3.3. Фотоэлектронный умножитель.

Фотоэлектронный умножитель-это электронно-вакуумный прибор для преобразования слабых световых сигналов в электрические, основанный на фотоэлектронной и вторичной эмиссиях. Состоит из фотокатода, коллектора электронов (анода) и нескольких (15-20) эмиттеров вторичной эмиссии (динодов) (рис. 19.3). Напряжение на каждом диноде относительно фотокатода на (50-100) В выше, чем у предыдущего. Принцип действия электронного умножителя заключается в следующем.

Рис. 19.3. Схема работы фотоэлектронного умножителя.

Слабый электронный ток, испускаемый фотокатодом, направляется на первый эмиттер; возникающие на нем вторичные электроны ускоряются по направлению к следующему, где процесс повторяется. Если коэффициент вторичной эмиссии ( ) каждого эмиттера, превышает единицу, то на каждом каскаде происходит усиление электронного пучка в раз, а при n каскадах общий коэффициент усиления ( ) определится из равенства: . Для распространенных типов эмиттеров коэффициент вторичной эмиссии (при рабочем напряжении) равен 4-10, следовательно, при десяти-двадцати каскадах общий коэффициент усиления может достигать величин 10⁹-10¹¹.

Таким образом, даже отдельные фотоэлектроны создают на выходе фотоумножителя импульсы тока большой амплитуды. Интересно отметить, что при 90 каскадах один электрон дал бы 10⁵⁴ электронов, и для поддержания образующегося электрического тока не хватило бы всех электронов земного шара. В выше описанной последовательности размножения электронов предполагалось, что

а б

В

Рис. 20.3. Фотоэлектронные умножители с эмиттерами: а) в форме жалюзи (цифры внутри схемы 1-11 диноды), и б) с ковшеобразными динодами (1-8); в)-эквипотенциальные поверхности и ход электронных траекторий между ковшеобразными динодами.

все «рожденные» электроны последовательно, с каждого предыдущего эмиттера приходят на каждый последующий эмиттер без потерь, а коэффициент вторичной эмиссии для всех эмиттеров одинаков. Приближения к таким условиям обеспечивают тождественностью технологической обработки при изготовлении эмиттеров и придания им различной формы. Наиболее распространены две конфигурации: тип жалюзи (рис.20.3,а) и ковшеобразной формы (рис.20.3,б). Применение фотоумножителей в современной электронно-вакуумной технике многочисленны и разнообразны. Но наиболее успешным оказалось их применение в двух областях современной физики: это-спектроскопия и ядерная физика. При спектральных исследованиях интенсивность разложенного света нередко оказывается малой и недоступной для фотографической регистрации, поэтому применение фотоэлектронных умножителей приносит здесь неоценимые преимущества. В ядерной физике фотоумножители применяются как для регистрации частиц, так и для определения их энергии. Прибором для регистрации является сцинтилляционный счетчик, представляющий собой комбинацию фотоэлектронного умножителя с люминофором (рис.21.3), а принцип его работы заключается в следующем. Быстрая частица, проходя через кристалл люминофора, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращение, после возбуждения, в основное состояние сопровождается (световой вспышкой) испусканием фотонов. Световая вспышка регистрируется фотокатодом умножителя, (рис.21.3.) который находится в оптическом контакте с кристаллом. Фотоны, попадая на катод фотоэлектронного умножителя, выбивают электроны, в результате чего на его коллекторе возникает электрический импульс, который далее регистрируется и усиливается.

Рис.21.3. Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика с применением светопровода между кристаллом и катодом фотоумножтеля. 1-2-эмиттеры фотоумножителя.

Кратковременность вспышки позволяет вести регистрацию частиц при очень высокой скорости счета. Если пробег частицы укладывается в кристалле, то величина световой вспышки в широком интервале энергии оказывается монотонной и приблизительно линейно возрастающей функцией энергии, Это обстоятельство позволяет использовать подобные устройства не только как счетчики, но и как сцинтилляционные спектрометры.

Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектральной областью чувствительности фотоэлектронного умножителя, а сцинтиллятор был прозрачен для собственного излучения. Доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию, называется конверсионной эффективностью ( . Наибольшими обладают кристаллы NaJ, антрацена и ZnS. Интенсивность свечения после прохождения частицы изменяется во времени экспоненциально:

, (7.3)

где: I₀-начальная интенсивность, -время высвечивания, определяемое временем жизни на возбужденных уровнях.

Для большинства сцинтилляторов величина, Чем меньше величина , тем более быстродействующим является сцинтилляционный счетчик. Самым малым обладают пластмассы.

Вопросы для самопроверки.

1. Какие физические процессы вызывают появление тормозного и характеристического рентгеновского излучения.

2. От чего зависит интенсивность тормозного и характеристического излучения. Какими физико-химическими параметрами ограничивают проникающую способность рентгеновских лучей.

3. Объясните разницу между рентгенологическим, рентгеноструктурным и рентгеноспектральным методами анализа.

4. Сформулируйте требования к образцу для исследования в электронно-ионном проекторе. Что такое тренировка образца, и какими физическими процессами она сопровождается.

5. За счет, каких физических процессов формируется изображение в электронном проекторе. Какими физическими процессами ограничена разрешающая способность прибора.

6. За счет, каких процессов формируется изображение в ионном проекторе. Почему разрешающая способность ионного проектора на порядок выше, чем электронного.

6. От чего зависит коэффициент усиления ФЭУ.

7. Что такое конверсионная эффективность сцинтилляционного кристалла.

8. Назовите области применения сцинтилляционных счетчиков.