Оптический метод регистрации излучений
Ионизационные, оптические (сцинтилляционные), химические и фотографические методы регистрации излучений. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) как распространенный и незаменимый детектор излучения. Устройство, основные принципы работы, схема включения ФЭУ.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.01.2015 |
| Размер файла | 924,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- 1. Оптический метод регистрации излучений
- 2. Устройство и принцип работы ФЭУ
- 2.1 Схема включения ФЭУ
- 2.2 Фотокатод
- 2.3 Устройство динодов и анода
- 2.4 Шумы ФЭУ. Темновой ток
- 2.5 Принцип умножения электронов
- 2.6 Источники высокого напряжения для ФЭУ
- 2.7 Получение напряжений для электродов ФЭУ
- 2.8 Стабилизация усиления ФЭУ
- 2.9 Счетная характеристика ФЭУ
- Вывод
- Литература
Введение
В 1934 году Л.А. Кубецким был получен первый действующий образец нового фотоэлектрического прибора - фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).
Трудно переоценить значение этого изобретения и его практического осуществления для развития науки и техники, когда фотоэлектронные умножители получили столь широкое распространение и стали незаменимым орудием исследования в ядерной физике, в оптике и астрономии, в биологии, медицине и сельском хозяйстве, в химии и металлургии и находят все более широкие технические применения в автоматизации управления производственными процессами, в поисках полезных ископаемых и т.п. Необходимо иметь в виду также, что сам метод вторично-электронного усиления умножения сделал возможной непосредственную регистрацию отдельных молекулярных, атомных и ядерных частиц (электронные умножители), а также нашел важные применения в электронных лампах.
Изобретение Л.А. Кубецкого, и особенно практическое его осуществление, открыло новый этап в развитии исследования любых явлений, связанных или могущих быть так или иначе связанными с испусканием и поглощением света, дав в руки исследователей электронный инструмент непревзойденной и принципиально непревосходимой чувствительности, точности и быстроты действия.
Все значение фотоэлектронных умножителей было оценено далеко не сразу. Оно раскрылось лишь после того, как было показано, что ни с каким другим приемником в ядерной физике не может быть получено такой подробной информации об исследуемых процессах, как при использовании фотоэлектронного умножителя. Этот новый этап развития начался в 1948 г., т.е. на 14 лет позже рождения первого ФЭУ.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - очень распространенный и во многих случаях незаменимый детектор излучения. Он позволяет регистрировать и предельно слабые и довольно интенсивные потоки. От единиц до … фотонов в секунду. Постоянная времени - порядка…с, т.е. допускает весьма высокие частоты модуляции. Может быть размещен на воздухе и в вакууме. На выходе дает легко измеримый сигнал. Все это с лихвой компенсирует неудобства, связанные с необходимостью использования высоковольтных блоков питания (0.5…2.5 кВ) и довольно большими габаритами ФЭУ.
оптический метод регистрация излучение
1. Оптический метод регистрации излучений
В настоящее время существует достаточно много методов регистрации ионизирующих излучений. Выбор того или иного метода производится с учетом вида излучения и той информации, которую хотят получать: простое обнаружение излучения, измерение энергии частиц, определение активности и т.д. В соответствии с поставленными задачами выбирают тип измерительных приборов. Для измерения активности и плотности потоков ионизирующих излучений используют радиометры, для определения дозы излучений - дозиметры, для нахождения распределения излучения по определенным параметрам (энергии, заряду, массе) - спектрометры.
К основным и наиболее часто применяемым методам регистрации относятся следующие: ионизационные, оптические (сцинтилляционные), химические и фотографические.
Взаимодействуя с веществом, ядерное излучение наряду с ионизацией производит возбуждение атомов и молекул. Через некоторое время (в зависимости от вещества) возбужденные атомы и молекулы переходят в невозбужденное состояние с выделением энергии во внешнюю среду. У некоторых веществ (сернистый цинк, йодистый натрий, антрацен, нафталин и др.) такой переход сопровождается испусканием энергии возбуждения в виде квантов видимого инфракрасного и ультрафиолетового света. Внешне это проявляется в виде вспышек света - сцинтилляций, которые можно зарегистрировать с помощью соответствующих приборов. На регистрации сцинтилляций, возникающих в определенных веществах при облучении их ионизирующими излучениями, и основаны оптические методы.
