spez_fiz_pr_zachita

Исследования показали, что как быстрый, так и медленный компоненты сцинтилляции имеют одинаковый оптический спектр, обусловленный переходом с первого возбужденного синглетного уровня S1 на основной

уровень S0 . Возможно, что медленный компонент обусловлен медленной

флуоресценцией, а быстрый – обычной флуоресценцией. Для всех органических сцинтилляторов энергетический выход уменьшается при

Относительное количество ионизованных молекул и молекул в высших возбужденных состояниях тем больше, чем выше плотность ионизации, поэтому отношение интенсивностей медленной и быстрой компонент зависит от плотности ионизации.

4.2.6. Свойства некоторых органических кристаллов

Антрацен имеет наибольшую конверсионную эффективность среди органических сцинтилляторов ( 0,04). Для антрацена 8Б 30 нс, 8м 400 нс,

.max 445 нм, & 1,25 г см-3. Антрацен — очень непрочный кристалл и при резких изменениях температур покрывается трещинами. Световой выход в антрацене линейно зависит от энергии электронов, а для тяжелых заряженных частиц линейность нарушается, что можно видеть из рис. 4.9.

Стильбен обладает очень малым временем высвечивания быстрой компоненты (6 10-9 с) и сравнительно высокой конверсионной эффективностью (0,02). Для стильбена 8Б 6 нс, 8м 400 нс, .max 410 нм, & 1,16 г см-3. Кристаллы стильбена выращивают больших размеров.

Стильбен широко применяется для исследования энергетических распределений нейтронов по протонам отдачи при упругом рассеянии нейтронов на ядрах водорода и с успехом может применяться для исследования непрерывных спектров -излучения. Стильбен стал широко использоваться после того, как были разработаны специальные методы разделения импульсов от электронов и протонов отдачи, основанные на различных соотношениях интенсивностей быстрой и медленной компонент.

101

обладать. Активатор и растворитель должны быть так подобраны, чтобы первый возбужденный уровень растворителя был выше первого уровня активатора. Тогда имеется возможность передачи энергии возбуждения от молекул растворителя молекулам активатора. После прохождения заряженной частицы в основном будут возбуждены молекулы растворителя, поскольку их концентрация в растворе значительно больше. В результате радиационных или нерадиационных процессов энергия возбуждения будет распространяться по сцинтиллятору, и передаваться молекулам активатора, которые с определенной вероятностью в результате радиационных переходов будут испускать фотоны.

Поскольку спектр испускания активатора не совпадает со спектром поглощения растворителя, а концентрация активатора мала, то раствор оказывается прозрачным для спектра испускания активатора. Процесс передачи энергии возбуждения молекулам активатора несколько замедляет процесс высвечивания фотонов по сравнению со временем жизни молекул активатора в возбужденном состоянии.

Концентрация активатора в растворителе имеет оптимальное значение. И это понятно, так как при очень малых концентрациях мала вероятность возбуждения молекул активатора по сравнению с вероятностью поглощения возбуждений в центрах тушения. Увеличение концентрации активатора сначала ведет к росту световыхода, затем световыход, пройдя через максимум, начинает уменьшаться, что связано с ростом вероятности поглощения фотонов люминесценции вновь молекулами активатора. Такое повторное поглощение увеличивает вероятность тушения, поскольку молекулы активатора из возбужденного состояния могут перейти в основное и нерадиационным путем.

Спектры испускания органических сцинтилляторов имеют максимум в области длин волн 400-350 нм. Для того чтобы спектр испускания сцинтилляторов лучше соответствовал спектральной чувствительности фотоумножителя, часто добавляют небольшие количества (0,01-0,5 г/л) сместителей спектра. Сместитель спектра эффективен в том случае, если он обладает высокой конверсионной эффективностью при фотовозбуждении и если его спектр испускания лучше совпадает со спектром поглощения фотокатода ФЭУ.

Конверсионная эффективность жидких сцинтилляторов 3k (0,012-0,02)

уступает эффективности антрацену, однако время высвечивания (быстрая компонента) значительно меньше, чем у кристаллических сцинтилляторов, и составляет 8Б 2-3 нс, так, что отношение конверсионной эффективности к

времени высвечивания для жидких сцинтилляторов в 3,3-7,5 раз превышает такое же соотношение для антрацена.

