Ядерная электроника - Цитович А.П.
Скачать (прямая ссылка):
J — сцинтиллятор; 2 — фотокатод; 3 — фокусирующий электрод; 4 — диноды; 5 — анод
15
широкое применение в ядерной экспериментальной физике и технике из-за хороших спектрометрических характеристик и, главное, из-за их очень высоких временных параметров, лежащих в наносекундиой и пикосекундной областях.
Временные характеристики и форма сигнала. При прохождении ионизирующей частицы в сцинтилляторе возникают фотоны, которые выбивают из фотокатода умножителя электроны; они многократно умножаются в результате вторичной эмиссии с динодов и достигают анода. Если время высвечивания сцинтиллятора значительно больше времени протекания процессов в ФЭУ, то ток в его анодной цепи пропорционален интенсивности световой вспышки и повторяет его форму. Это наблюдается при работе с медленными сцинтилляторами (Tc« 10~6Ч-10~7 с), когда ФЭУ можно представить безынерционным прибором. Если же работа ведется с быстрыми сцинтилляторами (Гс~ 10~8-М0-9 с), то скорость некоторых .процессов в умножителе надо учитывать.
Время выхода электронов из фотокатода и вторичных электронов из динодов достаточно мало — не более 1 пс, и его можно не рассматривать. Суммарное время пролета между динодами для разных ФЭУ составляет 4—70 не. При этом средний квадратический разброс времени пролета составляет (0,2—1) не, а время нарастания тока анода 0,5—3 не. В результате сигнал на выходе ФЭУ задерживается относительно импульса света и его форма несколько изменяется (рис. 1.6,6).
Влияние параметров ФЭУ на выходной сигнал можно оценить, зная закон высвечивания сцинтиллятора, которому следует фотоэлектронная эмиссия. В общем случае число электронов, покидающих фотокатод, можно представить в виде
п = N [ехр (— ЦТ сп) — ехр (— UTuavMT Сп — Т нар), (1.14)
где N — полное число* фотоэлектронов, вылетающих в результате сцинтилляции; ГНар и Tcu— постоянные, определяющие время нарастания и спада высвечивания, Гнар определяет время передачи энергии в веществе сцинтиллятора. Например, в пластическом сцинтилляторе возникает задержка в начале процесса высвечивания, вызванная тем, что энергия должна перейти от растворителя к фосфору, а затем к сместителю спектра. Постоянная Tcil9 как правило, больше Гнар; в неорганических сцинтилляторах вклад Tcu настолько велик, что Гнар можно пренебречь. Поэтому обычно сцинтилляционный процесс описывают одной или несколькими спадающими экспонентами, и изменение числа фотоэлектронов с катода можно приблизительно выразить в виде
п — N ехр (— ЦТ Сп)/Г сп.
После многократного умножения в цепи анода ФЭУ возникает импульс тока іа. Если предположить, что ФЭУ не вносит искажений в передачу сигнала сцинтилляции, то импульс тока можно записать в виде
»а (0 = / ехр (— t/Tc), (1.15)
16
где I—амплитудное значение анодного тока; Tc— время высвечивания сцинтиллятора.
Реальный импульс тока на выходе ФЭУ (рис. 1.6,6) задержан во времени относительно момента регистрации, и его форма несколько искажена. Последнее обстоятельство в основном вызвана тем, что отдельные электроны в ФЭУ проходят разные пути, а анодный ток меняется по вероятностному закону, определяемому геометрией электродов. Экспериментальные исследования показывают, что форма анодного тока, образованная одиночным фотоэлектроном, с некоторым приближением может быть аппроксимирована законом Гаусса. Этот вывод можно использовать для выяснения влияния параметров ФЭУ на передачу реального импульса сцинтилляции. Для этого определяется форма выходного импульса, при условии, что сцинтилляционный сигнал описывается выражением (1.15), а ФЭУ имеет разные времена пролета Tnv при постоянном размытии. Зависимость формы выходного импульса для различных отношений TnvITc, построенная в предположении, что полное число электронов, эмитированных в результате сцинтилляции, во всех случаях одинаково, приведена на рис. 1.7. Из нее следует, что с уменьшением Гпр, определяемого ФЭУ, форма импульса тока улучшается. Заметим, что неискаженная передача переднего фронта импульса особенно важна для временных исследований.
Большинство сцинтилляторов имеют, помимо основного быстрого компонента высвечивания несколько более медленных, и спад импульса анодного тока умножителя можно представит^ в виде суммы нескольких экспонент с различными постоянными времени. В целом форма импульса тока определяется видом регистрируемого излучения. На рис. 1.8 приведена форма сцинтилляционных импульсов для частиц с различной ионизационной способностью в» стильбене. Различие в форме импульсов тока используется для идентификации частиц.
Отличительная особенность сцинтилляционных счетчиков — наличие шумовых импульсов, возникающих на выходе ФЭУ. Онв образуются в результате умножения тепловых электронов, эмити-
импульсов в стильбене для частиц.
Рис. 1.7. Зависимость формы им- "Г”™ иониза«ионной спосо6-
агччт JlULIblU.
пульса тока ФЭУ для разных отно- ,
ШЄНИЙ TnvITe /-«-частицы; 2-протоны; 3 - электро-
1T
руемых фотокатодом. Способы уменьшения влияния шумов будут ,рассмотрены в дальнейшем.