Принцип работы сцинтилляционного детектора следующий: под действием излучений происходит ионизация и возбуждение атомов. При переходе атомов из ионизированных и возбужденных состояний в основное высвечивается энергия в виде вспышки света (сцинтилляции), которая может быть зарегистрирована различными способами. Лучший из них состоит в преобразовании энергии света в электрический сигнал с помощью оптически связанного со сцинтиллятором фотоэлектронного умножителя.
В настоящее время известно очень много различных сцинтилляторов - жидких, твердых, газообразных и в виде порошков различной плотности. Это позволяет подобрать необходимый детектор для наиболее эффективной регистрации любого ионизирующего излучения в широком диапазоне энергий.
2. Устройство и принцип работы ФЭУ
2.1 Схема включения ФЭУ
Рис. 2.1.1 Схема включения ФЭУ
На рис. 2.1.1 дана схема включения ФЭУ. Напряжение на его диноды подается с помощью делителя напряжения, которой собирается из сопротивлений 0,1-1 МОм. Обычно все сопротивления одинаковы, но иногда последнее делается в два раза больше остальных, как это изображено на схеме. Источник питания должен давать достаточно стабильное напряжение 1-2 КВ при потребляемом токе до нескольких миллиампер. Обычно для этого применяют стабилизированные выпрямители.
На стабильность работы ФЭУ влияют, кроме неустойчивости питания, также внешние наводки, обусловленные электрическими и магнитными полями. Они могут рассеивать электроны и тем самым менять коэффициент усиления. В силу малой инерции ФЭУ чувствителен не только к постоянным, но и к переменным, в том числе и высокочастотным полям. Поэтому при работе ФЭУ тщательно экранируют. Для этого умножитель обычно вместе с делителем напряжения помещается в металлический кожух. Кожух снабжен лишь отверстиями, необходимыми для прохода освещающего света и вывода проводов. Все провода проходят в тщательно экранированном кабеле и соединяются с ФЭУ с помощью разъемов. Кожух одновременно защищает ФЭУ от постороннего света и механических повреждений.
Для охлаждения ФЭУ весь прибор погружается в сосуд Дьюара с жидким азотом или твердой углекислотой, либо охлаждается с помощью хладопровода - медного стержня, одним концом погруженного в жидкий азот, а другим - соединенного с толстым металлическим кольцом, охватывающим катодную часть ФЭУ.
Существуют фотоумножители, выполненные в виде сосуда Дьюара, на внутренние стенки которого нанесен фотокатод. Это наиболее удобный способ охлаждения. Промышленностью такие фотоумножители не изготовляются.
При охлаждении ФЭУ должны быть приняты все меры, чтобы влага не конденсировалась на колбе и электродах прибора. Поэтому если весь ФЭУ не погружается в сосуд Дьюара, то кожух должен быть герметизирован и содержать внутри осушитель. Измеряемый свет при этом удобнее всего вводить внутрь с помощью светопровода в виде стеклянного стержня, а еще лучше в виде жгута стеклянных волокон достаточной длины, чтобы наружная часть его заметно не охлаждалась (достаточна длина 10-12 см).
2.2 Фотокатод
Конструкция каждого ФЭУ должна обеспечить оптимальные условия попадания светового излучения на фотокатод (оптический вход ФЭУ), поэтому применяются различные геометрические расположения фотокатода относительно оси вакуумной колбы и различные материалы входных окон.
Для регистрации несфокусированного излучения используется торцевой оптический вход. В этом случае полупрозрачный фотокатод, работающий "на просвет" (излучение попадает на фотокатод со стороны подложки), формируется при изготовлении в виде тонкой пленки непосредственно на плоском входном окне. Диаметр фотокатода может превышать 250 мм, но наиболее широко применяются ФЭК с диаметрами рабочей площади от 5 до 50 мм.
Сфокусированные световые пучки можно регистрировать и с фотокатодом малой площади, в том числе - работающим "на отражение" (излучение попадает на фотокатод со стороны вакуума). Входное окно при этом располагается или на торце, или на боковой стенке колбы.
