Число динодов, или эмиттеров, в фотоумножителе может быть достаточно велико – в пределах 10–30.
При переходе от динода к диноду количество электронов в каждом следующем поколении возрастает и, в зависимости от свойств и числа динодов, может превысить первоначальное количество электронов, возникших за счет фотоэффекта на катоде умножителя, на несколько порядков. При пролете электронного пучка между последним динодом и собирающим электродом, называемым коллектором, или анодом, во внешней цепи ФЭУ возникает импульс электрического тока (напряжения), который и регистрируется соответствующим электронным устройством.
Фотокатод. Фотокатод обычно располагается на внутренней поверхности плоской торцевой части баллона ФЭУ для целей спектрометрии ядерных излучений. В качестве материала фотокатода выбирается вещество, достаточно чувствительное к свету, испускаемому сцинтилляторами. В фотоэлектрических умножителях в качестве светочувствительного слоя используются обычно соединения щелочных металлов (цезия, калия, натрия) с сурьмой. Широко применяемые
29
сурьмяно-цезиевые фотокатоды изготовляются путем последовательного выпаривания слоев сурьмы и цезия на какую-либо подкладку (например, на стекло). При этом образуется слой SbСs3, внутри и на поверхности которого находятся адсорбированные атомы цезия. Максимум спектральной чувствительности сурьмяно-цезиевых фотокатодов лежит при 3900–4200 Å, что соответствует максимумам спектров люминесценции многих сцинтилляторов.
Фотокатод наносится на стекло в виде тонкого полупрозрачного слоя. Толщина этого слоя имеет значение. С одной стороны, для большого поглощения света она должна быть значительной, с другой стороны, возникающие фотоэлектроны, обладая очень малой энергией, не смогут выходить из толстого слоя и эффективный квантовый выход может оказаться малым, поэтому подбирается оптимальная толщина фотокатода. Также важно обеспечить равномерную толщину фотокатода, чтобы его чувствительность была одинакова на всей площади.
В сцинтилляционной γ-спектрометрии часто необходимо использовать твердые сцинтилляторы больших размеров, как по толщине, так и по диаметру, поэтому возникает необходимость изготовлять ФЭУ с большими диаметрами фотокатодов.
Фотокатоды в ФЭУ делаются с диаметром от нескольких сантиметров до 15–20 см. Фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, должны быть сфокусированы на первый умножительный электрод. Для этого используется система электростатических линз, которые представляют собой ряд фокусирующих диафрагм. Для получения хороших временных характеристик ФЭУ важно создать такую фокусирующую систему, чтобы электроны попадали на первый динод с минимальным временным разбросом.
Фотокатод может быть вмонтирован в баллон умножителя так, что фотоэлектроны вылетают из светочувствительного слоя через ту же поверхность, на которую падает свет.
Конструктивное выполнение ФЭУ с фотокатодом такого типа, вполне удобное при работе с параллельными пучками света, не позволяет, однако, эффективно использовать его в сцинтилляционном счетчике, поскольку условия собирания света далеки от оптимальных.
Поэтому в современных умножителях используются обычно так называемые полупрозрачные фотокатоды. Очень тонкий светочувствительный слой наносится на плоский торец стеклянного баллона фотоумножителя, этот вариант при работе в сцинтилляционном счетчике обеспечивает наиболее удачные геометрические условия собирания света.
30
Фотоэлектроны из полупрозрачного фотокатода вылетают через поверхность светочувствительного слоя, противоположную той, на которую падает свет. Это обстоятельство накладывает определенные условия на толщину слоя. Действительно, электроны, возникающие в светочувствительном слое вследствие фотоэффекта, имеют очень малые пробеги. Если толщина слоя будет выбрана так, что в нем поглотится большая часть света, падающего на фотокатод, то большая же часть фотоэлектронов не сможет выйти из светочувствительного слоя. При малой толщине слоя, наоборот, хотя все фотоэлектроны и смогут покинуть фотокатод, будет мало количество поглощенных квантов света.
Толщина полупрозрачного фотокатода подбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия, при которых свет конвертируется в фотоэлектроны с максимальным выходом. Выход фотоэлектронов из полупрозрачного светочувствительного слоя можно было бы увеличить примерно вдвое путем введения подложки (например, из алюминия), отражающей свет, прошедший через слой, в обратном направлении.
