ФОТОЭЛЕКтРОННЫЕ УМНОЖИТЕЛИ

Для преобразования световых вспышек сцинтилляторов в электрические сигналы используются фотоэлектронные умножители. ФЭУ представляет собой стеклянную колбу с полупрозрачным окном, из которой откачан воздух до высокого вакуума. Свет через окно попадает на полупрозрачный фотокатод, нанесенный тонким слоем на внутреннюю поверхность окна. В результате фотоэффекта под действием света из фотокатода вырываются электроны. Электрическое поле между фотокатодом и фокусирующим электродом дополнительно разгоняет электроны и направляет их на первый из системы размножающих электродов, называемых динодами.

Диноды изготавливаются из сплавов с малой работой выхода. При соударении электронов с динодами из них выбиваются вторичные электроны. Напряжение на ФЭУ подаётся так, что от динода к диноду потенциал постепенно повышается. Форма динодов подбирается таким образом, чтобы электрическое поле не только ускоряло, но и фокусировало электроны на следующем диноде.

Работа фотоэлектронного умножителя в существенной мере определяется коэффициентом вторичной эмиссии, под которым 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 электронная лавина по мере продвижения по фотоэлектронному умножителю экспоненциально разрастается.

Импульс, возникающий на аноде, составляет несколько вольт и легко регистрируется простыми радиосхемами.

Исследуем устройство ФЭУ более подробно. В качестве фоточувствительного слоя для фотокатода используют покрытия из соединений щёлочноземельных элементов. Чаще всего применяются сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Такие фотокатоды обладают сравнительно высоким квантовым выходом (10–15 %), под которым понимают отношение числа вылетевших из фотокатода электронов к числу падающих на него световых квантов. Чувствительность фотокатода существенно зависит от длины волны падающего света и определяется его спектральной характеристикой.

Эффективная работа сцинтилляционного счётчика возможна только в том случае, если спектр испускания сцинтиллятора надежно перекрывается спектральной характеристикой ФЭУ.

Если спектр испускания сцинтиллятора сдвинут от спектральной характеристики фотоэлектронного умножителя в область коротких волн, то в сцинтиллятор добавляют смесители спектра, т. е. вещества, которые поглощают свет сцинтиллятора и испускают кванты с меньшей энергией, способные поглощаться фотокатодом ФЭУ.

Важной характеристикой ФЭУ является его коэффициент усиления, под которым понимают отношение числа приходящих на анод электронов к числу электронов, вылетевших из фотокатода. В современных умножителях коэффициенты усиления достигают 10⁸–10⁹. Коэффициент усиления K связан с коэффициентом вторичной эмиссии очевидной формулой K = s ⁿ, где n – число динодов. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии падающих на диноды электронов, определяемой разностью потенциалов между соседними динодами.

Из приведённой формулы видно, что благодаря большому n (n > 10) даже незначительные изменения коэффициента вторичной эмиссии приводят к заметным изменениям коэффициента усиления. Поэтому при работе с ФЭУ приходится пользоваться хорошо стабилизированными источниками напряжения. Постоянство коэффициента усиления и, следовательно, стабильность напряжения особенно важны в тех случаях, когда сцинтилляционные счётчики используются для измерения энергии заряженных частиц. Напряжение на диноды обычно подается от одного источника напряжения с помощью делителя напряжения.

Помимо полезных импульсов, появляющихся при попадании на фотокатод квантов света, на аноде возникают фоновые импульсы. Основные причины появления фона – термоэлектронная эмиссия с фотокатода и первого динода, а также процесс холодного вырывания электронов с поверхности электродов.

Следует отметить ещё один вид фоновых импульсов – так называемые ложные импульсы. Причиной возникновения ложных импульсов чаще всего бывают световые кванты, которые излучаются молекулами остаточного газа, ионизируемого электронными лавинами.

Число ложных импульсов и импульсов фона с увеличением напряжения растёт и может достигнуть значения, при которой умножитель выходит из строя. Поэтому при работе с ФЭУ надо очень аккуратно повышать напряжение и следить за тем, чтобы его значение не превысило номинальное.