В этом случае мы имеем массивный фотокатод, формируемый на металлической, т.е. хорошо проводящей поверхности. Он имеет существенные преимущества перед полупрозрачным и по эмиссионным свойствам и, главное, по электрическим. Дело в том, что материал фотокатода - полупроводник с невысокой и сильно зависящей от температуры проводимостью. Электрод к полупрозрачному фотокатоду может быть проведен только по периферии, так что при больших интенсивностях света и соответственно больших токах эмиссии проводимость вдоль тонкой пленки от периферии к центру может оказаться недостаточной, особенно если фотокатод придется охлаждать для уменьшения темнового тока. В массивном фотокатоде ток от металлического электрода к поверхности течет не вдоль, а поперек слоя и ограничений по величине фототока практически не возникает.
Катодная камера
Катодная камера ФЭУ образуется поверхностями фотокатода и первого динода, а также расположенными между ними электродами, форма и распределение потенциалов на которых определяют ее электронно-оптические свойства. У нее две функции: вытягивание электронов с фотокатода и фокусировка их на первый динод. Отсюда и характеристические параметры.
Эффективность, т.е. коэффициент сбора электронов с фотокатода на первый динод.
Острота фокусировки, определяющая допустимое отношение рабочих площадей фотокатода и первого динода.
Разброс времен полета электронов, вылетающих с различных точек фотокатода. Он приводит к неопределенности времени задержки импульса на выходе ФЭУ относительно момента поглощения фотона и определяет временную ширину многоэлектронного импульса.
Рис. 2.2.1 Некоторые варианты электронно-оптических систем для ФЭУ с торцевым входом. Числа у электродов - потенциалы.
На рис. 2.2.1 показаны три типа катодных камер ФЭУ с торцевым входом (и полупрозрачным фотокатодом). Ради улучшения эффективности сбора фотоэлектронов и, главное, ради уменьшения разброса времен их пролета из разных точек фотокатода, иногда приходится собирать довольно сложные электронно-оптические системы.
2.3 Устройство динодов и анода
Динодная система.
Конструкции динодных систем бывают различны. В основном, в выпускаемых промышленностью ФЭУ используются коробчатые системы, жалюзийные, корытообразные. Реже - система с непрерывным динодом.
В коробчатой системе (Рис. 2.3.1а, б) динод представляет собой часть поверхности цилиндра (в сечении обычно ј окружности), закрытую с торцов крышками. Эта система характеризуется неострой фокусировкой электронов, малой напряженностью электрического поля у поверхности динода и малой величиной его рабочей площади.
Достоинства коробчатой системы - высокая эффективность каскада (~95%) при использовании различных типов вторично-эмиссионных поверхностей (SbCs и BeO на CuBe), жесткость формы динода, почти полная экранировка пролетных промежутков от влияния крепежных изоляторов, компактность. Широко применяется при создании малошумящих механических устойчивых ФЭУ.
Рис. 2.31. Динодные системы ФЭУ. Пояснения в тексте
Корытообразные диноды (Рис. 2.3.1в) - почти то - же самое, что и коробчатые, но у них нет боковых стенок, а форма поверхности динода обеспечивает нужную фокусировку электронов. В системах с острой фокусировкой используются различные варианты корытообразных динодов. Например, тороидальные диноды, представляющие собой поверхности тела вращения этого профиля.
Жалюзийная система (Рис. 2.3.1г) имеет диноды, состоящие из наклонных полосок - лопастей жалюзи, являющихся эмиттерами вторичных электронов, и прозрачной сетки, находящейся по тем же потенциалом. Сетка экранирует жалюзи от тормозящего поля предыдущего динода, обеспечивая попадание вторичных электронов на лопасти следующего динода. У такой системы рабочая площадь динода относительно велика, а междинодное расстояние может быть сделано достаточно малым. Электрическое поле между жалюзийными динодам является приблизительно однородным. При переходе с каскада на каскад по мере увеличения числа и плотности электронов в пачке происходит ее расширение из-за взаимного расталкивания электронов. Жалюзийная система характеризуется неострой фокусировкой и не препятствует этому расширению, что увеличивает площадь динода, по которой распределяется электронный поток, и обеспечивает устойчивость сигнала ФЭУ при больших токовых нагрузках. В тоже время, напряженность электрического поля у поверхности динода велика и это позволяет довести разброс времен пролета электронов между двумя каскадами до величин менее 1 нс.
Недостатком жалюзийной системы является возможность пролета электронов через динод без умножения, т.е. невысокая эффективность динодного каскада. Эта же причина ухудшает и временное разрешение.
