книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

610 ПРИЛОЖЕНИЯ

зации электрон разгоняется в поле нити и возбуждает атомы неона, которые в свою очередь ионизируют новые молекулы брома. Часть возбужденных атомов пеона переходит в основное состояние путем излучения. Возникающее при этом ультрафиолетовое излучение практически не поглощается в газе и, попадая на катод, выбивает с его поверхности электроны. При движении этих электронов к аноду процесс возбуждения атомов неона повторяется, возникают новые электронно-ионные лавины и при достаточном напряжении на счет­ чике в нем возникает самостоятельный разряд.

В результате разряда вблизи нити счетчика образуется большой положительный пространственный заряд, состоящий из ионизи­ рованных молекул брома. Этот заряд понижает напряженность поля около нити, и процесс возбуждения атомов неона прекращается. К этому времени еще не все возбужденные атомы неона успевают перейти в основное состояние. Процесс ионизации молекул брОхѴіа и выбивание электронов с катода ультрафиолетовым излучением продолжаются. Эти процессы несколько затягивают время оконча­ ния разряда. Как отмечалось выше, в несамогасящихся счетчиках Гейгера самостоятельный разряд поддерживается электронами, которые выбиваются из катода положительными ионами газа. В галогенных счетчиках с катодом сталкиваются только ионы брома и вторичные электроны при этом не выбиваются, поскольку энер­ гия ионизации брома меньше удвоенной работы выхода электронов с поверхности катода. Эта поверхность подвергается специальной обработке, цель которой заключается в том, чтобы увеличить ра­ боту выхода электронов.

Мертвое время и время восстановления у галогенных счетчиков имеют те же значения и обусловлены теми же причинами, что и у счетчиков, заполненных многоатомными газами.

Следует отметить, что начальная стадия разряда в галогенных счетчиках развивается гораздо медленнее, чем в других типах счет­ чиков из-за того, что молекулы брома ионизируются электронами не прямо, а в два этапа. Первый этап этого процесса — возбужде­ ние атомов неона — происходит быстро, а второй — медленно, поскольку встреча атомов неона с молекулами брома происходит редко (напомним, что в газе счетчика на атомов неона имеется только одна молекула брома!).

Медленное развитие -разряда приводит к удлинению фронта электрических сигналов, снимаемых со счетчиков. Импульсы гало­ генных счетчиков сильнее запаздывают и больше флюктуируют по времени, чем импульсы обычных самогасящихся счетчиков. По­ этому при работе с галогенными счетчиками нельзя использовать схемы совпадения с высоким разрешением.

Приведем в заключение с ч е т н у ю х а р а к т е р и с т и к у гейгеровского счетчика (рис. 320). Счетная характеристика опре­ деляет зависимость числа частиц, регистрируемых счетчиком за

і і ы м и с ч е т ч и к а м и. Кроме сцинтиллятора, в состав сцинтилляционного счетчика входят фотоумножители, преобразующие световые импульсы в электрические сигналы.

В последнее время сцинтилляционные счетчики очень широко используются в экспериментальной технике. К их достоинствам от­ носится надежность в работе, чувствительность, малое разрешаю­ щее время (наносекунды). Сцинтилляторы хорошо обрабатываются. Им может быть придана любая форма и почти любой размер: от ку­ бических миллиметров до кубометров.

§ 1. Сцинтилляторы

Важнейшей характеристикой сцинтиллирующего вещества яв­ ляется отношение энергии, преобразующейся в свет, к полной энер­ гии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Эта доля

сцинтилляторов, применяемых в экспериментальной технике, ле­ жит в пределах от долей процента до десятков процентов.

Высокая конверсионная эффективность сама по себе не обеспе­ чивает возможности применять вещество в качестве сцинтиллятора. Необходимо, чтобы свет мог выйти из него наружу. Большая часть веществ оказывается непрозрачной для собственного излучения. Это легко понять, если принять во внимание, что энергия фотонов всегда равна разности энергий некоторых энергетических уровней. Фотоны, испущенные при возвращении атомов из возбужденного состояния в основное, резонансным образом поглощаются в веще­ стве, вызывая переходы других атомов из основного состояния в воз­ бужденное. Качество сцинтиллятора определяется поэтому не фи­ зическим, а т е х н и ч е с к и м в ы х о д о м , под которым пони­ мают отношение энергии, уносимой фотонами, вышедшими из ве­ щества, к энергии, потерянной в веществе ионизирующей частицей. Технический выход (или техническая эффективность) зависит от формы и размеров образца, состояния его поверхности, количества поглощающих свет примесей и т. д.

