падающего на него света, направляются к электроду А, где в результате вторичной эмиссии возникают новые электроны. Благодаря высокой способности электрода А ко вторичной э.мис-сии каждый фотоэлектрон освобождает на нем несколько пто-рнчны.х электронов. Это число вторичных электронов (обозначим его о) называется коэффициентом вторичной эмиссии. Электроны вторичной эмиссии движутся от электрода А к электроду В, где явление повторяется, и т. д. В результате от электрода к электроду движется лавинообразный поток, который достигает последнего электрода, называемого коллектором. Если число вторичных эмиттеров (динодов) равно п, то в цепи, в которую включен коллектор, можно получить силу тока /, которая в о раз больще тока фотокатода /о , т. е.

/ = /о з , или - = (5)

Величина - - называется коэффициентом усиления. Фор-

мула показывает, что коэффициент усиления быстро растет с увеличением коэффициента вторичной эмиссии о и числа каскадов умножения п. Коэффициент а лежит в пределах от 3 до 10. поэтому теоретически можно получпть коэффициент усиления, например, для десяти каскадов равным нескольким миллиардам. На самом деле такие коэффициенты усиления не получаются по ряду причин. Во-первых, не удается добиться одинаковой чувствительности поверхностей у всех электродов. Во-вторых, электроны в действительности не движутся так, как показано на рисунке; большая часть электронов движется ие к следующему электроду, а ко всем остальны.м (особенно к кол-лектору), находящимся под более высоким потенциало.м.

Рис. 54. Схема расположения электродов в фотоумножителе ФЭУ-19 и ФЭУ-25:

Л - фотокатод; а - анод (коллектор)

Чтобы увеличить усиление, нужно, следовательно, направить электронный поток таким образом, чтобы электроны двигались только к ближайшему электроду, т. е. нужна фокусировка.

В фотоэлектронных умножителях для фокусировки используют либо электростатическое поле, либо скрещенные электростатическое и магнитное поля. Электростатическая фокусировка, более распространенная, обеспечивается соответствующей формой электродов, от которой зависит нужная конфигурация поля. На рис. 54 схематически показана одна из разновидностей системы электродов умножителя с электростатической фокусировкой. Эта система применяется, в частности, в выпускаемых

отечественной пг10мышленнОстью фотоэлектронных умножителях ФЭУ-19 и ФЭУ-25 (рис. 55).

Число каскадов умножителя и, следовательно, коэффициент усиления. Не могут превосходить определенных пределов, которые определяются двумя обстоятельствами. С одной стороны, термическая стойкость последних эмиттеров ограничивает максимально допустимый ток на выходе умножителя. Эти эмиттеры нагреваются в результате бомбардировки их электронами.

Рис. 55. Виешиип вид фотоумножителей ФЭУ-19 (больший) и ФЭУ-25 (меньший)

В случае, например, кислородно-цезпевых эмиттеров выходной ток не должен превышать 1 ма/см. С другой стороны, полезный сигнал можно зарегистрировать лишь в том случае, если он больше помехи. Следовательно, минимальное значение сигнала, который еще может быть усилен умножителем, определяется величиной помехи, т. е. того тока, который имеется при отсутствии сигнала. Этот ток называется темповым током и получается в результате термоэмиссии фотокатода и утечки по стеклу трубкп.

Таким образом, поскольку гок коллектора ограничен, бесполезно увеличение коэффициентов усиления больше той величины, которая позволяет регистрировать сигнал, близкий к уровню темпового тока. Другой причиной, ограничивающей коэффициент усиления, является обратная связь. Пары цезия или другие газы, выделяющиеся из эмиттеров благодаря повышению их температуры, возбуждаются и ионизируются движущимися электронами. При этом возникают кванты света и иопы, достигающие 1С*

катода. Они вызывают дополнительный выход из него электронов и новые лавины, При определенных условиях может поддерживаться лавина электронов при отсутствии полезного светового сигнала, Конструкция электродов, схематически показанная на рис, 54, устраняет попадание квантов света и ионов на катод,