Большие возможности для миниатюризации ФЭУ и систем с их применением представляются при использовании непрерывного динода с распределенным сопротивлением.
В этой системе нет отдельных динодов. Умножение электронного потока происходит при его движении внутри замкнутого объема (например - трубки), ограниченного поверхностью с хорошей вторичноэмиссионной способностью.
Если внутренние стенки трубки покрыты полупроводящим слоем и к торцам ее приложена разность потенциалов, то внутри мы получим продольное ускоряющее поле. Точки соударений электронов со стенкой случайны, но при правильном выборе соотношения диаметра и длины (примерно 1: 50) свойства умножителя получаются прекрасными.
На таких системах могут быть построены "микроканальные пластины”, представляющие собой пластинку, испещренную каналами диаметром в 10 - 20 мкм, с шагом 20 - 40 мкм, т.е. имеющую 1000 - 2000 миниатюрных умножителей на 1 . Торцы пластины металлизируются, и к ним подводятся рабочие потенциалы, одновременно ко всем каналам. Толщина пластины 0,5 - 2 мм. Коэффициент усиления может достигать .
Анодный блок.
Анодный блок не должен ухудшать параметры ФЭУ, определяемые другими конструктивными элементами: катодной камерой и динодной системой. От конструкции анодного блока зависит величина линейного участка световой характеристики, быстродействие ФЭУ и возможность правильного согласования с последующей радиотехнической цепью. В большинстве случаев анодный блок состоит из двух электродов: последнего динода и коллектора (анода), лишь в отдельных быстродействующих ФЭУ применяются дополнительные электроды для рассасывания объемного заряда и фокусировки электронов на коллектор.
В системе выхода с прямым сбором электронов (ФЭУ-35, ФЭУ-27) массивный анод геометрически является последним электродом системы. В этом случае анодная характеристика (зависимость тока ФЭУ от напряжения между последним динодом и анодом при постоянных каскадных напряжениях и постоянной засветкой фотокатода) может иметь максимум из-за "перехвата" электронов с предпоследнего динода при повышенных напряжениях. В рефлекторной конструкции (все типы жалюзийных ФЭУ, ФЭУ-17 - ФЭУ-19, ФЭУ-22, ФЭУ-24, ФЭУ-26, ФЭУ-29 - ФЭУ - 31, ФЭУ-36-ФЭУ - ФЭУ-39, ФЭУ-50, ФЭУ-51) сеточный анод располагается между последним и предпоследними динодами, обеспечивая малое напряжение насыщения и широкий плоский участок анодной характеристики. Сеточный анод, расположенный вблизи поверхности последнего динода, способствует рассасыванию объемного заряда и продлению линейного участка световой характеристики ФЭУ.
2.4 Шумы ФЭУ. Темновой ток
Чрезвычайно важным являются параметры ФЭУ, определяющие минимальные величины световых потоков, которые могут быть измерены с их помощью. Нижний придел измеряемых световых потоков определяется темновым током и шумами ФЭУ.
1 - усиленная термоэлектронная эмиссия фотокатода и динодов; 2 - ток утечки; 3 - полная величина темнового тока; 4 - область нестабильной работы.
Рис. 2.4.1 Зависимость составляющих темнового тока от величины напряжения питания фотоумножителя.
Темновой токт - это постоянный ток в цепи анода ФЭУ, полностью защищенного от излучений, которые могут воздействовать на него. Величина темнового тока является характерной для каждого экземпляра ФЭУ и существенно зависит от его рабочего напряжения. Источниками темнового тока являются: термоэлектронная эмиссия фотокатода и динодов (особенно первого), автоэлектронная эмиссия электродов, ток, обусловленный ионной и оптической обратными связями, ток утечки в анодной цепи. В зависимости от напряжения на ФЭУ каждая из этих составляющих по-разному влияет на величину темнового тока. Обычно различают три области (рис.2.4.1): Й - при низких напряжениях основной вклад в величину темнового тока дают токи утечки, ЙЙЙ - при высоких напряжениях темновой ток обусловлен автоэлектронной эмиссией и обратными связями; рабочей областью ФЭУ является область ЙЙ, в которой изменение величины темнового тока с напряжением пропорционально изменению анодной чувствительности.