Существует три типа сцинтилляторов, механизмы высвечивания в которых различны. Это органические сцинтилляторы, неоргани­ ческие кристаллы и газы. Наиболее широкое применение получили органические сцинтилляторы и неорганические кристаллы.

Органические сцинтилляторы. Рассмотрим процесс возникнове­ ния световой вспышки в органическом сцинтилляторе. Прежде всего обратимся к органическим кристаллам.

В таких кристаллах связи между молекулами слабы и электрон­ ные энергетические уровни практически не возмущены. Разность энергий колебательных уровней заметно меньше энергии первого возбужденного электронного'состояния. Поэтому процесс излучения

в кристалле мало отличается от процесса излучения отдельной молекулы.

На рис. 321 изображены основной уровень молекулы а и ее пер­ вое возбужденное состояние б. Над каждым из этих уровней распо­

за короткий промежуток времени переходит на нижнее состояние

молекул мало. Поэтому самопоглощение света сцинтилляций оказывается незначительным. Рис. 321 поясняет, что при испуска­ нии и при поглощении света молекулами возникает не одна ли­ ния испускания или поглощения, а целые области, как это изобра­ жено на рис. 322. Из рис. 321 ясно, что эти области частично пере­ крываются. Чем меньше область перекрытия спектров (она на рис. 322 заштрихована), тем прозрачнее сцинтиллятор для собствен­ ного излучения.

Органические кристаллы имеют сравнительно высокую кон­ версионную и техническую эффективность, но на практике приме­ няются редко, главным образом из-за сложности изготовления. Существенно шире применяются сцинтиллирующие растворы, со­

614 ПРИЛОЖЕНИЯ

стоящие из твердого (чаще всего пластмассы) или жидкого раство­ рителя и сцинтиллпрующей добавки. Такие сцинтилляторы имеют в два-три раза меньшую конверсионную эффективность, чем орга­ нические кристаллы. Однако благодаря простоте изготовления дат­ чиков любого размера и формы и короткому времени высвечивания сцинтиллирующие пластмассы практически нацело вытеснили органические кристаллы.

Сщштиллирующий раствор состоит из растворителя и сцинтиллирующей добавки, которая подбирается так, чтобы уровень пер­ вого возбужденного состояния сцинтиллятора был ниже уровня

Благодаря малой концентрации сцинтиллирующей добавки раствор оказывается практически прозрачным для собственного из­ лучения. При увеличении концентрации сцинтиллятора техниче­ ская эффективность вначале растет пропорционально концентрации. Такой рост происходит пока самопоглощение света сцинтиллятором мало.

При дальнейшем увеличении концентрации сцинтиллирующей добавки техническая эффективность выходит на плато, а затем начинает уменьшаться. Поэтому для каждой пары растворитель — сцинтиллятор существует своя оптимальная концентрация.

Неорганические сцинтилляторы. При комнатной температуре чистые неорганические кристаллы не сцинтиллируют.

Как известно, в непроводящих чистых неорганических кристал­ лах электроны в основном состоянии расположены в так называемой валентной зоне А (рис. 323). Проходя через кристалл, заряженная частица переводит часть электронов из основного в возбужденное состояние — в так называемую зону проводимости В. При диффу­ зии в зоне проводимости электрон может оказаться вблизи свобод­ ного уровня валентной зоны, или, как говорят, — «дырки». Если происходит рекомбинация электронов с «дыркой», то излучаются световые кванты с энергией, определяемой шириной С запрещенной зоны кристалла. Этой же-шириной определяется и спектр погло­

§ 2. Фотоэлектронные умножители

Для преобразования световых вспышек сцинтилляторов в элек­ трические сигналы используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ), или, как часто говорят, фотоумножители.