Свойства фотокатода характеризуются интегральной чувствительностью, представляющей собой отношение фототока (микроампер) к падающему на фотокатод световому потоку (люмен). Интегральная чувствительность сурьмяно-цезиевого фотокатода может быть существенно увеличена путем обработки его кислородом (при комнатной температуре и малом давлении).
Квантовый выход катода, т. е. вероятность вырывания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод, также является одной из его характеристик. Под квантовым выходом понимают число фотоэлектронов, испускаемых светочувствительным слоем фотокатода при поглощении им одного кванта света. Для наиболее часто используемых полупрозрачных сурьмяно-цезиевых фотокатодов квантовый выход в области наибольшей чувствительности, при облучении светом с длиной волны 4000 Å, составляет в лучшем случае 20–25 %. Для сурьмяно-цезиевых фотокатодов, сенсибилизированных кислородом, область наибольшей чувствительности сдвинута в сторону больших длин волн.
Величина квантового выхода фотокатода существенно зависит, особенно в области коротких длин волн, от свойств стекла, на которое нанесен светочувствительный слой.
Светочувствительные свойства фотокатода определяются его спектральной характеристикой, представляющей собой зависимость кван-
31
тового выхода фотоэлектронов от длины волны света, облучающего фотокатод. Область длин волн, охватываемая спектральной характеристикой ФЭУ, довольно широка, и спектры испускания для большинства сцинтилляторов достаточно хорошо укладываются в чувствительной области. В случае необходимости сместить спектральную характеристику в сторону более коротких длин волн, поглощаемых обычными стеклами, светочувствительный слой наносят на кварц или на специальное увиолевое стекло, прозрачное для ультрафиолетового излучения.
Важной характеристикой ФЭУ является коэффициент умножения М. Коэффициент умножения М не равен коэффициенту усиления М', который характеризует отношение тока на выходе ФЭУ к току, выходящему из катода:
М' = СМ,
где С < 1 – коэффициент сбора электронов, характеризующий эффективность сбора фотоэлектронов на первый динод.
Очень важным является постоянство коэффициента усиления М' ФЭУ как во времени, так и при изменении числа электронов, выходящих из фотокатода. Последнее обстоятельство позволяет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектрометров ядерных излучений.
К конструкциям сцинтилляционных счетчиков предъявляются следующие требования: – равномерное распределение света по фотокатоду; – отсутствие влияния магнитных полей; – наилучший сбор света сцинтилляций на фотокатоде; – затемнение от света посторонних источников; – стабильность коэффициента усиления ФЭУ.
При использовании сцинтилляционных счетчиков всегда необходимо добиваться наибольшего отношения амплитуды импульсов сигнала к амплитуде шумовых импульсов, что принуждает оптимально использовать интенсивности вспышек, возникающих в сцинтилляторе.
Диноды и коэффициент усиления ФЭУ. Умножающие электроды носят название динодов. Диноды изготовляются из материалов, коэффициент вторичной эмиссии которых больше единицы (s > l). Сфокусированные на первый динод, фотоэлектроны выбивают из него вторичные электроны. Число электронов, покидающих первый динод, в несколько раз больше числа фотоэлектронов. Все они направляются на
32
второй динод, где также выбивают вторичные электроны, и т. д. от динода к диноду, при этом число электронов увеличивается в s раз. При прохождении всей системы динодов поток электронов возрастает на 5–7 порядков и попадает на анод – собирающий электрод ФЭУ. Если ФЭУ работает в токовом режиме, то в цепь анода включаются приборы, усиливающие и измеряющие ток. При регистрации ядерных излучений обычно необходимо измерять число импульсов, возникающих под воздействием ионизирующих частиц, а также амплитуду этих импульсов. В этих случаях в цепь анода включается сопротивление, на котором и возникает импульс напряжения. Разность потенциалов между катодом и диафрагмой обеспечивает фокусировку фотоэлектронов на первый умножающий электрод.
Достаточно хорошим коэффициентом вторичной эмиссии является s = 5. Максимальное значение s для сурьмяно-цезиевых эмиттеров достигается при энергии электронов 350–400 эВ, а для сплавных эмиттеров – при 500–550 эВ. В первом случае s = 12,14, во втором s = 7,10. В рабочих режимах ФЭУ значение s несколько меньше. Электроны, покидающие катод в результате фотоэффекта, направляются на первый динод с помощью специальной диафрагмы, создающей ускоряющее и фокусирующее поле в пространстве между катодом и первым динодом. Для улучшения условий собирания электронов на первом диноде на внутреннюю поверхность баллона ФЭУ в области фокусировки наносят обычно проводящее покрытие.
