Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
222 7.2.3. Газовые сцинтилляторы
Многие благородные газы, их смеси, а также смеси благородных газов с водородом и азотом являются сцинтилляторами. Наибольшие световыходы у ксенона, у смеси ксенона с гелием. Спектр фотонов люминесценции лежит в далекой ультрафиолетовой области. Время высвечивания газовых сцинтилляторов оценивают IO-8 — 10~8 сек. Установлено, что время высвечивания в первом приближении обратно пропорционально давлению газа. Световыход газовых сцинтилляторов линейно связан с поглощенной энергией. Механизм возникновения сцинтилляций в газах еще не изучен достаточно полно. Имеющиеся экспериментальные данные можно качественно объяснить, если предположить, что возникновение сцинтилляций связано с радиационными переходами с метастабильных уровней ионов газа.
Заряженная частица в газе создает атомы и ионы в возбужденных состояниях. Существенно, что положение возбужденных уровней ионов отличается от положения возбужденных уровней атомов. Время жизни первых возбужденных состояний благородных газов и их ионов оказывается меньше (10~9 — 10~10 сек), чем наблюдаемые времена высвечивания при сцинтилляционном процессе. Однако и у атомов, и у ионов имеются метастабильные возбужденные состояния, время жизни которых относительно высвечивания по порядку величин согласуется с наблюдаемыми временами высвечивания. Фотоны, возникающие при радиационных переходах в атомах, резонансно поглсщаются другими атомами — такой процесс препятствует утечке излучения из газа. В то же время плотность ионов значительно меньше, поэтому их излучение из метастабильных состояний практически не поглощается в объеме сцинтиллятора. Время жизни иона (и атома) в метастабильном состоянии обратно пропорционально числу столкновений с атомами газа в единицу времени. Поскольку число столкновений пропорционально давлению, то время жизни ионов в метастабильном состоянии и, следовательно, время высвечивания газового сцинтиллятора обратно пропорционально давлению.
Заметим, что механизм сцинтилляций нельзя объяснить излучением, возникающим при рекомбинации ионов с электронами, поскольку этот процесс слишком медленный в сравнении с измеренными временами высвечивания, и зависимость числа испускаемых фотонов от времени при рекомбинации не экспоненциальная, а гиперболическая [см. (5.4)].
Спектры испускания газовых сцинтилляторов лежат в области ультрафиолетового излучения, где конверсионная эффективность катодов фотоумножителей мала. Поэтому при работе с газовыми сцинтилляторами для получения большого световыхода обычно применяют сместители спектров. Одним из лучших сместителей спектра для газовых сцинтилляторов является дифенилстильбен толщиной около 30 • IO"6 г/см2. Ксенон с этим сместителем спектра имеет наибольший световой выход, который по некоторым данным сравним со
223 световыходом кристалла NaI (Tl). В качестве сместителя спектра часто используют кватерфенил, меньшая эффективность преобразования которого компенсируется тем, что он более устойчив. Применение кватерфенила увеличивает амплитуду импульса на выходе ФЭУ с ксеноновым газовым сцинтиллятором почти в 20 раз.
Газовые сцинтилляторы чувствительны к примесям даже в малой концентрации. Так, добавки около 1 % кислорода или метана уменьшают световыход в несколько раз. Рассмотрение сцинтилляций в смесях благородных газов с азотом показывает, что даже при минимальных примесях азота (Ю-3 %) к гелию и аргону спектральный состав сцинтилляций относится в основном к излучению азота. Увеличение содержания азота приводит к уменьшению световыхода (приблизительно вдвое при содержании 5% азота).
Благородные газы являются сцинтилляторами и в жидкой, и в твердой фазах. Были исследованы сцинтилляционные свойства гелия (в жидкой фазе) и ксенона (в жидкой и твердой фазах). Так, время высвечивания ксенона оказывается порядка 10~° сек, а световыход составляет по крайней мере половину световыхода кристалла NaI (Tl).
§ 7.3. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ 7.3.1. Элементы фотоумножителей
Фотокатод. В фотоумножителях используют фотокатоды сложного состава, которые обладают высокой чувствительностью в области видимого света, а также в близких к ней ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Фотокатоды обычно делают полупрозрачными и наносят или прямо на колбу ФЭУ, или на прозрачную металлическую подложку, предварительно напыляемую на стекло. Эффективность фотокатодов характеризуют либо конверсионной эффективностью, либо интегральной, либо спектральной чувствительностью. Наиболее полной характеристикой фотокатода является его спектральная чувствительность у (X), которая определяется как отношение тока фотокатода к потоку энергии фотонов с данной длиной волны. Величину у (X) будем выражать в единицах [а/вт]. Полезно указать и другие единицы — [а/лм] и [электрон!квант]. Связь между этими единицами следующая: 1 [а/вт]== 1,24 X X IO-1A [электрон!квант] = 683 k (X) [а/лм], где X— длина волны излучения, см; k (X) —• относительная видность (безразмерная функция длины волны излучения).
Интегральная чувствительность фотокатодов у0 — это среднее значение спектральной чувствительности, усредненное по спектру излучения стандартного источника света, т. е.
