Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
P dt.
г Ф0 (/.) V (Я) г а 1 ..!24,10-і J Ф° электрон
Фц (Я) dk
Ф0 (X) dl
квант
(7.6)
224где Ф0 (^) — поток энергии фотонов стандартного источника с длиной волны X. Интегральная чувствительность фотокатода будет, естественно, разной для источников света различного спектрального состава. В паспортах ФЭУ обычно указывают интегральную чувствительность фотокатода в мка/лм, измеренную со стандартной 100-ваттной газонаполненной лампой с вольфрамовой нитью. Интегральные чувствительности фотокатодов обычно лежат в пределах 10—200 мка/лм.
10
S=
- 0, 8
OA 0,Z о
п I /
/ Ї(А) INal(R) ґ\ і / / / /
І і V А / \ /
і , / і .і /_ \ «V \_Д / acsl (Ti)
---"7
С. 2
0.3
ол
0,6 0,7 0,8 А,мкуі
O1W 0,08
0,06 і CJ
щ I
O1OZ
о
Рис. 7.7. Спектральная чувствительность фотокатода Sb—Cs. спектры люминесценции кристаллов NaI(Tl) и CsI(Tl), спектр испускания стандартного источника света ®o(!v) и относительная видность k(X)
Конверсионную эффективность фотокатода, определенную ранее как вероятность фотону выбить электрон из фотокатода, можно выразить через у (X) следующим образом:
ГФС (X) у (X) X-1Cll
Cfe = 1,24-Ю-4-—————-=
J Фс (X) dl
Г а ІЗ 5 JФоWfeW^ (77)
L лм J ' f Фс (X) ^ Ґ Ф0 (А,) у (X) dl
= VoI
где Фс (X) — спектральный состав излучения сцинтиллятора.
Спектральная чувствительность сурьмяно-цезиевого фотокатода [а!вт\, относительная видность k (X), спектральная зависимость интенсивности излучения кристаллов NaI (Tl), CsI (Tl) и стандартного источника света приведены на рис. 7.7. Максимальное значение спектральной чувствительности фотокатода около 0,1 а/вт. Для монохроматического источника света, длина волны которого лежит в области максимального значения спектральной чувствительности, C1e «: 0,35.
S Зак. 1079
225Конверсионную эффективность можно представить в виде произведения двух вероятностей: вероятности поглощения фотонов в фотокатоде и вероятности выхода электронов из фотокатода. Первая тем больше, чем толще слой фотокатода. Средний свободный пробег фотонов с 1K ~ 3000 А в сурьмяно-цезиевом фотокатоде около Ю-5 елі. Вероятность выхода электрона из фотокатода тем меньше, чем в более глубоких слоях он образован в результате фотоэффекта. Поскольку средние пробеги фотоэлектронов в фотокатоде меньше, чем пробеги фотонов, то при малой толщине слоя фотокатода все фотоэлектроны могут покинуть фотокатод, но при этом будет поглощаться малая доля света. При большой толщине слоя фотокатода хотя и произойдет поглощение почти всех фотонов, но лишь малая доля фотоэлектронов покинет фотокатод. Таким образом, зависимость конверсионной эффективности фотокатода от его толщины имеет максимум.
Наиболее распространенными являются сурьмяно-цезиевые (Sb — Cs) и висмуто-серебряно-цезиевые (Bi — Ag — Cs) фотокатоды, для которых имеется наилучшее перекрытие спектральной чувствительности со спектром испускания многих сцинтилляторов.
Сложные фотокатоды представляют собой тонкую пленку толщиной в несколько сот или тысяч атомных слоев, нанесенных на металлической или изолирующей основе. Такие тонкие пленки получают последовательным испарением в вакууме составляющих компонент фотокатода. Сурьмяно-цезиевый фотокатод состоит из слоя SbCs3, внутри которого и на поверхности находятся адсорбированные атомы цезия.
Обсудим некоторые свойства фотокатодов, существенные при работе с фотоумножителями. Если фотокатод полностью затемнен, то и тогда с его поверхности будут выходить электроны в результате термоэмиссии. Это неизбежно, поскольку для получения высокой конверсионной эффективности фотокатод должен иметь малую работу выхода, а термоэмиссия тем больше, чем меньше работа выхода. Термоэлектронный ток сложных фотокатодов при комнатной температуре принимает значение порядка IO-14 — 10~15 а!см2, или IO4 — IO5 термоэлектрон/см2. Термоэмиссия резко растет с увеличением температуры. По Ричардсону термоэлектронный ток связан с температурой следующим образом:
і = AT2 ехр ( — ФоIkT), (7.8)
где T — температура; ф„ — работа выхода; А — постоянная.
Интегральная чувствительность фотокатодов зависит от температуры. С повышением температуры фототок сложных катодов заметно падает. Так, для сурьмяно-цезиевых фотокатодов при изменении температуры от 0 до 100° С фототок уменьшается в 1,2— 1,5 раза. При понижении температуры изменение фототока зависит от конструкции фотокатода. Фотокатоды, нанесенные на металлической пленке, не чувствительны к изменению температуры от О
226до — 200° С. В то же время фототок резко падает с понижением температуры (в 10 раз при изменении температуры от 0 до — 200° С) для фотокатодов, нанесенных на стекло.
Интегральная чувствительность фотокатодов в процессе эксплуатации, как правило, падает, причем чем больше световой поток и чем дольше происходит освещение фотокатода, тем меньше становится его чувствительность. Это явление носит название утомление фотокатодов:», и его связывают с процессами, происходящими в поверхностном слое. При облучении фотокатода часть ионов щелочного металла, образующихся на поверхности вследствие фотоионизации атомов, диффундируют внутрь катода под действием электрического поля. Этот процесс возможен, поскольку мгновенная рекомбинация затруднена из-за плохой проводимости внутренних слоев фотокатода. Таким образом, при освещении фотокатода поверхность обедняется атомами цезия, что приводит к увеличению работы выхода и, следовательно, к уменьшению фототока. Перемещения ионов цезия внутрь фотокатода будут тем интенсивнее, чем больше света попадает на фотокатод и чем больше разность потенциалов на фотокатоде. При таком механизме утомления чувствительность фотокатодов должна восстанавливаться после длительного «отдыха», так как происходит диффузия атомов цезия из внутренних слоев на поверхность катода.