11. Приборы для усиления малых токов. Фотоумножители. Устройство и работа сцинтилляционного счетчика.

Фотоумножители тонкого слоя (сиротский бутерброд)

Фотоэлектронный умножитель – это электровакуумный прибор для преобразования слабых световых сигналов в электрические, основанный на фотоэлектронной и вторичных эмиссиях. Прибор состоит из фотокатода, коллектора электронов(анода) и нескольких (15 до 20) эмиттеров вторичной эмиссии (динодов). Напряжение на каждом диноде относительно фотокатода на 50-100 В выше,чем у предыдущего.

Принцип действия электронного умножителя заключается в том, что слабый электронный ток, испускаемый фотокатода,направляется на первый эмиттер; возникающее на нем вторичные электроны ускоряются по направление следующему- где процесс повторяется. Если коэффициент ВЭ каждого эмиттера,превышает единицу, то на каждом каскаде происходит усиление электронного пучка в () раз, а при n каскадах общий коэффициент усиления () определяется из равенства: Для распространения типов эмиттеров коэффициент ВЭ равен 4-10 => при10-20 каскадах общий коэффициент усиления может достигать 10⁹-10¹¹.  Отдельные фотоэлектроны создают на выходе фотоумножитель импульсы тока большой амплитуды. Последовательность размножения электронов -все рождённые электроны последовательно, с каждого предыдущего эмиттера приходятся каждый последующий эмиттер без потерь, а коэффициент ВЭ для всех эмиттеров одинаковый. при лишения к таким условиям обеспечивают тождественностью технологической обработки при изготовлении эмиттеров и придания им различной формы.

Наиболее распространены 2 конфигурации:

1)тип жалюзи(рис.3.20а)

2)ковшеобразный формы(рис.3.20.б)

Применение ФУ:

В современной электровакуумной технике: спектроскоии, ядерная физика.

Прибором для регистрации являтся сцинтилляционный счетчик , представляющий собой комбинацию фотоэлектронного умножителя с люминофором(рис.3.21).

Принцип рботы: заключается в том, что быстрая частица , проходя через кристалл люминофора, инизирует томы и молекулы и возбуждает их. Возврщение после возбуждения в основное состояние сопровождается испускаем фотонов (световой вспышкой. Световая вспышка регистрируется фотокатодом умножителя, который находится в оптическом контакте с кристаллом. Фотоны, попадая на катод фотоэлектронногоумножителя, выбивают электроны , в результате чего на его коллекторе возникает электрический импульс, который далее регистрируется и усиливается.

Кратковременная вспышка позволяет вести регистрацию частиц при очень высокой скорости счета. Если пробег частиц укладывается в кристалле, то величин световой вспышки в широком интервале энергии оказываются монотонной и приблизительно линейно возрастающей функцией энергии. Это момент позволяет использовать подобное устройства не только как счетчик, но и как сцинтилляционные спектрометры.

Интенсивность свечения после прохождения частиц изменяется во времени экспоненциально:

- начальная интенсивность, -время высвечивания, определяемое временем жизни на возбужденных ровнях. Для большинство сцинтилляторов ≈10^-9 – 10^-5 с. Чем меньше величина , тем более быстродействующим будет сцинтилляционный счетчик.

НЕЦЕНТРОСИММЕТРИЧНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ.

1. Пьезоэлектрики – области применения.

П ь е з о э л е к т р и к и  — диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. 

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений.

При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля. Хотя в настоящее время известно более тысячи веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в пьезотехнике применяется ограниченное количество материалов. Важное место среди них занимает монокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с нужной для получения высоких характеристик кристаллографической ориентацией

В твердых телах механическое напряжение Т в соответствии с законом Гука вызывает упругую деформацию S:

T = YS, (5.1)

где Y – модуль упругости.

В пьезоэлектриках оно вызывает, кроме того, ропорциональную электрическую поляризацию:

P=dT, (5.2)

где d – коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем, Кл/Н.

Таким образом, кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствии внешнего электрического поля, называется пьезоэлектриками, а сам эффект — пьезоэффектом или пьезоэлектричеством.

Существует и обратный пьезоэффект, вызывающий появление механической деформации под действием прикладываемого электрического поля:

S=dE. (5.3)

Обратный пьезоэффект необходимо отличать от электрострикции — деформации, возникающей вследствие смещения зарядов в диэлектрике любой природы. В этом случае, в отличии от пьезоэффекта. Наблюдается квадратичная зависимость деформации от поля и знак деформации не зависит от электрической полярности (большинство диэлектриков растягиваются в направлении приложенного поля).

Для электрострикции не существует аналога прямого пьезоэффекта — при действии механических напряжений поляризация не происходит.

Необходимое условие пьезоэффекта — отсутствие центра инверсии ионного кристалла. В этом случае при деформационных смещениях составляющих кристалл заряженных частиц возникает электрический момент (поляризация).

При наличии центра инверсии смещения положительных и отрицательных зарядов компенсируют друг друга и макроскопическая поляризация не наблюдается. Единственным исключением являются кубические кристаллы с точечной группой симметрии 432, в которых компенсация смещений положительных и отрицательных частиц так же наблюдается. Несмотря на отсутствие центра симметрии. Кроме того, пьезоэлектриками могут быть лишь вещества с высоким удельным сопротивлением (т.е. диэлектрики), поскольку в проводящих средах пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда. Таким образом, из общего числа 32 кристаллографических классов, или точечных групп, к которым принадлежат все кристаллы, 20 классов (из 21), не имеющих центра симметрии, допускают существование пьезоэлектрического эффекта. Однако лишь малая часть кристаллов этих групп обладает достаточно большим пьезоэффектом: кварц, сегнетова соль, титанат бария — стронция и др.

Количественной характеристикой пьезоэффекта является совокупность пьезоконстант (пьезомодулей) — коэффициентов пропорциональности в отношениях между электрическими (Е и Р) и механическими (Т, U) параметрами. Связь между ними носит линейный характер[1].

Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца

б-SiO₂. Особенностью пьезоэффекта в кварце является то,что он в соответствии с его симметрией не обладает пьезоэлектрическими свойствами в направлении осиZ(оси с).Поэтому используют пьезоэлектрические срезы кварца (X и Y — срезы), перпендикулярные кристаллографическим осям X и Y.

Пластины X – среза используется для возбуждения продольного, а пластины Y – среза — поперечного пьезоэффектов. При сжатии вдоль оси X₁ (рис. 2.1) ионы Si⁺ и О^- перемещаются в глубь ячейки кристалла (содержащей три молекулы SiО₂), в результате чего на плоскостях А и В появляются заряды. При растяжении в этих плоскостях возникают заряды противоположного знака.

Одно из самых ценных свойств кварца — способность мало изменять и хорошо воспроизводить свои характеристики в широком интервале температур. Стабильность характеристик кварца обеспечивает его широкое применение, и в первую очередь в кварцевых генераторах (для стабилизации их частоты ), в высокочастотных электромеханических преобразователях, пьезоэлектрических фильтрах и др.

Пьезоэлектрики используются для изготовления различных электромеханических преобразователей.Под действием механической нагрузки наблюдается не только электрическая поляризация, но и изменение оптических свойств материалов — пьезооптический эффект (появление двойного лучепреломления в изотропных материалах и его изменение — в анизотропных). На данном эффекте основан поляризационно — оптический метод исследования механических напряжений.

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как датчики давления, пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.