Напряжение U. S

Рис. 56. Зависимость интегральной чувствительности J, а/лм (/) и темнового тока /г (2) от напряжения ва аноде (коллекторе)

Весьма важная характеристика фотоумножителя - интегральная чувствительность /, т. е. отношение тока коллектора к вызвавшему его световому потоку. Для данного умножителя эта величина зависит от напряжения, так как с увеличением напряжения растет и скорость электронов, от которой зависит коэффициент вторичной эмиссии. Однако одновременно с увеличением интегральной чувствительности при повышении напряжения растет и темновой ток Ij. . На рис. 56 приведен график зависимости этих величин от напряжения для ФЭУ-19,

Приведем основные данные для ФЭУ-19, содержащего 13 каскадов умножения. В предельном режиме напряжение между катодом и последним эмиттером равно 2010 в. При этом световой поток \0~ лм создает постоянный ток на выходе 100 мка (интегральная чувствительность умножителя 1000 а/лм). Катод сурьмяно-цезиевый, полупрозрачный, нанесен на внутреннюю торцовую поверхность стекла колбы. Рабочая площадь катода- 9 см. Интегральная чувствительность катода 26 мка/лм,

следовательно, коэффициент усиления равен

103 а1лм

26-10- а/лм

-=4-10

Недостатками фотоэлектронных умножителей являются высокое напряжение питания, значительная неустойчивость и не-

однородность их параметров. Из графика рис. 56 видно, как резко меняется чувствительность при изменении напряжения. В связи с этим фотоумножители приходится питать от высокостабильных источников постоянного напряжения. Для этой цели применяют специальные стабилизированные выпрямители, такие, как например, выпускаемый отечественной промышленностью Орех , который обеспечивает стабильность выходного напряжения ±0,5% при изменении сетевого напряжения на 10%.

Нестабильность параметров фотоумножителя вызывается не только изменением напряжения, но и изменением температуры.

Сцинтилляторы

Фотоэлектронные умножители обеспечивают возможность регистрировать различные излучения. Для этой цели фотоумножитель сочетается со сцинтиллятором (фосфором), т. е. с веществом, в котором наблюдается флуоресценция при прохождении через него частиц или фотонов. Вспышка света (сцинтилляция), вызываемая в сцинтилляторе частицей, действует на фотокатод умножителя, в котором возникает лавина электронов, собираемых коллектором. В результате в цепи коллектора получается импульс тока, величина которого достаточна для его регистрации.

В качестве сцинтилляторов применяются неорганические кристаллы и органические сцинтилляторы. Последние, в свою очередь, можно разделить на монокристаллические фосфоры и сцинтиллирующие растворы. Эти растворы содержат активатор, т. е. флуоресцирующее вещество, и растворитель, в котором возникает первичное возбуждение, вызывающее свечение активатора и тем самым действующее на фотоумножитель. Растворителями могут служить кристаллы, пластмассы или жидкости.

Из неорганических сцинтилляторов наиболее широко применяется йодистый натрий, активированный таллием. Благодаря высокой плотности сравнительно небольшое его количество полностью поглощает у-лучи в области энергий 0,5-1 мэв.

Бета-частица с энергией в 1 мэв порождает в нем 20-30 тыс. фотонов. Его спектральная характеристика (полоса шириной

о , о

800 А с максимумом на 4100 А) соответствует характеристике сурьмяно-цезиевого катода фотоумножителя. По этим причинам йодистый натрий является одним из наиболее эффективных из всех известных фосфоров. Кроме того, довольно большая доля энергии, переданной кристаллу у-излучением, превращается в световую за счет фотоэффекта, что связано с высоким атомным номером йода. Поэтому обеспечивается хорошая пропорциональность между интенсивностью вспышек света и энергией у-квантов.

Недостаток йодистого натрия - высокий показатель преломления (порядка 1,8), который затрудняет оптическое соединение кристалла с катодом фотоумножителя. Это недостаток преодолевают, приклеивая кристалл к фотоумножителю канадским бальзамом или вводя между ними световод из обычного или органического стекла (люцита). Но и в этом случае потери на отражение на границе раздела получаются большими. Другой недостаток-неустойчивость кристалла в присутствии водяных паров, в результате чего при длительном воздействии воздуха он желтеет и становится непрозрачным для сцинтилляции. Для устранения этого эффекта кристалл герметизируют, прикрывая его торцы стеклянным или пластмассовым диском.