В зависимости от конструкции и технологии изготовления ФЭУ могут изменяться соотношения протяженности этих областей и величины напряжений для каждой из них. В малогабаритных ФЭУ область ЙЙ обычно существенно уже, чем в крупногабаритных, в ФЭУ с напыленными динодами область ЙЙЙ смещена в сторону более низких напряжений чем в ФЭУ с динодами на основе сплавов.
Качество ФЭУ в схеме регистрации постоянного тока характеризуется световым эквивалентом темнового тока, являющимся отношением темнового тока к анодной чувствительности: [лм] = [A] / [A/лм]. Область значений величины напряжения питания и анодной чувствительности, при которых является минимальным, определяется конструкцией ФЭУ. Разброс величины для ФЭУ одного типа достигает 1 - 1,5 порядка величины, для ФЭУ разных типов - нескольких порядков. На рис.2.4.2 приведены характерные зависимости = f ().
Флуктуации темнового тока являются источником собственных шумов ФЭУ, причем в их равномерно представлены составляющие всех частот (белый шум). Это позволяет применять радиотехнические методы улучшения отношения сигнал/шум. В режиме регистрации модулированных световых сигналов частота модуляции светового потока совпадает со средней частотой пропускания усилителя. Улучшения отношения сигнал /шум добиваются сужением его полосы пропускания, так как ~Дf. Характерными являются два случая приема модулированных сигналов: при отсутствии и при наличии освещения фотокатода постоянным световым фоном. Для количественной оценки величины шумов ФЭУ соответственно используются два параметра: порог чувствительности (иногда его называют темновым порогом чувствительности) и порог чувствительности при постоянном световом фоне.
Порог чувствительности [] - это такой световой поток от стандартного источника света типа А, который, падая на фотокатод, создает на выходе ФЭУ сигнал, равный среднеквадратичному значению напряжения собственных шумов.
1 - ФЭУ-58; 2 - ФЭУ-55; 3 - ФЭУ-54; 4 - ФЭУ-81, ФЭУ-93; 5 - ФЭУ-19, ФЭУ-29; 6 - ФЭУ-51; 7 - ФЭУ-85; 8 - ФЭУ-17, ФЭУ-18; 9 - ФЭУ-64; 10 - ФЭУ-79, ФЭУ-106; 11 - ФЭУ-91; 12 - ФЭУ-92.
Рис. 2.4.2 Зависимость светового эквивалента темнового тока от напряжения питания
Порог чувствительности при постоянном световом фоне [лм/] определяется аналогично, но при наличии фоновых шумов. При освещении фотокатода ФЭУ монохроматическим излучением аналогично же может быть определен спектральный порог чувствительности [Вт/].
1 - ФЭУ-26; 2 - ФЭУ-31А; 3 - ФЭУ-20; 4 - ФЭУ-27; 5 - ФЭУ-51; 6 - ФЭУ-17, ФЭУ-18; 7 - ФЭУ-69; 8 - ФЭУ-64, ФЭУ-79, ФЭУ-106
Рис. 2.4.3 Зависимость порога чувствительности от величины анодной чувствительности
2.5 Принцип умножения электронов
Принцип действия ФЭУ основан на выбивании электронов с поверхности световыми квантами hw (внешний фотоэффект) и последующем усилении электронного потока с помощью вторичной электронной эмиссии.
Фотоэлектронная эмиссия из твердого тела порождается тремя следующими друг за другом процессами:
1) поглощением падающего фотона, приводящим к передаче энергии от фотона к электрону;
2) диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела;
3) прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум. Энергия, необходимая электрону для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода.
При бомбардировке твердого тела электронами, обладающими достаточной энергией, происходит испускание вторичных электронов, называемое вторичной эмиссией. Физические процессы, связанные с вторичной эмиссией, во многом схожи с фотоэмиссией. Основное различие заключается в том, что эмиссию в данном случае вызывает ударная ионизация при взаимодействии электронов твердого тела с первичными электронами, а не с фотонами.
Механизм вторичной эмиссии заключается в следующем:
первичные электроны взаимодействуют с электронами твердого тела и возбуждают их до более высоких энергетических состояний;
часть возбужденных электронов перемещаются в направлении к границе вакуум - твердое тело;
электроны, достигающие поверхности с энергией, превышающей высоту поверхностного потенциального барьера, переходят в вакуум.