4.2.8. Пластические сцинтилляторы

Это твердые растворы некоторых органических сцинтилляторов в полистироле и поливинилтолуоле. Пластические сцинтилляторы обладают хорошими оптическими свойствами, могут применяться в широком

103

интервале температур. Некоторые сцинтилляторы можно использовать в интервале от – 2002 до + 70° С. В пластические сцинтилляторы можно вводить, как и в жидкие, сместители спектров, различные соединения для

увеличения эффективности при регистрации нейтронов и -квантов. Пластические сцинтилляторы можно помещать в вакуум, так как давление насыщенных паров у них существенно меньше, чем у органических кристаллов и тем более у жидких сцинтилляторов. Процесс возбуждения и передачи энергии молекулам активатора происходит так же, как и в жидких сцинтилляторах.

В качестве растворителей используют полистирол или поливинилтолуол, в качестве активаторов (1–5%) – стильбен, бифенил, нафталин, тетрафенилбутадиен и т. д. Концентрация сместителей спектра не превышает 0,2%. Зависимость световыхода от концентрации активатора такая же, как и у жидких сцинтилляторов. Световыход пластических сцинтилляторов существенно зависит от удельных потерь энергии (плотности ионизации). В некоторых пластических сцинтилляторах световыход зависит от температуры. Так, световыход антрацена в полистироле при снижении температуры от 290 до 100° K увеличивается вдвое. Другие сцинтилляторы не так чувствительны к изменениям температуры. Световыход твердого раствора пиразолина в полистироле в интервале температур от 100 до 340° K изменяется всего на 10%. Пластические сцинтилляторы имеют хорошую радиационную устойчивость. Для уменьшения световыхода вдвое требуется

доза облучения, равная (6–9) 105 Гр, т. е. в 30–50 раз больше, чем для органических кристаллов.

Спектры испускания пластических сцинтилляторов имеют максимум в области длин волн 450–380 нм. Конверсионная эффективность пластических сцинтилляторов 3k (0,015–0,02). Время высвечивания сравнимо с временем

высвечивания для пластических сцинтилляторов в 2,8–6 раз превышает такое же соотношение для антрацена. Для пластических сцинтилляторов

/ -отношение составляет ~ 0,1, такое же по величине, как для органических кристаллов и жидких сцинтилляторов.

4.2.9. Газовые сцинтилляторы

Многие благородные газы, их смеси, а также смеси благородных газов с водородом и азотом являются сцинтилляторами. Наибольшие световыходы у ксенона и смеси ксенона с гелием. Спектр фотонов люминесценции лежит в далекой ультрафиолетовой области. Время высвечивания газовых сцинтилляторов оценивают величиной, порядка 10–8–10–9 с. Установлено, что время высвечивания в первом приближении обратно пропорционально давлению газа.

Световыход газовых сцинтилляторов линейно связан с поглощенной энергией. Механизм возникновения сцинтилляций в газах объясняется следующим образом [1]: в результате прохождения быстрой заряженной

104

частицы через газ вблизи ее траектории образуются электроны, атомарные ионы X+ и возбужденные атомы X2* и возбужденные ионы (X+)*.

Исследование спектрального состава света сцинтилляции показало, что он совпадает со спектром возбужденных молекул. Таким образом, центром свечения в инертных газах является возбужденная молекула.

Из общей схемы преобразования энергии в веществе следует, что возбуждение центра свечения возможно двумя путями: первый путь связан с возбуждением основного вещества (и непосредственно центров свечения), второй – с рекомбинацией носителя заряда и последующим возбуждением центра.

Спектры испускания газовых сцинтилляторов лежат в области ультрафиолетового излучения, где конверсионная эффективность катодов фотоумножителей мала. Поэтому при работе с газовыми сцинтилляторами для получения большого световыхода обычно применяют сместители спектров. Одним из лучших сместителей спектра для газовых сцинтилляторов является дифенилстильбен толщиной около 3 10–5 г/см2. Ксенон с этим сместителем спектра имеет наибольший световой выход, который по некоторым данным сравним со световыходом кристалла NaI(Tl). В качестве

сместителя спектра часто используют кватерфенил, меньшая эффективность преобразования которого компенсируется тем, что он более устойчив. Применение кватерфенила увеличивает амплитуду импульса на выходе ФЭУ с ксеноновым газовым сцинтиллятором почти в 20 раз.

Газовые сцинтилляторы чувствительны к примесям даже в малой концентрации. Так, добавки около 1% кислорода или метана уменьшают световыход в несколько раз. Рассмотрение сцинтилляций в смесях благородных газов с азотом показывает, что даже при минимальных примесях азота (10–3 %) к гелию и аргону спектральный состав сцинтилляций относится в основном к излучению азота. Увеличение содержания азота приводит к уменьшению световыхода (приблизительно вдвое при содержании 5% азота).