При регистрации а-частиц хорошие результаты дают экраны из сернистого цинка, активированные серебром, подобные экранам осциллографических трубок. Толщина этих экранов невелика, так как у а-частиц проникающая способность мала, а удельная ионизация велика.

йодистый натрий обладает малым временем высвечивания по сравнению с другими неорганическими сцинтилляторами, порядка (23) . 10- сек. Значительно меньшим временем высвечивания обладают органические сцинтилляторы, что обеспечивает высокую разрешающую способность счетчика. Эффективность органических сцинтилляторов меньше, чем у йодистого натрия, но все же довольно высока.

Органические сцинтилляторы применяют либо в виде монокристаллов, либо в виде активатора, растворенного в жидком растворителе или в пластмассах. В первом случае получается большая эффективность, во втором - меньшее время высвечивания. Поэтому органические кристаллы применяются в счетчиках небольших и средних размеров, достаточно эффективных и быстродействующих. В тех случаях, когда нужны весьма быстродействующие счетчики и большие размеры сцинтилляторов, используются растворы. Выращивание монокристаллов больших размеров сложно и дорого.

Из органических монокристаллических сцинтилляторов наиболее широко применяют антрацен. Его эффективность для (З-частиц составляет 40-50% от эффективности йодистого натрия. Время высвечивания 36 10-- сек. Другим сцинтиллято-ром этого вида является трансстильбен. Эффективность примерно втрое меньше, но зато время высвечивания порядка 6-10-3 сек.

В сцинтиллирующих растворах в качестве жидких растворителей используют толуол, ксилол и фенилциклогексан. а активаторами служат терфенил, дифенилксазол и тетрафенилбута-диен.

Твердыми растворителями служат такие пластмассы, как по-

ливенилтолуол и полистирол. Эти растворители позволяют изготовить твердый прозрачный сцинтиллятор любых размеров и формы.

Ниже приводится таблица свойств различных сцинтилляторы Таблица 26 Некоторые типы сцинтилляторов и их свойства

Сцинтиллятор

Эффективность для -излучения

Время высвечивания 9

сек. X I О

Йо.гистый натрий с таллием ....

Вольфрамат кадмия.........

Антрацен .............

Трансстильбен ...........

Kcилoл-fтepфeнил-- дифенилгексатри-

ен ..............

Ксилол-{-терфенил.........

Поливенилтолуол--те!;фенил--дифе-

нилстильбен...........

Полистирол-Ьтетрафеиилбутадиен . .

250 10 48 6

Увеличение размеров сцинтилляторов обеспечивает повышение чувствительности счетчика и в этом заключается практическая ценность жидких и пластмассовых сцинтилляторов. Однако так как ни один из них не является абсолютно прозрачным, то невозможно собирать на маленький катод весь свет, возбужденный в сцинтилляторе. Поэтому возникла необходимость увеличить и площадь катода. Примерный вид фотоумножителей с большими катодами изображен на рис. 57. В настоящее время созданы фотоумножители с катодами диаметром более 400 мм.

Преимущества и недостатки сцинтилляционных счетчиков

Сцинтилляционные счетчики обладают следующими преимуществами перед газовыми счетчиками:

а) высокой разрешающей способностью, ограниченной временем высвечивания сцинтиллятора, доходящим до 10 сек;

б) большой эффективностью счетчика для всех видов радиоактивных излучений, достигающей почти 100%;

в) пропорциональностью импульсов тока ионизирующей способности частиц (а для частиц одной природы - их энергии) при достаточно большой их величине.

Высокая разрешающая способность объясняется тем, что носителями тока в счетчике являются не ионы, а электроны, обладающие во много раз большей подвижностью. Процесс развития лавин не связан с накоплением объемных зарядов ионов