При падении пучка первичных электронов часть из них испытывает упругое отражение от атомов кристаллической решетки, остальные проникают внутрь тела и взаимодействуют с электронами твердого тела. Причем одни, испытав неупругое отражение, покидают твердое тело, имея энергию, другие в результате столкновения с внутренними электронами полностью теряют сваю энергию и остаются в теле. Так как число связанных электронов в любом твердом теле значительно больше, чем число свободных, первичный электрон будет передавать сваю энергию в основном связанным электронам. При этом он или приводит атомы в возбужденное состояние или ионизирует их. Наиболее интенсивную ионизацию первичный электрон производит в конце пробега. Выбитые из атомов возбужденные электроны, перемещаясь в объеме тела в направлении к поверхности, быстро теряют энергию в результате взаимодействия с электронами твердого тела и кристаллической решеткой.
Электроны, возбудившиеся вблизи поверхности тела, могут приблизиться к границе вакуум - твердое тело с анергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, и вылететь как вторичные. Такие электроны называются истинными вторичными электронами.
Рис. 2.5.1 Типичные кривые зависимости коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов
Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов - одно из основных свойств вторичной эмиссии. Характерной особенностью этой зависимости является наличие широкого максимума. Энергия первичных электронов, при которой у достигает максимального значения, изменяется для обычных эмиттеров в пределах от 100 до 1800 эВ. Увеличение у при энергиях первичных электронов, меньших макс коэффициент вторичной эмиссии уменьшается, так как наибольшее число втроичных электронов эмитируется во все более глубоких слоях материала и не может достигнуть поверхности с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера.
Второй важной характеристикой вторичной эмиссии является распределение вторичных электронов по скоростям. Наибольшее число истинных вторичных электронов имеют энергию в несколько электрон-вольт и значительная часть их покидает тело со скоростями, близкими к нулю. Упруго и не упруго отраженные электроны имеют энергию, близкую к энергии первичных электронов.
2.6 Источники высокого напряжения для ФЭУ
К источникам высокого напряжения применяемым для питания фотоэлектронных умножителей предъявляются особые требования, принципиальным из которых является стабильность выходного напряжения составляющая от 0,1 от 0,01 % (прибора спектрометрии), также учитывая, что источник будет работать в составе чувствительных радиометрических комплексов, к высоковольтным источникам предъявляются жесткие требования по величине кондуктивных и индуктивных помех.
Высоковольтный источник питания обеспечивает формирование напряжение анодного питания ФЭУ, величина которого устанавливается по командам, поступающим от блока управления.
Высоковольтный источник питания ФЭУ обеспечивает формирование высоковольтного напряжения в диапазоне от 0 до 2000 Вольт при максимальном токе в нагрузке до 10 мА.
Уровень выходного напряжения устанавливается путем записи 12-разрядного кода во внутренние регистры задающего ЦАП. На выходе ЦАП устанавливается напряжение, которое поступает на усилитель сигнала ошибки рассогласования.
На второй вход усилителя сигнала ошибки поступает сигнал, пропорциональный величине напряжения на выходе высоковольтного источника питания. Этот сигнал снимается с высоковольтного резистивного делителя напряжения, буферизированного повторителем на ОУ, так, что при изменении выходного напряжения источника от 0 до 2000 Вольт, сигнал, снимаемый с делителя, изменяется в диапазоне от 0 до 2 Вольт.
Усилитель сигнала ошибки выделяет дифференциальный сигнал рассогласования и формирует сигнал управления для управляемого генератора с тем, чтобы свести к минимуму величину сигнала рассогласования. Усилитель собран по схеме дифференциального усилителя с разорванной петлей ООС по постоянному току, чем обеспечивается максимальное усиление сигнала ошибки рассогласования. Частотная коррекция времени реакции осуществляется емкостью в цепи ООС.
В состав управляемого генератора высоковольтного преобразователя входит:
задающий генератор;
широтно-импульсный модулятор;
импульсный фазовращатель.
Задающий генератор формирует тактовые острые импульсы частотой 18-20 кГц. Тактовые импульсы поступают на широтно-импульсный модулятор обеспечивают формирование импульсов с частотой следования, определяемой задающим генератором, и длительностью, определяемой величиной постоянного напряжения управления, поступающего с усилителя ошибки рассогласования. Так, при напряжении управления порядка 0 Вольт, ширина импульсов минимальна (вплоть до отсутствия импульсов), а при повышении напряжения управления, ширина импульсов увеличивается. Таким образом, изменением величины напряжения управления обеспечивается изменение скважности импульсов в широких пределах.
