Оптический метод регистрации излучений

 

 

Введение

В 1934 году Л.А. Кубецким был получен первый действующий образец нового фотоэлектрического прибора – фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Трудно  переоценить значение этого изобретения  и его практического осуществления  для развития науки и техники, когда фотоэлектронные умножители получили столь широкое распространение  и стали незаменимым орудием  исследования в ядерной физике, в  оптике и астрономии, в биологии, медицине и сельском хозяйстве, в  химии и металлургии и находят  все более широкие технические  применения в автоматизации управления производственными процессами, в  поисках полезных ископаемых и т. п. Необходимо иметь в виду также, что сам метод вторично-электронного усиления умножения сделал возможной  непосредственную регистрацию отдельных  молекулярных, атомных и ядерных  частиц (электронные умножители), а  также нашел важные применения в  электронных лампах.

Изобретение Л. А. Кубецкого, и особенно практическое его осуществление, открыло новый этап в развитии исследования любых явлений, связанных или могущих быть так или иначе связанными с испусканием и поглощением света, дав в руки исследователей электронный инструмент непревзойденной и принципиально непревосходимой чувствительности, точности и быстроты действия.

Все значение фотоэлектронных умножителей  было оценено далеко не сразу. Оно раскрылось лишь после того, как было показано, что  ни с каким другим приемником в  ядерной физике не может быть получено такой подробной информации об исследуемых процессах, как при использовании фотоэлектронного умножителя. Этот новый этап развития начался  в 1948 г., т. е. на 14 лет позже рождения первого ФЭУ.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - очень распространенный и во многих случаях незаменимый детектор излучения. Он позволяет регистрировать и предельно слабые и довольно интенсивные потоки. От единиц до  … фотонов в секунду. Постоянная времени - порядка…с , т.е. допускает весьма высокие частоты модуляции. Может быть размещен на воздухе и в вакууме. На выходе дает легко измеримый сигнал. Все это с лихвой компенсирует неудобства, связанные с необходимостью использования высоковольтных блоков питания (0.5…2.5 кВ) и довольно большими габаритами ФЭУ. 

 

 

1.Оптический метод регистрации излучений

В настоящее время существует достаточно много методов регистрации ионизирующих излучений. Выбор того или иного метода производится с учетом вида излучения и той информации, которую хотят получать: простое обнаружение излучения, измерение энергии частиц, определение активности и т. д. В соответствии с поставленными задачами выбирают тип измерительных приборов. Для измерения активности и плотности потоков ионизирующих излучений используют радиометры, для определения дозы излучений — дозиметры, для нахождения распределения излучения по определенным параметрам (энергии, заряду, массе) — спектрометры. 
К основным и наиболее часто применяемым методам регистрации относятся следующие: ионизационные, оптические (сцинтилляционные), химические и фотографические.

Взаимодействуя с веществом, ядерное излучение наряду с ионизацией производит возбуждение атомов и молекул. Через некоторое время (в зависимости от вещества) возбужденные атомы и молекулы переходят в невозбужденное состояние с выделением энергии во внешнюю среду. У некоторых веществ (сернистый цинк, йодистый натрий, антрацен, нафталин и др.) такой переход сопровождается испусканием энергии возбуждения в виде квантов видимого инфракрасного и ультрафиолетового света. Внешне это проявляется в виде вспышек света — сцинтилляций, которые можно зарегистрировать с помощью соответствующих приборов. На регистрации сцинтилляций, возникающих в определенных веществах при облучении их ионизирующими излучениями, и основаны оптические методы. 
Принцип работы сцинтилляционного детектора следующий: под действием излучений происходит ионизация и возбуждение атомов. При переходе атомов из ионизированных и возбужденных состояний в основное высвечивается энергия в виде вспышки света (сцинтилляции), которая может быть зарегистрирована различными способами. Лучший из них состоит в преобразовании энергии света в электрический сигнал с помощью оптически связанного со сцинтиллятором фотоэлектронного умножителя. 
В настоящее время известно очень много различных сцинтилляторов – жидких, твердых, газообразных и в виде порошков различной плотности. Это позволяет подобрать необходимый детектор для наиболее эффективной регистрации любого ионизирующего излучения в широком диапазоне энергий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  2. Устройство и принцип работы ФЭУ

2.1.Схема включения ФЭУ

Рис.2.1.1. Схема включения ФЭУ

На рис. 2.1.1.  дана схема включения ФЭУ. Напряжение на его диноды подается с помощью делителя напряжения, которой собирается из сопротивлений 0,1-1 МОм. Обычно все сопротивления одинаковы, но иногда последнее делается в два раза больше остальных, как это изображено на схеме. Источник питания должен давать достаточно стабильное напряжение  1-2 КВ при потребляемом токе до нескольких миллиампер. Обычно для этого применяют стабилизированные выпрямители.

