4.4.4. Сцинтилляционные счетчики устройство и принцип работы фотоумножителя

Импульс света, возникающий в сцинтилляторе при прохождении через него ионизирующей частицы или кванта, регистрируется с помощью фотоэлектронного умножителя.

Попадая сквозь прозрачное окно на фотокатод умножителя, кванты света вырывают из светочувствительного слоя некоторое количество электронов. Фотоэлектроны ускоряются и фокусируются электрическим полем в вакууме так, что ударяются в специальный электрод, называемый динодом.

Динод изготавливается из вещества с малой работой выхода, способного при бомбардировке электронами испускать вторичные электроны в количестве, превышающем число первичных в несколько раз. Электроны, вылетающие из динода, вновь ускоряются электрическим полем и направляются на следующий динод, также являющийся эмиттером вторичных электронов.

Число динодов или эмиттеров в фотоумножителе может быть достаточно велико (~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

В фотоэлектрических умножителях в качестве светочувствительного слоя используются обычно интерметаллические соединения щелочных металлов (цезия, калия, натрия) с сурьмой. Широко применяемые сурьмяно-цезиевые фотокатоды изготавливаются путем последовательного выпаривания слоев сурьмы и цезия на какую-либо подкладку (например, на стекло). При этом образуется, по-видимому, слой SЬСз₃, внутри и на поверхности которого находятся адсорбированные атомы цезия.

Интегральная чувствительность суръмяно-цезиевого фотокатода может быть существенно увеличена путем обработки его кислородом (при комнатной температуре и малом давлении).

Фотокатод может быть вмонтирован в баллон умножителя так, что фотоэлектроны вылетают из светочувствительного слоя через ту же поверхность, на которую падает свет (рис. 1).

В этом случае для обеспечения максимального выхода фотоэлектронов толщина светочувствительного слоя должна быть сравнительно большой — порядка пробега регистрируемых фотонов.

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 и освещается так, как это показано на рис 2. Не трудно видеть, что этот вариант при работе в сцинтилляционном счетчике обеспечивает наиболее удачные геометрические условия собирания света.

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 и 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 (рис.3). Такой вариант использования полупрозрачного фотокатода может быть, однако, выполнен лишь в геометрии, изображенной на рис.1.

И, следовательно, при работе в сцинтилляционном счетчике вно-вь те же неудобства. Светочувствительные свойства фотокатода определяются его спектральной характеристикой, представляющей собой зависимость квантового выхода фотоэлектронов от длины волны света, облучающего фотокатод.

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 А, 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.

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.

Диаметры фотокатодов современных ФЭУ составляют 3—15 см.