книги из ГПНТБ / Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении

чч

-У

Рис. 9. Схема ВЭУ с корытообразными динодами

Рис. 10. Блок-схема установки для регистрации излучений с помощью ВЭУ [148]

счета почти не изменится, даже если коэффициент умножения в резуль­ тате старения меняется в 10-20 раз (рис. 11).

Ложные импульсы, сопровождающие истинный счет, обусловлены ионно-оптической обратной связью. Умножающаяся лавина электронов ионизирует и возбуждает молекулы остаточных газов на своем пути. Фотоны и ионы бомбардируют диноды и за счет фото- и ионно-элек- тронной эмиссии могут произвести повторную лавину. Чем больше уси­ ление ВЭУ, чем выше скорость счета, тем больше вероятность появле­

30

N/t,unnfcBK

Рис. 11. Счетные характеристики и коэффициент усиления ВЭУ из бериллиевои бронзы

1,2 - счетные характеристики двух различных ВЭУ; 3 - зависимость коэффициента усиления от напряжения на делителе [148 ]

извольный счет - так называемая ионно-оптическая генерация. В умно­ жителях жалюзийного типа такая возможность меньше, и их работа при больших коэффициентах умножения и остаточных давлениях газа устой­ чивее.

Ионно-оптическая обратная связь особенно опасна в промежутках последний динод - анод и образец - первый динод умножителя. В экс ­ периментах, где исследуются кривые термовысвечивания экзоэлектрон­ ной эмиссии [150]j нагрев образца сопровождается выделением адсорби­ рованных газов. Вызванное ими кратковременное повышение давления в системе умножения может способствовать вспышке ионно-оптической генерации и регистрации ложного пика экзоэлектронной эмиссии.

Описанные выше эффекты не позволяют использовать максимально достижимый коэффициент усиления ВЭУ, из -за чего приходится допол­ нительно усиливать электронным усилителем довольно слабые импуль­ сы, амплитуда которых составляет всего несколько милливольт.

Для устойчивых измерений с помощью ВЭУ интенсивность эмиссии не должна превышать 103 имп/сек. Система умножителя должна быть защищена от попадания света. Кроме того, необходимо следить за краткими перепадами давления в вакуумной системе, подбирать режимы работы аппаратуры. Остаточные газы и "отравление" динодов при сообщении с атмосферой затрудняют работу с ВЭУ, Поэтому желатель­ но отделять систему умножения от остаточных газов в измерительной

31

камере, что возможно при использовании сшштнлляционного счетчика - комбинации сцинтиллятора с промышленным фотоэлектронным умножите­ лем (ФЭУ).

Система умножения ФЭУ работает при высоком вакууме в герметич­ ном стеклянном баллоне. Изолированность динодов ФЭУ от атмосферы камеры, в которой проводится опыт, дает более широкие возможности

вые опыты их использования оказались не слишком обнадеживающими [151, 152]. Главной причиной этого является непригодность промышлен­ ных сцинтилляционных датчиков для решения поставленной задачи. Так, проведенные нами опыты со стандартными датчиками УСД-1 и УСД-4

исключит возможность пробоев), то и этой энергии оказалось бы не­ достаточно для стандартных датчиков. Поэтому для уменьшения необ­ ходимого ускоряющего напряжения и возможности регистрации медлен­ ных электронов сцинтилляционным датчиком требуется детектор специаль­ ной конструкциин. Физические процессы в таком детекторе, расчеты и обоснования для выбора его элементов рассматриваются ниже.

