Фотоэлектронные умножители (фэу)
ФЭУ - приборы для преобразования фотонов в электрические сигналы. ФЭУ состоят из фотокатода и электронной оптической системы – динодов и анода. В основе функционирования ФЭУ лежит явление вторичной электронной эмиссии, когда попавший на динод электрон выбивает из него несколько электронов.
Инициализирующие ток в ФЭУ электроны испускаются фотокатодом вследствие фотоэффекта, вызванного прошедшими через оптическое окно ФЭУ фотонами.
Вероятность образования электрона на фотокатоде ФЭУ называют конверсионной эффективностью фотокатода Сf-e (Сf-e 0,05). Для увеличения Сf-e поверхность фотокатода ФЭУ покрывают тонкой пленкой из нескольких сотен или тысяч атомарных слоев Sb - Cs или Bi - Ag - Cs. Такие фотокатоды чувствительны к фотонам, испускаемым различными сцинтилляторами, но , даже в темноте, эмитируют электроны создавая ”тепловой шум” ФЭУ. Со временем чувствительность фотокатода уменьшается - происходит его ”утомление”. Для сохранения работоспособности ФЭУ необходимо предохранять фотокатод от попадания света при работе ФЭУ под напряжением.
Под действием электрического поля выбитые из фотокатода электроны направляются на диноды ФЭУ, где в результате вторичной электронной эмиссии их число увеличивается в 104-105 раз. Относительное изменение числа электронов при движении от фотокатода к аноду называют коэффициентом усиления ФЭУ:
, (2.1.1)
где: А - доля электронов, попадающих с одного динода на другой;
В - коэффициент вторичной электронной эмиссии динода;
N - число динодов ФЭУ.
КУ зависит от напряжения на ФЭУ. По этой причине необходима очень высокая стабильность источника питания ФЭУ.
Интенсивность потока фотонов (точнее – заряд, проводимый через ФЭУ) может оказывать влияние на КУ вследствие изменения распределения потенциалов на динодах электронно-оптической системы ФЭУ. Это обстоятельство может стать причиной нелинейности передаточной функции ФЭУ и спектрометра со сцинтилляционным детектором.
Качественная оценка предельной разрешающей способности спектрометра со сцинтилляционным детектором
При сравнении энергетической разрешающей способности спектрометров гамма излучения со сцинтилляционным и полупроводниковым детекторами (ППД) (см. стр. 33) отмечают существенно более высокую разрешающую способность η спектрометра с ППД. Напомним: чем меньше η, тем выше разрешающая способность. Далее приводится объяснение этого обстоятельства.
Амплитуда импульса на выходе ФЭУ пропорциональна числу электронов, возникающих на фотокатоде ФЭУ. Вследствие низкой конверсионной эффективности сцинтиллятора Сe-f ≈ 0,05 и фотокатода Сf-e ≈ 0,05, потерь света при прохождении оптических окон и отражений на границах раздела сред, на эмиссию одного электрона на фотокатоде расходуется энергия We ≈ 1 кэВ [8]. В этом случае, при поглощении гамма кванта с энергии 1 МэВ, фотокатод ФЭУ эмитирует, в среднем, 1000 электронов.
Распределение плотности вероятности
появления некоторого числа электронов,
при среднем значении числа независимых
событий
будет распределением Пуассона с
дисперсией
,
которое очень близко к распределению
Гаусса с той же дисперсией.
Если предположить, что распределение амплитуд импульсов со сцинтилляционного детектора пропорционально распределению энергий гамма квантов (то есть, в передаточной функции (2.8) параметр а=0), то можно сделать качественную оценку предельного энергетического разрешения сцинтилляционного спектрометра:
,
(2.1.2)
где:
- среднее число электронов,
эмиттированных фотокатодом ФЭУ;
ПШПВЕ =2,36 ΔN We - полная ширина на половине высоты пика полного поглощения, выраженная в энергетических единицах;
- энергия частицы;
- оценка стандартного отклонения (оценка
флюктуаций)
.
Выполненная выше оценка η показывает, что фундаментальной причиной низкой разрешающей способности сцинтилляционного детектора являются статистические флюктуации числа эмиттированных фотокатодом ФЭУ электронов. Число электронов невелико вследствие неустранимых потерь энергии в процессе ее преобразования и транспортировки к фото катоду ФЭУ, а относительная величина флюктуаций растет при уменьшении .