5. Фотоэффект

При прохождении  -излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка γ-квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества. Взаимодействие гамма –квантов с веществом может быть следующим: Комптон эффект, фотоэффект, образование электрон-позитронных пар, упругое рассеяние.

 Фотоэффект. Если энергия γ-кванта больше энергии связи электрона оболочки атома, происходит фотоэффект. Это явление состоит в том, что фотон целиком поглощается атомом, а один из электронов атомной оболочки выбрасывается за пределы атома. Используя закон сохранения энергии, можно определить кинетическую энергию фотоэлектрона E_е:

Eе = Eγ - Ii - En,

где I_i − ионизационный потенциал оболочки атома, из которой выбивается электрон; E_n − энергия отдачи ядра, E_γ − энергия гамма-кванта. Величина энергии отдачи ядра обычно мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда энергия фотоэлектрона определится соотношением E_е = E_γ − I_i, где i = K, L, M,... − индекс электронной оболочки. Хорошо видные на рис. 8 "зубцы" в кривой эффективного сечения являются следствием скачков сечения фотоэффекта при росте энергии фотона выше различных ионизационных потенциалов электронных оболочек атома. Эффективное сечение фотоэффекта является суммой эффективных сечений фотоэффекта на отдельных электронных оболочках атома. Существенной особенностью фотоэффекта является то, что он не может происходить на свободном электроне, т. к. законы сохранения импульса и энергии в случае фотоэффекта на свободном электроне оказываются несовместимыми.     Фотоэффект происходит с наибольшей вероятностью (около 80%) на электронах атомной оболочки, наиболее сильно связанной с ядром атома, т.е. на K-оболочке.     Зависимость сечения фотоэффекта от атомного номера Z вещества поглотителя сильное: σ_ph ~ Z⁵. Фотоэффект является главным процессом, ответственным за поглощение  -квантов в области малых энергий. В области энергий E_γ< 0.5 МэВ величина эффективного сечения фотоэффекта очень резко спадает с ростом энергии гамма-квантов:  .

6. Фотоэлектронный умножитель

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) представляет собой электровакуумный прибор, в котором электронный фотоэлемент дополнен устройством для усиления фототока за счет вторичной электронной эмиссии.

Принцип устройства и работы ФЭУ

 

Принцип работы ФЭУ иллюстрирован на рисунке. Световой поток Ф вызывает электронную эмиссию из фотокатода ФК. Фотоэлектроны под действием ускоряющего электрического поля направляются на электрод Д₁ называемый динодом. Он является анодом по отношению к фотокатоду и одновременно играет роль вторично-электронного эмиттера. Динод делается из металла с достаточно сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Поэтому первичные электроны (ток I_ф), идущие с фотокатода, выбивают из динода Д₁ вторичные электроны, число которых в σ раз больше числа первичных электронов (σ — коэффициент вторичной эмиссии динода Д₁ обычно равный нескольким единицам). Таким образом, ток вторичных электронов с первого динода I₁ = σI_ф. Ток I₁ направляется на второй динод Д₂, имеющий более высокий положительный потенциал. Тогда от динода Д₂ за счет вторичной эмиссии начинается ток электронов I₂, который в σ раз больше тока I₁(для упрощения будем считать, что у всех динодов коэффициент вторичной эмиссии один и тот же), т. е. I₂ = σI₁ = σ²I_ф. В свою очередь, ток I₂ направляется на третий динод Д₃, у которого положительный потенциал еще выше, и от этого динода течет ток электронов I ₃ = σI₂ = σ³I_ф, и т. д.

С последнего, n-го, динода Д_n электронный ток I_n направляется на анод А, и тогда ток анода 1_а =I_n = σⁿI_ф. Таким образом, коэффициент усиления тока k_i = σⁿ. Например, если σ = 10 и п = 8, то k_i =10⁸. Практически усиление меньше, так как не удается все вторичные электроны, выбитые из данного динода, направить на следующий динод. Чтобы большее число вторичных электронов было использовано, разработаны ФЭУ с различной формой и различным взаимным расположением электродов. Для фокусировки потока вторичных электронов применяют, как правило, электрическое поле, поскольку фокусировка магнитным полем требует громоздких магнитных систем.

Простейший однокаскадный ФЭУ имеет фотокатод, динод и анод. У многокаскадных ФЭУ может быть коэффициент усиления тока до нескольких миллионов, а интегральная чувствительность достигает десятков ампер на люмен. Как правило, ФЭУ работают при малых анодных токах и малых световых потоках. Ток анода обычно бывает не более десятков миллиампер, а световые потоки на входе могут быть 10^-3 лм и менее.

Поскольку на каждом следующем диноде напряжение выше, чем на предыдущем, то анодное напряжение должно быть высоким (1—2 кВ), что является недостатком ФЭУ.