3.Регистрация с помощью сцинтилляциониого счетчика

Вработающем сшштилляционном датчике световая вспышка в в е ­ ществе сцинтиллятора, возникающая при попадании быстрой заряженной частицы, превращается с помощью ФЭУ в достаточно мощный электри­ ческий сигнал. При большой энергии частицы световая вспышка отно­

нала: сцинтилляционная вспышка, фотоэффект на фотокатоде ФЭУ и вто ­ рично-электронная эмиссия на его динодах. Ввиду статистической при­ роды перечисленных процессов амплитуда выходного сигнала может меняться в широких пределах при строго одинаковой энергии детектиру­ емых частиц. Термоэлектронная эмиссия с фотокатода и первых дино­ дов ФЭУ приводит к появлению на выходе фоновых импульсов, ампли­ туды которых также имеют свой спектр распределения. Чем меньше световая вспышка, тем сложнее задача выделения полезного сигнала на фоне шумовых импульсов. Поэтому выбор ФЭУ производится по двум его главным характеристикам: по коэффициенту умножения и уровню шумов. В.целом расчет сцинтиляционного детектора экзоэлектронов сводится к выбору таких типов ФЭУ и сцинтиллятора, при которых бу­ дет обеспечена минимальная требуемая величина ускоряющего напряже­ ния. Порядок расчета включает выбор типа ФЭУ и режима его работы, подбор сцинтиллятора и расчет энергии электрона.

32

Цель выбора ФЭУ и режима его питания заключается в создании устройства для регистрации слабых световых сигналов с минимальным влиянием шумов.

Остановимся на вопросе распределения шумовых импульсов по амплитудам. Экспериментальные и теоретические работы, посвященные этому вопросу, дают различные ответы. В одних утверждается, что распределение амплитуд импульсов, вызванных одиночными электрона­

тронные импульсы подчиняются распределению Пуассона, которое может быть искажено термоэлектронной эмиссией с динодов умножителя, авто ­ электронной эмиссией и ионно-оптической генерацией при газоразряд­ ных явлениях в баллоне ФЭУ. Для многих типов ФЭУ максимум одноэлектронного распределения проявляется только при больших коэффици­ ентах усиления, т.е. при повышенном напряжении на делителе. Но ион- нс—оптическая генерация начинается раньше, чем будет достигнуто н е ­ обходимое усиление путем повышения напряжения питания. Такие ФЭУ непригодны для регистрации очень слабых световых вспышек. Охлажде­ ние ФЭУ понижает шумы, но одновременно падает усиление из-за сни­ жения коэффициента вторично-электронной эмиссии динодов. Поэтому не рекомендуется охлаждение ФЭУ ниже -20 С [155].

Есть несколько способов оценки шумов ФЭУ. Их можно оценивать по величине темнового тока, по полной скорости счета шумовых импуль­ сов, по энергетическому эквиваленту шума. Последний критерий соот­ ветствует уровню дискриминации, который необходимо ввести для све ­

дения интегральной скорости счета к 50 имп/сек (иногда к 50 имп/мин), причем этот уровень отсчитывается в единицах энергетической шкалы сцинтиллятора Na J (Tl) для гамма-излучения.

Кроме малой интенсивности шумов необходимо и условие их стабиль­ ности. Для выполнения этого условия выбор режима работы ФЭУ сво ­ дится к тому, чтобы шумовые импульсы определялись главным обра­ зом термоэмиссией фотокатода и обладали пуассоновским распределе­ нием по амплитуде.

Исследования авторов работы [155] показали, что наиболее подхо­ дящие характеристики для измерения слабых световых вспышек имеют приборы ФЭУ-42, ФЭУ-43 и ФЭУ-1А. Так как этими авторами не были исследованы ФЭУ с жалюзийной системой динодов, то мы можем доба­ вить к перечисленным выше типам следующие: ФЭУ-81, ФЭУ-82, ФЭУ-92, ФЭУ-93. Интересной должна быть попытка использования для регистра­ ции низкоэнергетических электронов ФЭУ-96, возможности которого ограничены малой площадью его фотокатода - 5 мм в диаметре. Неко­ торые параметры этих ФЭУ приведены в справочниках [126, 156].

