ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5929
Скачиваний: 1
146
быстрых нейтронов.
10.2.4 Неорганические монокристаллы
Свойствами фосфоров обладают монокристаллы некоторых
неорганических соединении. Наиболее распространенные фосфоры
этого типа NaI, CsI, KI, LiI, ZnS и др.
Приведем характеристики некоторых неорганических фосфоров
Большинство из них содержит активаторы, вводимые в кристалл во
время его выращивания. Активатор в неорганических фосфорах не
является сцинтиллятором, а лишь создает центры испускания света в
кристалле. Активатор указывается в скобках после химической
формулы фосфора. Активатором фосфоров NaI, CsI, KI служит Тl,
для LiI–Еu и для ZnS–Ag.
Фосфор NaI(Tl) широко применяется для регистрации заряженных
частиц и особенно γ-излучения. Он выращивается объемами от
нескольких кубических сантиметров до десятков кубических
дециметров, обладает хорошей прозрачностью и высокой
конверсионной способностью η=0,06. Фосфор NaI(Tl) требует
герметичной упаковки, так как он гигроскопичен. При поглощении
влаги из воздуха монокристалл NaI (Tl) разрушается.
Фосфор CsI(Tl) по своим характеристикам близок к фосфору
NaI(Tl). Однако он труднее выращивается до больших объемов. Его
стоимость значительно выше стоимости фосфора NaI(Tl).
Наибольшей конверсионной способностью (η =0,1) обладает
фосфор ZnS(Ag). Однако изготовить большой монокристалл ZnS(Ag)
практически невозможно. Обычно фосфор ZnS(Ag) используют в
виде мелкокристаллического порошка, что обусловливает его плохую
прозрачность. Вследствие этого при большой толщине фосфора
ZnS(Ag) значительная часть испущенного света не попадает на катод
ФЭУ.
Фосфоры испускают фотоны различных энергий (разной длины
волны λ). В таблице 10.1 приведена длина волны λ
0
, соответствующая
максимуму интенсивности испускаемого спектра света.
Для предохранения фосфора от механических повреждений,
химического взаимодействия с окружающей средой твердые, жидкие
и газообразные фосфоры, как правило, заключают в специальные
герметичные контейнеры.
147
Таблица 10.1 – Характеристики некоторых фосфоров
Фосфор
Плотность,
г/см
З
Постоянная
высвечивания τ, с
Конверсионная
способность η, %
Длина волны
λ
0
, Å
Антрацен
1,25
3*10
-8
4*10
-7
4
4400
Стильбен
1,16
6*10
-9
4*10
-7
~2
4100
р-Терфенил в ксилоле
—
2*10
-9
2
4000
p-Терфенил в полистироле
~1,0
2*10
-9
1,6
4000
NaI (T1)
3,67
2,5*10
-7
~6
4100
CsI (T1)
4,51
7*10
-7
~2
5600
LiI (Eu)
4,06
1,2*10
-6
4
4400
ZnS (Ag)
4,09
10
-7
10
-5
~10
4500
При регистрации заряженных частиц применяют твердые
фосфоры без упаковки. Внутренние поверхности контейнера, кроме
поверхности, обращенной к ФЭУ, должны хорошо отражать свет.
Этим достигается максимальная передача света на фотокатод ФЭУ.
Отражающие поверхности контейнера либо полируют, либо
покрывают тонким слоем диффузного отражателя. В качестве такого
отражателя используют белый порошок окиси магния, белые эмали
или слой тефлона. Часть контейнера, обращенную к ФЭУ, закрывают
оптическим стеклом, которое слабо поглощает и отражает свет.
Контейнер
изготовляют
из
чистого
алюминия
или
электролитической меди. Эти материалы обладают наименьшей
естественной
радиоактивностью,
что
обеспечивает
малый
собственный фон сцинтилляционного счетчика.
Упакованный фосфор удобнее сочленить с ФЭУ, чем
неупакованный. При упаковке фосфора и его сочленений с ФЭУ
особое внимание обращают на оптические контакты между
фосфором и стеклом контейнера. Для этого фосфор приклеивают к
стеклу контейнера специальным силиконовым клеем. Контейнер с
фосфором при монтаже с ФЭУ притирают с помощью прозрачных
масел, таких, как вазелиновое, велоситовое и т. д. Тонкая пленка
масла заполняет все неровности сочленяемых поверхностей и
ликвидирует небольшие воздушные промежутки между контейнером
и ФЭУ. Этим достигается значительное уменьшение рассеяния света.
Типичная упаковка монокристалла состоит из алюминиевого
цилиндра, с одной стороны закрытого оптическим стеклом. К стеклу
приклеивают фосфор, а пространство между фосфором и
контейнером заполняют порошком окиси магния. С обратной
стороны контейнер закрывают тонкой крышкой. Контейнер
148
герметизируют с помощью полимеризующихся смол.
10.3 Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)
ФЭУ относится к электровакуумным приборам. Он преобразует
вспышку света в фосфоре в импульс электрического тока. Принцип
работы ФЭУ по преобразованию вспышки света фосфора в поток
электронов и по дальнейшему их умножению основан на
фотоэффекте (рисунок 10.3).
