Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
рассеяние первичных электронов).
7,5 5,0 2,5
Cu-S-Cs
Лдд-Мд \\
10
10г
W
Ее, эб
Рис. 7.8. Зависимость коэффициента рИс. 7.9. Схема расположения дино-вторичной электронной эмиссии для дов в фотоумножителе:
различных ДИНОДОВ от энергии элек- , _ фотокатод; г - диафрагма; J - ди-тронов ноды; 4 — анод; 5 — делитель напряже-
ния; Ra — анодная нагрузка
Максимальные значения омакс Для металлов лежат в пределах от 0,5 до 1,8 и достигаются при энергиях электронов 100—800 эв. Существенно большие оМакс получены для сложных соединений, таких, как Sb — Cs, Cu — S — Cs, Ag — Mg. Зависимость ое от энергии электронов для этих соединений показана на рис. 7.8. Видно, что максимальные значения сгМакс достигаются при энергиях электронов вблизи 1 кэв и равны 5—10. Зависимость ое от энергии электронов можно представить в следующем виде:
Oe = 2,71 Омане и ехр ( — и/имлкс)Шм&кс, (7.9)
где амакс — максимальное значение ое, достигаемое при U = = 6/макс! U — разность потенциалов, при которой электрон приобретает энергию E = eU.
В современных фотоумножителях диноды или покрывают слоем Sb — Cs, или используют сплавы Al — Mg — Si, поверхность которых обрабатывается специальным образом для повышения ое.
Диноды фотоумножителей имеют различные формы, и их можно разделить на две группы: фокусирующие и диноды жалюзного типа. Фокусирующие диноды бывают разных конфигураций: коробчатые,
229 корытообразные и др. На рис. 7.9 показано расположение динодов коробчатого (а) и жалюзного (б) типов ФЭУ. В некоторых фотоумножителях фокусирующие диноды располагают не по линейной схеме, как показано на рис. 7.9, а по круговой. При таком расположении удается значительно сократить длину ФЭУ. В качестве примера укажем, что корытообразные диноды применяются в фотоумножителях типа ФЭУ-29, ФЭУ-24, коробчатые — ФЭУ-42 и ФЭУ-45, жалюзные диноды — ФЭУ-11 и ФЭУ-13. Число динодов в фотоумножителях обычно равно десяти — двенадцати. Между динодами создают разность потенциалов с помощью внешнего источника питания и делителя напряжения (см. рис. 7.9).
7.3.2 Основные характеристики фотоумножителей
Коэффициент усиления. Пусть в фотоумножителе п динодов и коэффициент вторичной электронной эмиссии для каждого Gi. Коэффициент усиления ФЭУ
J = Oridil (7.10)
і = I
где а — коэффициент, определяющий долю электронов, попадающих с одного динода на другой. Здесь полагаем, что этот коэффициент не зависит от приложенного напряжения на ФЭУ. Это предположение достаточно разумно, так как условия фокусировки электронов с одного динода на другой скорее определяются формой динодов, чем разностями потенциалов между ними.
Пусть, далее, на фотоумножитель подано напряжение U, как это показано на рис. 7.9, и разность потенциалов на динодах равна Uln. Если воспользоваться аппроксимацией a (UIn) в виде (7.9) и подставить в (7.10), то получим зависимость коэффициента усиления ФЭУ от напряжения U:
Jl = а [2,71 стмакс Ul(UxaKC л)]» ехр (-UlUudiJ. (7.11) Обозначим In а + п In 2,71 стмакс = с, тогда
\nje = c +п {In (UKnUuaJ] - UKnUuaJ). (7.12)
Зависимость Ji в функции Ul (nUuaKс) для я = 10 и стмакс = 10 приведена на рис. 7.10 сплошной линией. Выражение (7.12) не учитывает влияния объемного заряда, который может образовываться вблизи анода и последних динодов при больших коэффициентах усиления или больших по интенсивности и коротких световых вспышках. Суть этого явления заключается в том, что в результате заряда «паразитных» емкостей изменяются разности потенциалов между последними динодами и анодом. Заряд этих емкостей тем больше, чем больший ток протекает в фотоумножителе. Влияние объемного заряда заметно для некоторых ФЭУ при токах на аноде около 1 ма.
230 Если мгновенное значение тока с фотокатода для данного фотоумножителя примерно Ю-9 а, то при Jt да IO6 будет сказываться влияние объемного заряда (нижняя пунктирная кривая). Увеличение анодного напряжения несколько расширяет линейную область работы фотоумножителя (верхняя пунктирная кривая).
Мгновенные значения токов прямо пропорциональны интенсивности световой вспышки и обратно пропорциональны времени высвечивания сцинтиллятора, так что объемный заряд сказывается особенно существенно для органических и газовых сцинтилляторов. Действительно, при поглощении в кристалле стильбена электрона с энергией около 1 Мэв максимальный ток фотокатода ФЭУ равен примерно Ю-8 а. Аналогичная по интенсивности вспышка света в неорганическом кристалле (NaI) создает ток с максимальным значением около IO"10 а.
Наличие объемного заряда приводит к нелинейной связи тока (или импульса) на аноде с током на катоде ФЭУ. Промышленные ФЭУ имеют значения Jt в пределах IO5 — IO8. Мгновенные значения токов на аноде при линейной связи тока анода с током катода могут достигать у ФЭУ с жалюзной системой динодов примерно 5—Юма. У ФЭУ с коробчатыми динодами линейная зависимость имеет место лишь до десятых долей миллиампера на аноде.
Стабильность ФЭУ. Одно из главных требований к ФЭУ при работе со сцинтилляционным счетчиком — это требование постоянства коэффициента усиления Jt. Коэффициент усиления меняется под действием как внутренних (не зависящих от внешних условий), так и внешних причин. Ток в ФЭУ при постоянстве всех внешних условий работы изменяется медленно со временем. Сразу же после включения высокого напряжения в зависимости от среднего тока в ФЭУ коэффициент усиления Jt или несколько возрастает, проходит через максимум и затем устанавливается (при малых токах около 1 мка), или сразу же начинает медленно уменьшаться (при больших токах, например, больше 100 мка), причем чем больше средний ток в ФЭУ, тем сильнее уменьшается во времени коэффициент усиления. Процесс утомления ФЭУ связан с процессами, происходящими на поверхности фотокатода и динодов. Количество атомов цезия на поверхности катода и динодов зависит от тока электронов, а коэффициент вторичной электронной эмиссии динодов и чувствительность фотокатода — от поверхностной плотности атомов цезия (или другого щелочного металла). ФЭУ способны восстанавливать свой коэффициент усиления после отдыха (происходит диффузия атомов цезия на поверхность).