Фотоумножитель представляет собой откачанную до высокого вакуума стеклянную колбу (рис. 324) с прозрачным окном. Свет через него попадает на полупрозрачный фотокатод, нанесенный тон­ ким слоем на внутреннюю поверхность окна. Под действием света из фотокатода в результате фотоэффекта вырываются электроны. Электрическое поле, приложенное между фотокатодом и фокусирую­ щим электродом, дополнительно разгоняет электроны и направляет

Фоткатд

Рис. 324. Схема устройства фотоэлектронного умножителя.

их на первый из системы размножающих электродов, так называе­ мых динодов.

Диноды изготовляются из сплавов с малой работой выхода. При соударении электронов с поверхностью динодов из них выбиваются вторичные электроны. Напряжение на ФЭУ по­ дается так, что от динода к диноду потенциал постепенно повы­ шается. Форма динодов специально подбирается, чтобы электриче­ ское поле не только ускоряло, но и фокусировало электроны на следующий динод.

Работа фотоумножителя в существенной мере определяется ве­ личиной коэффициента вторичной эмиссии, под которой понимают отношение числа выбитых из динода электронов к числу электронов, падающих на динод. Если этот коэффициент превышает единицу, то на каждом диноде происходит размножение электронов, и электрон­ ная лавина по мере продвижения по фотоумножителю быстро разрастается. Величина импульса, возникающего на аноде, со­ ставляет несколько вольт и легко регистрируется простыми ра­ диосхемами.

Исследуем устройство фотоэлектронных умножителей более подробно. В качестве фоточувствительного слоя для изготовле­

ния фотокатода используют покрытия из соединений щелочно­ земельных элементов. Чаще всего применяются сурьмяно-цезие­ вые фотокатоды. Такие фотокатоды обладают сравнительно высо­ ким (10—15%) к в а н т о в ы м в ы х о д о м , под которым пони­ мают отношение числа вылетевших из фотокатода электронов к числу падающих на него световых квантов. Чувствительность фотокатода существенно зависит от длины волны падающего света

только в том случае, если спектр испускания сцинтиллятора на­

вещества, поглощающие свет сцинтиллятора и испускающие кванты с меньшей энергией, способные эффективно поглощаться фотока­ тодом ФЭУ.

Важной характеристикой ФЭУ является его коэффициент уси­ ления, под которым понимают отношение числа приходящих на

нодами.

Из приведенной формулы видно, что благодаря большому п даже незначительные изменения коэффициента вторичной эмиссии при­ водят к заметным изменениям коэффициента усиления. Поэтому при работе с фотоумножителями приходится пользоваться хорошо стабилизированными источниками напряжения. Постоянство коэф­ фициента усиления и, следовательно, стабильность напряжения особенно важны в тех случаях, когда сцинтилляционные счетчики используются для измерения энергии заряженных частиц. Напря­ жение на диноды обычно подается от одного источника напряжения

п у л ь с ы . Основными причинами фона является термоэлектронная эмиссия с фотокатода и первого динода, и процесс холодного вы­ рывания электронов с поверхности электродов.

Следует отметить еще один вид фоновых импульсов — так на­ зываемые л о ж н ы е и м п у л ь с ы . Причиной ложных импуль­ сов чаще всего бывают световые кванты, которые излучаются

молекулами остаточного газа, ионизируемого электронными лави­ нами. Число ложных импульсов и импульсов фона растет с увели­ чением напряжения и может достигнуть величины, при которой умножитель выйдет из строя. Поэтому при работе с ФЭУ надо очень аккуратно повышать напряжение и не превышать его номи­ нальное значение.

§3. Измерение ионизации

спомощью сцинтилляционных счетчиков

Как мы видели, величина импульса, приходящего на анод фо­ тоумножителя, пропорциональна числу электронов, вылетевших с фотокатода, а значит, и числу фотонов, образовавшихся в сцин­ тилляторе. Таким образом, сцинтилляционные счетчики могут ис­ пользоваться для измерения энергии, оставленной в сцинтилляторе регистрируемой частицей. Точность таких измерений зависит от многих причин.