Благородные газы являются сцинтилляторами как в жидкой, так и в твердой фазах. Были исследованы сцинтилляционные свойства гелия (в жидкой фазе) и ксенона (в жидкой и твердой фазах). Так, время высвечивания ксенона оказывается порядка 10–9 с, а световыход составляет, по крайней мере, половину световыхода кристалла NaI(Tl).

4.3. Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) используются для регистрации быстрых световых сигналов. Система электродов смонтирована в вакуумной стеклянной трубке (рис. 4.10). Для защиты от рассеянных магнитных полей (например, от магнитного поля Земли) фотоумножитель обычно помещается в металлический цилиндр, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью (магнитный экран).

105

Свет в видимой или ультрафиолетовой области – например, из сцинтиллятора – выбивает электроны из щелочного металла фотокатода посредством фотоэлектрического эффекта. В большинстве фотоумножителей фотокатод находится под большим отрицательным потенциалом. Фотоэлектроны фокусируются в специально созданном электрическом поле на первом диноде, являющемся частью системы усиления. Анод обычно находится при нулевом потенциале.

Рис. 4.10. Принципиальная схема фотоумножителя

Напряжение между фотокатодом и анодом делится на цепочке сопротивлений (делитель напряжения), которые подключены к системе динодов таким образом, что приложенное высокое отрицательное напряжение между фотокатодом и анодом меняется линейно.

4.3.1. Элементы фотоумножителей

Фотокатод. В фотоумножителях используют фотокатоды сложного состава, которые обладают высокой чувствительностью в области видимого света, а также в близких к ней ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Фотокатоды обычно делают полупрозрачными и наносят или прямо на колбу ФЭУ, или на прозрачную металлическую подложку, предварительно напыляемую на стекло. Эффективность фотокатодов характеризуют либо конверсионной эффективностью, либо интегральной, либо спектральной чувствительностью. Наиболее полной характеристикой фотокатода является его спектральная чувствительность . , которая определяется как

отношение тока фотокатода к потоку энергии фотонов с данной длиной волны. Величину . будем выражать в единицах [А/Вт]. Полезно указать и

другие единицы – [А/лм] и [электрон/квант]. Связь между этими единицами

(безразмерная функция длины волны излучения).

106

Интегральная чувствительность фотокатодов 0 – это среднее

значение спектральной чувствительности, усредненное по спектру излучения стандартного источника света [2], т. е.

волны .. Интегральная чувствительность фотокатода будет, естественно, разной для источников света различного спектрального состава. В паспортах ФЭУ обычно указывают интегральную чувствительность фотокатода в мкА/лм, измеренную со стандартным источником (100-ваттная

газонаполненной лампа с вольфрамовой нитью при температуре 2854 K2). Интегральные чувствительности фотокатодов 0 обычно лежат в пределах

10–200 мкА/лм. Конверсионную эффективность фотокатода, определяемую как вероятность фотону выбить электрон из фотокатода, можно выразить через . следующим образом [2]:

чувствительности фотокатода около 0,1 А/Вт. Для монохроматического источника света, длина волны которого лежит в области максимального значения спектральной чувствительности, Cf e 0,35 (центр для этого

излучения).

Интересно отметить, что человеческий глаз (естественный ориентир при проектировании ФЭУ) неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн. Обычно при дневном освещении глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 555 нм. Отношение потока излучения Κ555 с длиной волны . 555 нм к потоку Κ. с длиной волны . , который

107

металлическую или изолирующую основу. Такие тонкие пленки получают путем последовательного испарения в вакууме составляющих компонент фотокатода. Сурьмяно-цезиевый фотокатод состоит из слоя SbCs3 , внутри

которого и на его поверхности находятся адсорбированные атомы цезия. Отметим некоторые свойства фотокатодов, существенные при работе с

фотоумножителями. Если фотокатод полностью затемнен, то и тогда с его поверхности будут выходить электроны в результате термоэмиссии. Это неизбежно, поскольку для получения высокой конверсионной эффективности фотокатод должен иметь малую работу выхода, а термоэмиссия тем больше, чем меньше работа выхода. Термоэлектронный ток сложных фотокатодов при комнатной температуре принимает значение порядка 10–14–10–15 А/см2, или 104–105 термоэлектрон/см2. Термоэмиссия резко растет с увеличением температуры. По Ричардсону термоэлектронный ток связан с температурой следующим образом:

где T – температура; 9 0 – работа выхода; A const.