На стабильность работы ФЭУ влияют, кроме  неустойчивости питания, также внешние наводки, обусловленные электрическими и магнитными полями. Они могут рассеивать электроны и тем самым менять коэффициент усиления. В силу малой инерции ФЭУ чувствителен не только к постоянным, но и к переменным, в том числе и высокочастотным полям.  Поэтому при работе ФЭУ тщательно экранируют. Для этого умножитель обычно вместе с делителем напряжения помещается в металлический кожух. Кожух снабжен лишь отверстиями, необходимыми для прохода освещающего света и вывода проводов. Все провода проходят в тщательно экранированном кабеле и соединяются с ФЭУ с помощью разъемов. Кожух одновременно защищает ФЭУ от постороннего света и механических повреждений.

Для охлаждения ФЭУ весь прибор погружается в сосуд Дьюара с жидким азотом или твердой углекислотой, либо охлаждается с помощью хладопровода – медного стержня, одним концом погруженного в жидкий азот, а другим – соединенного с толстым металлическим кольцом, охватывающим катодную часть ФЭУ.

Существуют фотоумножители, выполненные в виде сосуда Дьюара, на внутренние стенки которого нанесен фотокатод. Это наиболее удобный способ охлаждения. Промышленностью такие фотоумножители не изготовляются.

При охлаждении ФЭУ должны быть приняты все меры, чтобы влага не конденсировалась на колбе и электродах прибора. Поэтому если весь ФЭУ не погружается в сосуд Дьюара, то кожух должен быть герметизирован и содержать внутри осушитель. Измеряемый свет при этом удобнее всего вводить внутрь с помощью светопровода в виде стеклянного стержня, а еще лучше в виде жгута стеклянных волокон достаточной длины, чтобы наружная часть его заметно не охлаждалась (достаточна длина 10-12 см).

2.2.Фотокатод

Конструкция каждого ФЭУ должна обеспечить оптимальные условия попадания светового излучения на фотокатод (оптический вход ФЭУ), поэтому применяются различные геометрические расположения фотокатода относительно оси вакуумной колбы и различные материалы входных окон.

Для регистрации несфокусированного излучения используется торцевой оптический вход. В этом случае полупрозрачный фотокатод, работающий «на просвет» (излучение попадает на фотокатод со стороны подложки), формируется при изготовлении в виде тонкой пленки непосредственно на плоском входном окне. Диаметр фотокатода может превышать 250мм, но наиболее широко применяются ФЭК с диаметрами рабочей площади от 5 до 50мм.

Сфокусированные световые пучки можно регистрировать и с фотокатодом малой площади, в том числе – работающим «на отражение» (излучение попадает на фотокатод со стороны вакуума). Входное окно при этом располагается или на торце, или на боковой стенке колбы.

В этом случае мы имеем массивный фотокатод, формируемый на металлической, т.е. хорошо проводящей поверхности. Он имеет существенные  преимущества перед полупрозрачным и по эмиссионным свойствам и, главное, по электрическим. Дело в том, что материал фотокатода – полупроводник с невысокой и сильно зависящей от температуры проводимостью. Электрод к полупрозрачному фотокатоду может быть проведен только по периферии, так что при больших интенсивностях света и соответственно больших токах эмиссии проводимость вдоль тонкой пленки от периферии к центру может оказаться недостаточной , особенно если фотокатод придется охлаждать для уменьшения темнового тока. В массивном фотокатоде  ток  от металлического электрода к поверхности течет не вдоль, а поперек слоя и ограничений по величине фототока практически не возникает.

Катодная камера

Катодная камера ФЭУ образуется поверхностями фотокатода и первого динода, а также расположенными между ними электродами, форма и распределение потенциалов на которых определяют ее электронно-оптические свойства. У нее две функции: вытягивание электронов с фотокатода и фокусировка их на первый динод. Отсюда и характеристические параметры.

Эффективность, т.е.коэффициент сбора электронов с фотокатода на первый динод.

Острота фокусировки , определяющая допустимое отношение рабочих площадей фотокатода и первого динода.

Разброс времен полета электронов, вылетающих с различных точек фотокатода. Он приводит к неопределенности времени задержки импульса на выходе ФЭУ относительно момента поглощения фотона и определяет временную ширину многоэлектронного импульса .

Рис.2.2.1.Некоторые варианты электронно-оптических систем для ФЭУ с торцевым входом. Числа у электродов – потенциалы.

На рис.2.2.1 показаны три типа катодных камер ФЭУ с торцевым входом (и полупрозрачным фотокатодом). Ради улучшения эффективности сбора фотоэлектронов и, главное, ради уменьшения разброса времен их пролета из разных точек фотокатода, иногда приходится собирать довольно сложные электронно-оптические системы.

2.3. Устройство  динодов и анода

Динодная система .

 Конструкции динодных  систем бывают различны. В основном, в выпускаемых промышленностью  ФЭУ используются коробчатые  системы, жалюзийные, корытообразные. Реже – система с непрерывным динодом.