Диноды имеют форму корыта, ковша или короба и монтируются последовательно в виде круговой или линейной системы. Круговое расположение динодов позволяет существенно сократить габаритные размеры ФЭУ. Иногда в ФЭУ используются диноды жалюзного типа, в этом случае расположение динодов, естественно, линейное. Число динодов в фотоумножителе обычно равно 10–12. Типичные конструкции динодов ФЭУ схематически изображены на рис. 7.
Рабочая поверхность динодов покрыта слоем вещества, для которого коэффициент вторичной эмиссии σ, показывающий, во сколько раз число вторичных электронов превышает число первичных, больше единицы. Для изготовления динодов можно использовать сплавы типа А1–Mg–Si или Сu–А1–Mg; поверхность таких динодов специально обрабатывается для повышения коэффициента вторичной эмиссии σ. Хорошими свойствами обладают и сурьмяно-цезиевые эмиттеры.
Коэффициент вторичной эмиссии σ зависит от энергии первичных электронов, т. е. от ускоряющей разности потенциалов, приложенной к
33
двум соседним динодам. При увеличении энергии первичных электронов коэффициент σ довольно быстро растет и при напряжении между динодами порядка 100 В составляет для сурьмяно-цезиевого эмиттера около 3
Химические детекторы.
К числу детекторов, в которых используются химические изменения входящих в них веществ, вызываемые радиоактивным излучением, относятся: а) химические дозиметры !химические реакции в жидкостях, изменение рН и проводимости); б) фотоэмульсии !выделение зерен серебра вдоль траектории частицы); в) специальные виды стекол или кристаллы !образование центров окраски, люминесцирующих центров или обесцвечивание).
24. Фотографические детекторы.
25. Трековые детекторы.
К трековым приборам относят устройства, в которых заряженные частицы в результате взаимодействия изменяют состояние вещества детектора таким образом, что делают видимыми следы (треки) заряженных частиц. В пересыщенном паре при определенных условиях ионы являются центрами конденсации и на них вырастают капельки жидкости, видимые невооруженным глазом. Это явление – конденсация пара на ионах – положено в основу работы камер Вильсона. В перегретой жидкости ионы являются центрами кипения. Заряженные частицы в такой жидкости оставляют след в виде цепочки газовых полостей (пузырьков). На этом явлении и основана работа пузырьковых камер. В фотопластинках заряженные частицы в результате ионизации создают центры проявления. Таким образом, образуется скрытое изображение трека, которое после проявления становится видимым. К трековым приборам относятся также искровые камеры. В них электрический пробой между электродами происходит вдоль направления движения заряженной частицы, что позволяет определить направление движения частицы и ее координаты.
Трековые приборы не только регистрируют акт прохождения заряженной частицы, но и определяют некоторые ее характеристики по плотности ионизации, по величине пробега, по числу δ-электронов. Возможности трековых приборов значительно увеличиваются, если их
58
помещают в магнитное поле. В этих случаях измерение радиуса кривизны трека дает дополнительную информацию о заряде, импульсе, массе заряженной частицы.
Камера Вильсона.
Если в парогазовой смеси давление паров выше давления насыщенных паров при данной температуре, то такое состояние пара называется пересыщенным. Величина пересыщения S определяется как отношение плотности пересыщенного пара (в данный момент) к плотности насыщенных паров при той же температуре. Пересыщенное состояние пара можно получить при быстром увеличении объема. Пересыщенное состояние пара нестабильно и при наличии центров конденсации происходит переход части пара в жидкую фазу, пока давление не достигнет давления насыщенных паров.
Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории ее движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 году (получена Нобелевская премия в 1927 г.). В 1899 году Вильсон обратил внимание на то, что в парогазовой смеси, очищенной от пыли, конденсация происходит при пересыщении S > 4, если рядом с объемом поместить источник ионизирующего излучения. Несколько позднее Дж. Дж. Томсон показал, что центры ионизации в данном случае – ионы. И, наконец, при S > 8 во всем объеме камеры образуется туман, плотность которого тем больше, чем больше величина пересыщения. В этом случае конденсация происходит и без ионизирующего излучения. Таким образом, если создается пересыщенное состояние при 4 < S < 8, центрами конденсации могут быть ионы. Это явление и было использовано Вильсоном для создания камеры, в которой за счет расширения создается метастабильное пересыщенное состояние. При прохождении заряженной частицы образуются ионы, на которых и происходит конденсация, т. е. вырастают капельки жидкости, которые фотографируются. Такая камера позволяет сфотографировать след (трек), оставленный заряженной частицей.