Важно отметить, что при максимальном значении напряжения управления, импульсы имеют "зазор" для предотвращения возникновения сквозных токов в ключевом усилителе мощности.
Импульсный фазовращатель формирует парафазный сигнал, необходимый для функционирования двухтактного ключевого усилителя мощности. Ключевой усилитель мощности обеспечивает усиление импульсов и формирование импульсов высокого напряжения, поступающих на высоковольтный выпрямитель и емкостной фильтр высокого напряжения. Ключевой усилитель собран по двухтактной схеме, обладающей низким уровнем импульсных и электромагнитных помех, что особо важно с учетом близкого расположения высокочувствительных каскадов усиления фототока ФЭУ. Полученное высокое напряжение поступает на ФЭУ и делитель напряжения динодов, конструктивно расположенный внутри темновой камеры в непосредственной близости от ФЭУ.
Рис. 2.6.1 Источник высокого напряжения для ФЭУ
2.7 Получение напряжений для электродов ФЭУ
Для того чтобы на каждый электрод ФЭУ подать соответствующий потенциал, обеспечивающий оптимальную работу прибора, используется делитель напряжения, изображенный на Рис. 2.7.1 Простейший вариант состоит из нескольких одинаковых сопротивлений, включенных последовательно друг с другом. Общее сопротивление делителя обычно составляет 2 - 10 МОм.
На один конец делителя, соединенный с фотокатодом, подается питающее напряжение U обычно около - 2000В, а другой конец заземлен, т.е. находится при нулевом потенциале. В таком делителе междинодное напряжение равно U/13, т.е. примерно 150 В. Диафрагма и диноды последовательно подключаются к точкам соединения резисторов. Анод соединяется с землей через нагрузочное сопротивление RL. Существенным является то, что параллельно с этим сопротивлением обязательно включена некая емкость C - это либо реальный конденсатор, либо просто паразитна емкость, образованная элементами реальной конструкции и входной емкостью дальнейшей электронной схемы. Эти три элемента образуют выхоную (анодную) цепь ФЭУ, сигнал с которой и подается на вход электронной схемы (усилителя) для дальнейшего усиления и регистрации.
Рис. 2.7.1 Схематичное изображение фотоэлектронного умножителя, включенного в электрическую цепь
2.8 Стабилизация усиления ФЭУ
Широкое использование фотоумножителей в различных чувствительных измерительных приборах требует применения для питания фотоумножителей (ФЭУ) хорошо стабилизированного напряжения, так как коэффициент усиления ФЭУ существенно зависит от стабильности напряжения питания. Способ стабилизации коэффициента усиления ФЭУ поддержанием постоянным напряжения между двумя соседними динодами неприменим для фотоумножителей типа, например, ФЭУ - 19, ФЭУ - 29 и т.п., ввиду малой чувствительности их к неравномерности распределения напряжения между динодами.
Способ стабилизации коэффициента усиления фотоумножителей путем поддержания неизменным напряжения на одном из динодов не относительно соседнего динода, а относительно следующего за ним динода, позволяет стабилизировать коэффициент усиление практически у всех типов ФЭУ. В этом случае при возрастании общего напряжения на ФЭУ получается уменьшение напряжения между двумя соседними динодами, тогда как при стабилизации усиления при поддержании напряжения между двумя соседними динодами оно оставалось постоянным. При этом напряжение между двумя предыдущими динодами увеличивается больше, чем при первом способе стабилизации.
Вследствие получающегося, при поддержании неизменным напряжения на одном из динодов относительно следующего за ним динода, резкого перераспределения напряжения между динодами, при повышении общего напряжения на фотоумножителе, фокусировка электронов ухудшается, что снижает коэффициент усиления, увеличившийся за счет повышения напряжения между остальными динодами. Поддержание постоянства напряжения осуществляется путем подключения батареи, необходимое напряжение которой примерно равно величине напряжения между стабилизируемыми динодами.
2.9 Счетная характеристика ФЭУ
Такая кривая называется счетной характеристикой фотоумножителя. Высокое напряжение, разделенное делителем напряжения почти поровну между динодами, создает потенциал, ускоряющий электроны. Для различных фотоумножителей напряжение между динодами составляет 100-200 В, а суммарная разность потенциалов между анодом и катодом равна 1000-2000 В. Для фотоумножителей всех марок, пригодных к работе в режиме счета фотонов, кривая качественно имеет один и тот же вид, но абсолютные значения питающего напряжения различны.
