Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
= (hv/E) jjKEdE. В случае, если ке не зависит от энергии Cej =
= KEhv, удобно ввести и понятие световыхода сцинтиллятора. Световыход'—это полное число фотонов, возникших в сцинтилляторе при попадании в него заряженной частицы. По определе-
E R
нию K=N0 = j' ке dE = | KedK (E и R. — энергии и пробег частицы
о 'о
в сцинтилляторе).
Обычно спектр фотонов сцинтилляторов лежит в области видимой части спектра, поэтому hv та 3 эв. Значения Cef для разных сцинтилляторов различны, но не превышают 0,3. При фотовозбуждении сцинтилляторов (возбуждение видимым светом или ультрафиолетовым излучением) конверсионные эффективности обычно выше и достигают 0,8—0,9.
Распределение во времени фотонов, испускаемых сцинтиллято-ром, зависит от времени образования возбужденных состояний и от среднего времени жизни атомов в этих возбужденных состояниях. Время образования возбужденных состояний мало и определяется временем жизни заряженной частицы в веществе (Ю-9—Ю-10 сек) и временем миграции энергии возбуждения. Возбужденные состояния, из которых происходит испускание фотонов люминесценции, характеризуются средним временем жизни т, называемым временем высвечивания сцинтиллятора. Это время характерно для каждого сцинтиллятора и имеет значения в пределах IO-9 — Ю-5 сек. Если считать, что время образования возбужденных состояний мало в сравнении с т, то появление фотонов будет распределено во времени по экспоненциальному закону (если средние време-
209 на жизни различных возбужденных состояний одинаковы):
Л' =^0 ехр (- th) /т, (7.2)
где N — число фотонов, испускаемых в единицу времени.
Для многих сцинтилляторов зависимость интенсивности высвечивания от времени имеет более сложный вид, который можно описать суммой нескольких экспонент с различными временами высвечивания т.
Не все фотоны, образовавшиеся в сцинтилляторе, могут достичь фотокатода ФЭУ. Во-первых, любой сцинтиллятор, хотя и в малой степени, поглощает фотоны люминесценции. Чем больше кристалл, тем относительно меньшее число фотонов покидает сцинтиллятор. Кроме того, в некоторых особых случаях между сцинтиллятором и фотокатодом помещают световоды, которые также поглощают фотоны люминесценции. Наконец, фотоны могут поглощаться и в упаковке кристалла, и в отражателе, и в стеклянной колбе ФЭУ. Обозначим g долю фотонов, попавших на фотокатод ФЭУ. Тогда на фотокатод ФЭУ всего попадает gN0 фотонов. Фотокатоды современных ФЭУ делают обычно полупрозрачными для спектра излучения сцинтиллятора, при этом достигают максимальной конверсионной эффективности фотокатода Cfe. Конверсионная эффективность фотокатода — это вероятность фотону выбить электрон из фотокатода. Конверсионные эффективности фотокатодов обычно лежат в пределах 0,05— 0,1. Это значит, что в среднем один из десяти — двадцати фотонов выбивает электрон из фотокатода.
В результате вторичной электронной эмиссии на каждый последующий динод будет приходить большее число электронов. Такой процесс размножения электронов характеризуют коэффициентом усиления фотоумножителя Л, который определяется как отношение числа электронов на аноде к числу электронов, выбитых из фотокатода. Таким образом, на аноде ФЭУ появится N0gCjeM электронов, распределение во времени которых такое же, как и первичных фотонов (7.2), если пренебречь временными флуктуациями в процессе размножения электронов.
Если анодная нагрузка R будет достаточной, чтобы RC т (С—выходная емкость), то амплитуда импульса
V^fECje Cefg».MeKhvC). (7.3)
Из (7.3) видно, что амплитуда импульса пропорциональна поглощенной энергии в сцинтилляторе. Амплитуда импульса линейно связана с поглощенной энергией, если конверсионные эффективности сцинтиллятора и фотокатода не зависят от энергии заряженной частицы. Таким образом, с помощью сцинтилляционных счетчиков можно не только регистрировать излучение, но и определять его энергию.
Оценим величину импульса на выходе фотоумножителя. Заряженная частица с энергией 1 Мэв (f = 1) при Cpf ~ Cje ~ 0,1 и C = 10 пф создает на аноде ФЭУ с коэффициентом усиления IO8 амплитуду импульса У ж 5 е. 210 § 7.2. СЦИНТИЛЛЯТОРЫ
7.2.1. Неорганические сцинтилляторы
Среди неорганических кристаллов наибольшее практическое значение имеют активированные монокристаллы галоидов щелочных металлов, такие, как NaI, CsI, LiI. Большой интерес представляют также кристаллы сернистого цинка (ZnS) и фтористого кальция (CaF2). Известно также большое число неорганических кристаллов, являющихся сцинтилляторами, однако они по тем или иным причинам не нашли широкого практического применения.
Физика сцинтилляционного процесса в неорганических кристаллах еще не выяснена настолько, чтобы можно было дать количественное описание основных свойств сцинтилляционного процесса. Рассмотрим качественно механизм сцинтилляционного процесса на примере активированных кристаллов галогенидов щелочных металлов. Следует отметить, что в разных типах кристаллов даже качественное описание сцинтилляционного процесса может заметно отличаться.
В ионном кристалле, которыми являются кристаллы NaI, Csl и другие галогениды, взаимодействие атомов приводит к расщеплению энергетических уровней и образованию нескольких энергетических зон, которые могут быть заняты электронами. Эти зоны разделены запрещенными зонами. Валентная зона (полностью заполненная электронами), запрещенная зона, экситонная и зона проводимости приведены на рис. 7.2. Внутри запрещенной зоны могут быть дискретные разрешенные для электронов энергетические уровни, появление которых связано с основными и возбужденными состояниями ионов активатора (например, для кристаллов NaI это атомы Tl), с другими примесями, с нарушениями кристаллической решетки. При прохождении заряженной частицы в кристалле ее энергия передается главным образом электронам. Электроны могут получить достаточную энергию для перехода в зону проводимости. При этом в валентной зоне появляется вакантный уровень —¦ «дырка». И электрон в зоне проводимости, и дырка в валентной зоне могут свободно и независимо перемещаться по кристаллу, создавая электрическую проводимость кристалла. Этот процесс можно рассматривать как ионизацию. Возможен и другой процесс, когда электрон получает энергию, недостаточную для перехода в зону проводимости, и остается электростатически связанным с дыркой в валентной зоне, т. е. электрон попадает в экситонную зону.