Пересыщение в камере при прочих равных условиях зависит от давления неконденсирующегося газа: чем выше давление газа, тем меньше требуемое расширение для получения заданного пересыщения. Работа при более высоких давлениях, кроме того, увеличивает число ионов на единице пути, что делает треки отчетливее.
Схема камеры Вильсона приведена на рис. 14. Верхнюю крышку камеры и боковые стенки обычно делают стеклянными; через верх-
59
нюю крышку производится фотографирование треков, а через боковые стенки – освещение. Дно камеры – это диафрагма, при движении которой образуется пересыщенное состояние пара. Дно камеры покрывают черным бархатом (для лучших условий фотографирования), пропитанным водой (или водно-спиртовой смесью).
Камеры Вильсона часто помещают в магнитное поле, это позволяет определять больше параметров регистрируемых частиц. След частицы необходимо сфотографировать таким образом, чтобы можно было найти длину пробега отдельной частицы, кривизну ее траектории, углы между траекториями частиц, движущихся в любой плоскости. Для этого треки фотографируют с двух различных точек. Стереоскопическая съемка следов частиц производится как одним объективом, так и двумя.
Рабочий цикл камеры включает в себя расширение, включение освещения, фотографирование треков и сжатие. Расширение камеры производится за время от нескольких сотых до десятых долей секунды, в зависимости от конструкции и размеров камеры. После того как про-
60
изошло расширение, газ в камере постепенно нагревается за счет притока тепла от стенок, пересыщение уменьшается и после некоторого времени, называемого временем чувствительности камеры, конденсация на ионах прекращается. Время чувствительности камеры определяют как время после расширения, в течение которого в камере остается пересыщение, достаточное для конденсации на ионах. Это время имеет большое значение при работе камер с управлением. Длительность экспозиции при фотографировании треков выбирают из условий получения наиболее четких снимков. После фотографирования треков производят уменьшение объема камеры. Парогазовая смесь в камере после сжатия будет находиться при более высокой температуре, чем в начале рабочего цикла. Повышение температуры, как уже отмечалось выше, требует больших расширений для определения необходимого пересыщения. Поэтому после сжатия, чтобы установить начальную температуру, необходимо некоторое время. Это время для камер с низким давлением и небольшим объемом может составлять порядка 1 с.
Но в камерах с большим объемом и высоким давлением оно может достигать сотен секунд. Так, при давлении в камере около 100 атм после каждого сжатия требуются около 900 с для отвода тепла, выделившегося при сжатии, после чего камера вновь готова к следующему расширению.
Плотность капель вдоль треков заряженных частиц в камерах Вильсона оказывается пропорциональной плотности ионизации. Плотность треков определяют по числу сгустков капель вдоль трека. Такие сгустки образуют электроны, появляющиеся в результате ионизации, с энергиями порядка нескольких сот электрон-вольт. Кривизну трека (при длине трека 10–20 см) с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, можно определить с точностью порядка 0,01– 0,02 см.
Камеры непрерывного действия (диффузионные камеры).
В некоторых случаях при исследованиях постоянного во времени поля излучений и невозможности управления камерами желательно иметь время чувствительности камер как можно больше. Поэтому представляют интерес камеры непрерывного действия (диффузионные камеры). На рис. 15 показана схема одного из вариантов диффузионной камеры низкого (нормального) давления.
Пересыщение пара можно создать не только расширением объема газовой среды, но и диффузией пара из нагретой области в холодную.
61
Этот принцип используется в диффузионной камере. Диффузионная камера была изобретена в 1936 году А. Ландгсдорфом.
Диффузионная камера – прибор, в котором можно наблюдать видимые следы (треки) заряженных частиц.
Принцип работы. Как и в камере Вильсона, треки в диффузионной камере создаются каплями жидкости в пересыщенном паре, а центрами конденсации являются ионы, образующиеся вдоль траектории заряженной частицы. Пересыщение газа в диффузионной камере достигается за счет непрерывного потока пара от более горячей поверхности у крышки камеры к холодной поверхности у ее дна. В отличие от камеры Вильсона, в диффузионной камере пересыщение существует постоянно, поэтому диффузионная камера чувствительна к ионизирующим частицам непрерывно.