1
2
3
4
5
R
Рисунок 10.3 – Схема умножения потока электронов в ФЭУ:
1 – источник излучения; 2 – фосфор; 3 – фотокатод;
4 – диноды; 5 – анод.
Фотоны вырывают из материала фотокатода некоторое количество
электронов.
Затем
электроны
фокусируются
специальными
электродами и ускоряются электрическим полем в пространстве
между фотокатодом и первым умножающим электродом (динодом).
Фокусировка потока электронов осуществляется подбором формы
электрического поля, создаваемого электродами ФЭУ. Поверхность
149
динода покрыта материалом, имеющим небольшую работу выхода
электронов. Тормозясь в диноде, каждый ускоренный электрон
выбивает из динода несколько вторичных электронов. Геометрия
динода обеспечивает фокусировку и направление выбитых
электронов на второй динод. Между первым и вторым динодами
прикладывается напряжение, ускоряющее электроны. После
ускорения поток электронов умножается на втором диноде и т. д.
Путем такого многократного умножения происходит усиление
потока электронов в ФЭУ.
Фотокатод ФЭУ изготовляют в виде полупрозрачного слоя
вещества, наносимого на внутреннюю поверхность торцовой части
ФЭУ. В качестве вещества фотокатода применяют сплавы сурьмы и
цезия (сурьмяно–цезиевые фотокатоды) или сплав висмута, серебра и
цезия. В некоторых ФЭУ сплав наносят на тонкую подкладку из
алюминия. Поверхность динодов также покрывают сплавом сурьмы
и цезия или сплавом алюминия, магния и кремния. Число динодов в
ФЭУ не превышает 16. Конструкция динодов в значительной
степени определяет характеристики ФЭУ.
Усиление потока электронов в ФЭУ зависит от величины
ускоряющего напряжения между двумя последовательными
динодами. Для характеристики размножения электронов в ФЭУ
введен коэффициент усиления i-ro каскада ФЭУ k
i
. Он равен
отношению числа испущенных динодом электронов к числу упавших
на него. Полный коэффициент усиления ФЭУ потока электронов:
k=k
1
k
2
k
3
….
k
n
(10.5)
где k
1
, k
2
, .... k
n
– коэффициенты усиления на первом, втором и
последующих динодах. Коэффициент усиления отдельного каскада
ФЭУ может достигать 10. Если усиление каскадов одинаково, то
коэффициент усиления ФЭУ:
n
k
k
1
(10.6)
Поток электронов собирается на последнем электроде ФЭУ,
называемом анодом. В цепь анода включают сопротивление
нагрузки,
на
котором
выделяется
импульс
напряжения.
Электрическая схема ФЭУ обеспечивает распределение потенциалов
между электродами и формирует импульс напряжения на
сопротивлении нагрузки. Она состоит из делителя напряжения,
собираемого из активных сопротивлений, емкостей, блокирующих
два–три последних каскада ФЭУ, и сопротивления нагрузки R в цепи
анода ФЭУ.
150
В процессе термоэмиссии из фотокатода постоянно вылетают
электроны. Они создают в ФЭУ небольшой ток, который называют
темновым. Для уменьшения темнового тока на фотокатод ФЭУ
подают отрицательный потенциал, а анод заземляют.
По делителю от анода к катоду протекает ток I
д
. Он создает
падения напряжения на сопротивлениях делителя и тем самым
обеспечивает заданные потенциалы на электродах ФЭУ. Кроме
стабильности напряжения, источник питания должен обеспечить
заметную величину тока I
д
.
В цепь анода ФЭУ включается сопротивление нагрузки R, на
котором
выделяется
импульс
напряжения,
регистрируемый
последующей электронной схемой. В зависимости от величины
вспышки света фосфора и типа ФЭУ на сопротивлении R выделяется
импульс от долей вольта до нескольких вольт.
Время пролета электронов в ФЭУ составляет примерно 10
-7
с.
Сцинтилляционный детектор как единый узел состоит из фосфора,
ФЭУ, монтажа электрической схемы питания, защиты ФЭУ от
попадания на него дневного света и действия магнитных полей. Этот
узел называют головкой сцинтилляционного счетчика.
Электрическую схему монтируют непосредственно на панели
ФЭУ или на отдельной плате. Расположение отдельных элементов
головки сцинтилляционного счетчика зависит от типа проводимых
измерений. Чаще всего их располагают конструктивно в
тонкостенном стальном или алюминиевом кожухе с разъемами для
подвода высокого напряжения и вывода сигнала с ФЭУ. Для лучшего
согласования выхода ФЭУ с последующей регистрирующей
аппаратурой в головке монтируют катодный повторитель. В такой
конструкции головки предусматривают разъем для подачи питания
катодного повторителя.
Иногда необходимо отделить пространственно фосфор и ФЭУ.
Тогда эти элементы сцинтилляционного счетчика соединяют между
собой световодом (светопроводом). Хорошим световодом является
оптический кварц, однако он трудно обрабатывается и весьма
дорогостоящий. Гораздо дешевле и легче в механической обработке
органическое стекло. Его светопроводящие свойства значительно
хуже, чем у кварца. В частности, органическое стекло поглощает
ультрафиолетовое излучение фосфора. Применение световода
приводит к значительной потере света при передаче его от фосфора к
ФЭУ. Потери света уменьшаются, если на боковой поверхности