Процесс отбора ФЭУ сводится к следующим операциям Cl55j: 1) ФЭУ выдерживается в течение недели в темноте для высвечи вания стекла колбы; 2) измеряется темновой ток (отбирается ФЭУ с минимальным темновым током); 3) измеряется счетная характеристика для выбора рабочего напряжения (середина плато); 4) ФЭУ выдерживается под на-

пряжением от нескольких часов до нескольких суток для стабилизации переходных процессов; 5) баллон ФЭУ экранируется от действия света, электрических и магнитных полей, а также промывается спиртом от загрязнений, которые увеличивают токи утечки.

Кроме собственных шумов ФЭУ причиной ложных импульсов может быть и радиоактивный фон, одним из источников которого является изо ­ топ К , содержащийся в стекле баллона ФЭУ. Установлено, что стек ­ лянный цилиндр весом около 10 г з а счет содержания примерно 1% К 2 0 испускает 142 частицы/мин. Промышленностью выпускаются некоторые

малой величиной энергетического эквивалента шумов (1,5 кэв) . Жалюзийная система динодов этих ФЭУ предпочтительнее систем с коробча­ тыми и корытообразными динодами, так как она обеспечивает лучшие загрузочные свойства и большую стабильность коэффициента усиления.

При больших скоростях следования световых импульсов обнаружено уменьшение усиления ФЭУ и ухудшение других его характеристик. Ока­ залось, что для каждой определенной скорости счета имеется свой

грузки до 10s имп/сек их характеристики остаются практически неиз­ менными.

В настоящее время в спектрометрических сцинтилляционных датчи­ ках чаще используются коробчатые системы, например, ФЭУ-42, ФЭУ-43. Так, площадь фотокатода ФЭУ-42 равна 12 см , число эмиттируемых термоэлектронов при комнатной температуре составляет 5-6 эл/сек»см 2 (для лучших образцов). Со всей площади это даст ~70 эл/сек, т.е. 4200 эл/мин. Если световые вспышки сцинтиллятора будут приводить к вылету одного фотоэлектрона, то сигнал от него будет неразличим на столь значительном фоне шумовых импульсов. Необходимо, чтобы от световой вспышки вылетало в среднем по десять фотоэлектронов. Вве ­ дение дискриминации позволяет на фоне одноэлектронных импульсов зарегистрировать только сцинтилляционные вспышки. Средняя"величина квантового выхода фотокатода » 8%, т.е. число световых квантов, необ­

считалось, что измерение активности трития невозможно провести с по­

неорганических сцинтилляторов затруднения в регистрации электронов вызваны эффектом обратного рассеивания, для органических - понижѳ-

34

нием эффективности преобразования энергии частицы в энергию свето ­ вой вспышки. Тейлор [161] , обнаружил невозможность регистрации от ­ дельных импульсов у электронов с энергиями порядка 5 кэв и измерял суммарный эффект от 300 электронов.

Для характеристики сшштилляторов удобно пользоваться понятием "световыхода" или технической конверсионной эффективностью. Она представляет собою отношение световой энергии, которая может быть использована ФЭУ в системе сцинтилляционного счетчика, к энергии детектируемого ионизирующего излучения, теряемой в сцинтилляторе. Это понятие целесообразно применять, когда обеспечено оптическое согласование ФЭУ и сцинтиллятора.

Подробные сведения о характеристиках различных сцинтилляторов приведены в справочнике [156]. Наилучшей эффективностью преобразо­

200-250%. Органический сцинтиллятор стильбен обладает техническим световыходом в 40-70%, зато его время высвечивания на порядок мень ­ ше, чем у Na J ( T l ) . Чем меньше время высвечивания, тем большим быстродействием будет обладать сцинтилляционный датчик. У сшгатиллирующих пленок на основе полистирола время высвечивания наимень­ шее ( & 2-10" сек), а технический световыход составляет 50%. Ввиду малой толщины этих пленок очень малы и потери света на поглощение. Поэтому они лучше всего подходят для датчиков медленных электро­ нов и экзоэлектронной эмиссии*

Для бета-частиц с энергией выше 130 кэв световыход антрацена соответствует 1 кэв энергии частицы на фотоэлектрон, выбиремый из