В диффузионных камерах обычно используются пары спиртов, а для охлаждения – сухой лед. Металлическое дно камеры, заполненной газом, охлаждается твердой углекислотой до температуры –60…–70 °С. Вследствие теплопроводности газа и конвективного теплообмена между газом и стенками камеры в камере устанавливается большой перепад температуры по высоте. Верхняя часть камеры заполняется парами метилового спирта с упругостью, близкой к насыщению (при температуре от 10 до 20 °С). Пары спирта диффундируют вниз и конденсируются на дне камер. Так как температура газа в области, прилегающей ко дну камеры, значительно ниже, чем температура
62
у крышки, внизу образуется слой с пересыщением парами спирта, в котором формируются треки частиц. Высота чувствительного к ионизирующим частицам слоя в диффузионной камере достигает 50–70 мм. Четкие следы частиц в диффузионной камере образуются при температурных перепадах в чувствительном слое в интервале 50–10 град/см.
Поскольку диффузионная камера имеет непрерывную чувствительность, то она не может работать при большом уровне мощности излучения. Ионизация в этом случае уменьшает количество пара, находящегося в пересыщенном состоянии, и это может привести к тому, что не будут образовываться треки. Если камеры регистрируют частицы от импульсных источников излучения, то после каждой регистрации большого числа частиц необходимо время для диффузии пара в чувствительный объем. Это время составляет порядка нескольких секунд. По этим же причинам диффузионную камеру нельзя использовать в случаях большого постоянного фона ионизирующего излучения.
Диффузионные камеры высокого давления наполняют водородом до 3–4 Мн/м2 (30–40 атм) и гелием до 20 Мн/м2 (20 атм). Они применяются для изучения процессов взаимодействия частиц высокой энергии с ядрами водорода, дейтерия и гелия. Помещая диффузионную камеру в магнитное поле (~10–20 000 эрг), можно с большой точностью измерять импульсы частиц. С помощью диффузионных камер было исследовано образование π-мезонов при столкновениях протонов, нейтронов и других частиц с ядрами водорода и гелия; наблюдалось парное рождение λ-гиперонов с κ-мезонами при соударениях π-мезонов с протонами и др.
Пузырьковые камеры.
Пузырьковая камера – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка пузырьков пара вдоль траектории ее движения, т. е. действие детектора основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Изобретена Д. Глазером в 1952 году (получена Нобелевская премия в 1960 г.).
Идея создания пузырьковой камеры возникла у Д. Глазера во время работ с перегретыми жидкостями. Глазер нагревал в колбе небольшого объема эфир, поддерживая его в жидком состоянии увеличением действующего на объем давления. Если давление внезапно снималось, то эфир оставался в перегретом жидком метастабильном состоянии. Поднесенный к колбе радиоактивный препарат вызывал немедленное вскипание эфира, и кинокамера, регистрирующая кипение, показывала
63
треки ионизирующих частиц. Глазер установил, что длительное метастабильное состояние перегретой жидкости возможно только в том случае, если внутренняя поверхность колбы с жидкостью не имеет царапин, углов, является плавной. В противном случае происходит интенсивное самопроизвольное (без облучения) вскипание перегретой жидкости.
Подобного рода устройство стало известно как чистая пузырьковая камера. В такой камере перегретая жидкость не вскипала в течение 1 мин и даже дольше; она, по-видимому, могла бы оставаться в этом метастабильном состоянии очень долго, если бы не действие космического излучения. Эти камеры не удалось применить для исследований, так как только из стекла изготовить камеру больших размеров (высокое давление перегретой жидкости) невозможно и, кроме того, через толстые искривленные стекла нельзя фотографировать треки частиц с достаточной точностью. В результате работ Глейзера было установлено, что перегретая жидкость вскипает (начинает вскипать) вдоль трека заряженной частицы и что паровые пузырьки, образованные вдоль пути частицы, успевают вырасти до приемлемых для фотографирования размеров прежде, чем вскипает вся жидкость.
Пузырьковые камеры так бы и остались иллюстрацией интересного физического явления, если бы не получили развитие так называемые грязные камеры. Были изготовлены камеры из полированного металла с плоским стеклом, в которых удалось наблюдать треки заряженных частиц (рис. 16). Опыты с грязной камерой показали, что при быстром сбросе давления происходит быстрое вскипание жидкости в основном вблизи уплотняющих прокладок между стеклом и корпусом камеры, вблизи поршня, изменяющего давление, но скорость распространения кипения оказывается ограниченной теплопроводностью жидкости и стенок камеры и повышением давления в жидкости при кипении у стенок.