фотокатодов составляет около 10%. Таким образом, из фото­ катода будет выбито всего 1 0 4 -0 ,2 -0 , 1 = 2 0 0 фотоэлектронов,

бавить флюктуации ионизационных потерь и флюктуации числа излученных квантов света. Эти процессы еще более ухудшают точность определения энергии.

Несколько лучшую точность определения потерь энергии можно получить, используя неорганические сцинтилляторы Nal и Csl, имеющие существенно больший световой выход (см. таблицу на стр. 615). К сожалению, Nal и Csl обладают большими временами высвечивания и не могут работать в условиях больших загрузок. Эти сцинтилляторы оказываются наиболее полезны для анализа у-лучей, в особенности при небольших энергиях (меньше 100 кэВ). Дело в том, что анализ спектра у-лучей представляет очень трудную экспериментальную задачу, и получить одновременно хорошую эффективность и точность измерений не удается. Кристаллы Nal и Csl содержат большое количество иода, атомный номер которого равен 53. При столь большом Z вероятность фотоэффекта на доста­ точно крупных кристаллах приближается к единице. Электроны, которым передается энергия у-квантов, имеют ничтожный пробег (доли миллиметра) и всю свою энергию оставляют в кристалле. Хотя точность определения энергии и в этом случае составляет не­ сколько процентов или даже несколько десятков процентов, неор­ ганические сцинтилляторы очень широко применяются для иссле­ дования спектра у-лучей.

ЛИТЕРАТУРА

1.Д. Р и т с о н, Экспериментальные методы в физике высоких энергий, «Наука», 1964.

2.В. И. К а л а ш н и к о в а , М. С. К о з о д а е в, Детекторы элементар ных частиц, «Наука», 1965.

ѴП. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

В современной физической аппаратуре всё большую роль играют электронные устройства. Эти устройства чаще всего сводятся к ком­ бинации простых ячеек, среди которых наиболее распространены усилители, дискриминаторы, схемы совпадений и пересчетные схемы.

Ниже излагается принцип действия этих ячеек и разбираются их основные свойства и характеристики.

При рассмотрении электронных схем мы ограничимся исследо­ ванием устройств, использующих вакуумные лампы. Хотя полупро­ водниковые схемы с каждым годом все шире применяются в экспе­ риментальной технике, они в этой книге не обсуждаются. Это объяс­ няется тем, что промышленные приборы, используемые в работах «практикума», построены только на электронных лампах. К этому следует добавить, что анализ и расчет схем, построенных на лампах, оказывается проще и надежнее, чем анализ полупроводниковой электроники.