Интегральная чувствительность фотокатодов зависит от температуры. С повышением температуры фототок сложных катодов заметно падает. Так, для сурьмяно-цезиевых фотокатодов при изменении температуры от 0 до 100° С фототок уменьшается в 1,2–1,5 раза. При понижении температуры изменение фототока зависит от конструкции фотокатода. Фотокатоды, нанесенные на металлической пленке, не чувствительны к изменению температуры от 0 до -200° С. В то же время фототок резко падает с понижением температуры ( в 10 раз при изменении температуры от 0 до -200° С) для фотокатодов, нанесенных на стекло.

Интегральная чувствительность фотокатодов в процессе эксплуатации, как правило, падает, причем, чем больше световой поток и чем дольше происходит освещение фотокатода, тем меньше становится его чувствительность. Это явление носит название утомление фотокатодов, и его связывают с процессами, происходящими в поверхностном слое. При облучении фотокатода часть ионов щелочного металла (Cs), образующихся на поверхности вследствие фотоионизации атомов, диффундируют внутрь катода под действием электрического поля. Этот процесс возможен, поскольку мгновенная рекомбинация затруднена из-за плохой проводимости внутренних слоев фотокатода. Таким образом, при освещении фотокатода поверхность обедняется атомами цезия, что приводит к увеличению работы выхода и, следовательно, к уменьшению фототока. Перемещения ионов цезия внутрь фотокатода будут тем интенсивнее, чем больше света попадает на фотокатод и чем больше разность потенциалов на фотокатоде. При таком механизме утомления чувствительность фотокатодов должна восстанавливаться после длительного «отдыха», так как происходит диффузия атомов цезия из внутренних слоев на поверхность катода.

Качественная картина утомления фотокатодов подтверждается экспериментально. Действительно, утомление фотокатодов тем сильнее, чем

109

больше поток света. Фотокатоды после длительного отдыха частично или полностью восстанавливают свою чувствительность: восстановление происходит быстрее при более высоких температурах.

Входная камера фотоумножителя. Электроны из фотокатода выходят с разными скоростями и под разными углами к поверхности катода. Конструкция входной камеры ФЭУ (рис. 4.10) должна быть такой, чтобы сбор электронов на первый динод по возможности был наибольшим и одинаковым с различных участков фотокатода. Чем меньше доля электронов, попадающих на первый динод, тем больше будет относительное значение флуктуации в их числе и больше разброс в амплитудах импульсов на выходе фотоумножителя. Неравномерный сбор электронов с разных участков фотокатода также будет увеличивать флуктуации в амплитудах импульсов. В фотоумножителях с большими фотокатодами входная камера оказывается больших размеров, что усложняет фокусировку фотоэлектронов на первый динод. В таких случаях фокусировку осуществляют с помощью электрического поля, создаваемого с помощью двух–трех кольцевых электродов во входной камере. При использовании сцинтилляционных счетчиков для изучения временных распределений возникает требование изохронности траекторий электронов от фотокатода до первого динода. Требования изохронности траекторий и полного сбора электронов обычно противоречивы. Поэтому формы фокусирующего поля для временных и спектрометрических ФЭУ различны. В ФЭУ с диаметрами фотокатодов до 40 мм с двумя фокусирующими электродами во входной камере удается получить изохронность траекторий фотоэлектронов с точностью не хуже 10-9 с.

Динодная система. Система динодов в фотоумножителе предназначена для усиления потоков электронов. Размножение электронов на каждом диноде происходит в результате вторичной электронной эмиссии. Процесс «размножения» электронов эффективен, если, во-первых, коэффициент вторичной электронной эмиссии больше единицы и, во-вторых, если будет по возможности полный сбор электронов вторичной эмиссии из предыдущего динода на последующий. Кроме того, для временных фотоумножителей необходимо, чтобы время прохождения электронов с одного динода на другой имело малый разброс.

Рассмотрим процесс вторичной электронной эмиссии. Вторичная электронная эмиссия характеризуется коэффициентом вторичной эмиссии: отношением тока вторичных электронов к току первичных. Коэффициент вторичной эмиссии e зависит от материала и состояния его поверхности, от

энергии первичных электронов, угла падения электронов. Коэффициент вторичной эмиссии с увеличением энергии электронов вначале растет, а затем выше энергий 100–1000 эВ (в зависимости от материала) падает (рис. 4.12). Такое поведение качественно можно объяснить следующим образом. Электроны, попадая в материал, в результате упругих и неупругих соударений передают свою энергию многим электронам. Чем выше энергия первичного электрона, тем большему числу электронов он передает свою

110