влияют толщина сцинтиллятора и потери при переходе света из сцинтил­ лятора в ФЭУ. Поэтому сцинцилляторы для электронов низких энергий применяют в виде тонких слоев, а для уменьшения потерь света на переходе из сцинтиллятора в баллон ФЭУ улучшают оптический кон­ такт при помощи вазелинового масла. Пластмассовые сцинтилляторы выпускаются как массивными, так и в виде тонких пленок. Для NaJ(T-l) разработаны простые способы получения тонких слоев [162, 163].

дение световыхода органических сцинтилляторов с понижением энергии электронов объясняется тушением сцинтилляций и утечкой первичных

меньшего влияния эффекта обратного рассеяния, зависящего от эффек­

35

электронов оказывается пластмассовй сцинтиллятор, тонкую пленку которого можно просто приклеивать к окошку ФЭУ. Принимая световыход такого пленочного сшштиллятора равным 2 кэв/фотоэлектрон, по­ лучим, что для уверенной регистрации электроны должны терять в нем энергию не менее 20 кэв.

Колба ФЗУ и прозрачная пленка сцинтиллятора должны быть защи­ щены от рассеянного света, поэтому весь детектор экранируют, а элек­ троны направляют на сцинтиллятор через тонкую алюминиевую фольгу. Но чем тоньше фольга, тем больше в ней сквозных пор, • из - за которых рассеянный свет проникает в. датчик и делает его нечувствительным к электронам. Так, исследование микропористости фольги показало, что число пор и их размеры падают с увеличением толщины фольги.

Установлено, что минимальная толщина беспористой фольги, полу­ ченной методом осаждения паров алюминия в вакууме, может быть до­ ведена до 2-5 мкм. Потери энергии электронов в фольге такой толщи-

36

ветствующего значения Е. Например, если энергия электрона в сцин-

18 кэв, а для фольги в 5 мкм - до 30 кэв. Но тогда придется мириться со значительно меньшей эффективностью регистрации, так как большая часть электронов будет выходить из кристалла вследствие эффекта об­ ратного рассеивания.

Возможная конструкция детектора медленных электронов с органи­ ческим сцинтиллптором приведена на рис. 14. Волоконный световод этого детектора позволяет вынести ФЭУ за пределы вакуумной камеры. Ускоряющее поле между внутренней сеткой и фольгой, закрывающей сцинтиллятор, устраняет опасность автоэлектронной эмиссии с поверх­ ности образца и влияние ионизации остаточных газов. Вторая, наруж­ ная, сетка необходима для лучшей экранировки образца от ускоряющего поля. Детектор испытывался автором его конструкции [166] в токовом режиме, но, по нашему мнению, при увеличении ускоряющего напряже­ ния он может быть пригодным и в импульсном режиме для регистрации отдельных экзоэлект-ронов.

4. Другие методы регистрации экзоэлектропов. Опасность

ложных импульсов

Выше были рассмотрены основные типы детекторов экзоэлектропов. Только в редких случаях использовались другие регистрирующие устрой­ ства - электрометр [167] и пнкоамперметр [47] . Есть также сообще­

37

3

деление перекиси при атмосферной коррозии металлов и ее фотографи­

ВЭУ и сцинтилляционных датчиков имеет общую особенность. Она заклю­ чается в том, что измерения сопровождаются фоном ложных импульсов, которые способны самопроизвольно генерироваться при неудачно выбран­ ном режиме детектора. Анализ показывает, что можно выделить два

го рода возникают в результате прохождения предшествующих импуль­ сов, их будем называть послеимпульсами. Причиной образования послеимпульсов могут быть возникающие в процессе счета электроны, ионы и фотоны. Бомбардируя поверхности образца, корпуса счетчика или ди - нодов умножающей системы, они не только выбивают вторичные элек­ троны, но и возбуждают эти поверхности. Результатом такого возбуж­

38