 В коробчатой системе (Рис.2.3.1а,б) динод представляет собой часть поверхности цилиндра (в сечении обычно ¼ окружности), закрытую с торцов крышками. Эта система характеризуется неострой фокусировкой электронов, малой напряженностью электрического поля у поверхности динода и малой величиной его рабочей площади.

 Достоинства коробчатой  системы – высокая эффективность  каскада (~95%) при использовании различных  типов вторично-эмиссионных поверхностей (SbCs и BeO на  CuBe), жесткость формы  динода, почти полная экранировка  пролетных промежутков от влияния  крепежных изоляторов, компактность. Широко применяется при создании  малошумящих механических устойчивых  ФЭУ.

Рис.2.31. Динодные системы ФЭУ. Пояснения в тексте

Корытообразные диноды  (Рис.2.3.1в) – почти то- же самое, что и коробчатые, но у них  нет боковых стенок, а форма поверхности динода обеспечивает нужную фокусировку электронов. В системах с острой фокусировкой используются различные варианты корытообразных динодов. Например, тороидальные диноды, представляющие собой поверхности тела вращения этого профиля.

Жалюзийная система (Рис.2.3.1г) имеет диноды, состоящие из наклонных полосок – лопастей жалюзи, являющихся эмиттерами вторичных электронов, и прозрачной сетки, находящейся по тем же потенциалом. Сетка экранирует жалюзи от тормозящего поля предыдущего динода, обеспечивая попадание вторичных электронов на лопасти следующего динода. У такой системы рабочая площадь динода относительно велика, а междинодное расстояние может быть сделано достаточно малым. Электрическое поле между жалюзийными динодам является приблизительно однородным. При переходе с каскада на каскад по мере увеличения числа и плотности электронов в пачке происходит ее расширение из-за взаимного расталкивания электронов. Жалюзийная система характеризуется неострой фокусировкой и не препятствует этому расширению, что увеличивает площадь динода, по которой распределяется электронный поток, и обеспечивает устойчивость сигнала ФЭУ при больших токовых нагрузках. В тоже время, напряженность электрического поля у поверхности динода велика и это позволяет довести разброс времен пролета электронов между двумя каскадами до величин менее 1 нс.

Недостатком жалюзийной системы является возможность пролета электронов через динод без умножения, т.е. невысокая эффективность динодного каскада. Эта же причина ухудшает и временное разрешение.

Большие возможности для миниатюризации ФЭУ и систем с их применением представляются при использовании непрерывного динода с распределенным сопротивлением. В этой системе нет отдельных динодов. Умножение электронного потока происходит при его движении внутри замкнутого объема (например – трубки),  ограниченного поверхностью с хорошей вторичноэмиссионной способностью. Если внутренние стенки трубки покрыты полупроводящим слоем и к торцам ее приложена разность потенциалов, то внутри мы получим продольное ускоряющее поле. Точки соударений электронов со стенкой случайны, но при правильном выборе соотношения диаметра и длины (примерно 1:50) свойства умножителя получаются прекрасными. На таких системах могут быть построены “микроканальные пластины”, представляющие собой пластинку, испещренную каналами диаметром в 10 – 20 мкм, с шагом 20 – 40 мкм, т.е. имеющую 1000 – 2000 миниатюрных умножителей на 1 . Торцы пластины металлизируются, и к ним подводятся рабочие потенциалы, одновременно ко всем каналам. Толщина пластины 0,5 – 2 мм. Коэффициент усиления может достигать .

 

 

Анодный блок.

Анодный блок не должен ухудшать параметры ФЭУ, определяемые другими конструктивными элементами: катодной камерой и динодной системой. От

конструкции анодного блока зависит величина линейного участка световой характеристики, быстродействие ФЭУ и возможность правильного согласования с  последующей радиотехнической цепью. В большинстве случаев анодный блок состоит из двух электродов: последнего динода и коллектора (анода), лишь в отдельных быстродействующих ФЭУ применяются дополнительные электроды для рассасывания объемного заряда и фокусировки электронов на коллектор.

В системе выхода с прямым сбором электронов (ФЭУ-35, ФЭУ-27) массивный анод геометрически является последним электродом системы. В этом случае анодная характеристика (зависимость тока ФЭУ от напряжения между последним динодом и анодом при постоянных каскадных напряжениях и постоянной засветкой фотокатода) может иметь максимум из-за «перехвата» электронов с предпоследнего динода при повышенных напряжениях. В рефлекторной конструкции (все типы жалюзийных ФЭУ, ФЭУ-17 – ФЭУ-19, ФЭУ-22, ФЭУ-24, ФЭУ-26, ФЭУ-29 – ФЭУ -31, ФЭУ-36-ФЭУ – ФЭУ-39, ФЭУ-50, ФЭУ-51) сеточный анод располагается между последним и предпоследними динодами, обеспечивая малое  напряжение насыщения и широкий плоский участок анодной характеристики. Сеточный анод, расположенный вблизи поверхности последнего динода, способствует рассасыванию объемного заряда и продлению линейного участка световой характеристики ФЭУ.