Прежде всего исследуем связь между энергией, оставленной частицей в сцинтилляторе, и числом излученных квантов света. При прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор в нем возникают локальные возмущения, сильно поглощающие свет. Так как концентрация таких поглощающих (гасящих) центров пропорциональна ионизации, то число испущенных фотонов рас­ тет медленнее, чем потери энергии. Соответствующая формула за­ писывается обычно в следующем виде:

dEjdx

п- Щ 1+ ß d £ W

Вэтом выражении п — число испущенных квантов, dE/dx — энергия, теряемая частицей на единице пути, п0 и В — постоянные, завися­ щие от типа сцинтиллятора.

Уорганических кристаллов и особенно у пластических сцинтил­ ляторов В велико. Эти сцинтилляторы поэтому мало пригодны для измерения потерь энергии. Кроме того, у органических сцинтилля­

торов мала конверсионная эффективность,, мало, следовательно, и число световых квантов, попадающих на фотокатод. При малом числе квантов возникают большие флюктуации числа выбитых из фотокатода электронов, а значит, и амплитуды анодного импульса. Поясним эти рассуждения числами.

Как видно из вышеприведенной таблицы (см. стр. 615), число световых квантов, испускаемых с 1 см следа быстрой частицы, для пластических сцинтилляторов составляет около ІО4. Пусть толщина сцинтиллятора составляет 1 см. Обычно от сцинтилляторов удается передать к фотокатоду не более 20% излученного света. Квантовый выход фотокатодов составляет около 10%. Таким образом, из фото­ катода будет выбито всего 1 0 4 -0 ,2 -0 , 1 = 2 0 0 фотоэлектронов,

бавить флюктуации ионизационных потерь и флюктуации числа излученных квантов света. Эти процессы еще более ухудшают точность определения энергии.

Несколько лучшую точность определения потерь энергии можно получить, используя неорганические сцинтилляторы Nal и Csl, имеющие существенно больший световой выход (см. таблицу на стр. 615). К сожалению, Nal и Csl обладают большими временами высвечивания и не могут работать в условиях больших загрузок. Эти сцинтилляторы оказываются наиболее полезны для анализа у-лучей, в особенности при небольших энергиях (меньше 100 кэВ). Дело в том, что анализ спектра у-лучей представляет очень трудную экспериментальную задачу, и получить одновременно хорошую эффективность и точность измерений не удается. Кристаллы Nal и Csl содержат большое количество иода, атомный номер которого равен 53. При столь большом Z вероятность фотоэффекта на доста­ точно крупных кристаллах приближается к единице. Электроны, которым передается энергия у-квантов, имеют ничтожный пробег (доли миллиметра) и всю свою энергию оставляют в кристалле. Хотя точность определения энергии и в этом случае составляет не­ сколько процентов или даже несколько десятков процентов, неор­ ганические сцинтилляторы очень широко применяются для иссле­ дования спектра у-лучей.

ЛИТЕРАТУРА

1.Д. Р и т с о н, Экспериментальные методы в физике высоких энергий, «Наука», 1964.

2.В. И. К а л а ш н и к о в а , М. С. К о з о д а е в, Детекторы элементар ных частиц, «Наука», 1965.

ѴП. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЕ

В современной физической аппаратуре всё большую роль играют электронные устройства. Эти устройства чаще всего сводятся к ком­ бинации простых ячеек, среди которых наиболее распространены усилители, дискриминаторы, схемы совпадений и пересчетные схемы.

Ниже излагается принцип действия этих ячеек и разбираются их основные свойства и характеристики.

При рассмотрении электронных схем мы ограничимся исследо­ ванием устройств, использующих вакуумные лампы. Хотя полупро­ водниковые схемы с каждым годом все шире применяются в экспе­ риментальной технике, они в этой книге не обсуждаются. Это объяс­ няется тем, что промышленные приборы, используемые в работах «практикума», построены только на электронных лампах. К этому следует добавить, что анализ и расчет схем, построенных на лампах, оказывается проще и надежнее, чем анализ полупроводниковой электроники.