Для примера рассмотрим фотоумножитель ФЭУ-79. Сначала, при низких напряжениях питания, амплитуда возникающих импульсов мала и регистрирующая аппаратура их не чувствует. Поскольку существуют флуктуации коэффициента умножения электронов на каждом диноде, амплитуды импульсов, соответствующим разным фотоэлектронам несколько отличаются друг от друга.
При напряжении около 1200В наиболее мощные импульсы уже регистрируются счетчиком. Отсчет перестает быть равным нулю. При дальнейшем повышении
Рис. 2.9.1 Схематическое изображение счетной характеристики ФЭУ (график зависимости числа импульсов, возникающих в фотоумножителе, от величины питающего высокого напряжения при освещении его фотокатода постоянным светом).
напряжения кривая круто идет вверх. Тот факт, что крутизна графика велика, говорит о том, что фотоумножитель нужно питать очень стабильным напряжением. Если питающее напряжение будет флуктуировать, то это внесет большую ошибку в измерения. Это рассуждение совершенно безупречно для метода усиления постоянного тока. Но при использовании метода счета фотонов ситуация несколько упрощается.
Когда напряжение возрастет настолько, что практически все фотоэлектроны создадут измеримые импульсы и они, импульсы, будут сосчитаны, рост количества импульсов от питающего напряжения должен временно прекратиться. На счетной характеристике появится плато. На практике полного прекращения роста числа импульсов обычно не происходит, но на плато производная функции имеет минимум. Если дальше увеличивать напряжение, то регистрирующая схема начнет считать большое количество импульсов малой амплитуды. Такие импульсы возникают в ФЭУ по причинам, не связанным непосредственно с регистрируемым световым потоком. В число таких причин входят, например, термоэмиссия с динодов, а также явления, связанные с существованием внутренних обратных связей (оптических, ионных и др.). Поскольку в нормальном режиме подобные импульсы не должны регистрироваться, счетная схема срабатывает только начиная с некоторой пороговой амплитуды, величина которой задается подстройкой специального электронного каскада в усилителе, называемого дискриминатором. Но при росте питающего напряжения амплитуда импульсов с первого динода в конце концов становится выше установленного порога дискриминации.
Подобную кривую можно получить и для темнового сигнала. Рабочее напряжение нужно выбрать вблизи точки минимума производной функции, так, чтобы по возможности иметь при этом напряжении минимальное значение темнового тока и, следовательно, максимальное значение отношения сигнал/шум. В процессе работы с ФЭУ очень полезно знать его счетную характеристику, проверять ее достаточно регулярно и обязательно исследовать после всякой перенастройки электроники фотометра. Фотоумножители со временем теряют ряд своих полезных качеств, переставая быть пригодными к работе в электрофотометрах. Это в первую очередь сказывается на счетной характеристике: смещается плато, увеличивается его наклон. Получить счетную характеристику легко. Для этого не нужно тратить дорогое ночное время. Лучше всего снимать счетную характеристику не реже, чем раз в 2-3 месяца.
Вывод
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения, усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 105 раз и выше). Впервые был предложен и разработан Л.А. Кубецким в 1930-1934 гг. ФЭУ позволяет регистрировать и предельно слабые и довольно интенсивные потоки. От единиц до … фотонов в секунду.
Фотоэлектронный умножитель состоит из входной (катодной) камеры (образуется поверхностями фотокатода, фокусирующих электродов, первого динода), умножительной динодной системы, анода и дополнительных электродов. Все элементы размещаются в вакуумном корпусе (баллоне).
Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление потока электронов осуществляется при помощи нескольких специальных электродов изогнутой формы - "динодов", обладающих коэффициентом вторичной эмиссии больше 1. Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подаётся высокое напряжение (600-3000 В). Иногда также применяется магнитная фокусировка, либо фокусировка в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Применение:
Спектрометрия - сцинтилляционные счётчики;
Ядерная физика - в установках для изучения кратковременных процессов (временные ФЭУ);
Оптика, телевидение, лазерная техника.
Хемилюминесценция.
Литература
1. Альфа-, бета - и гамма - спектроскопия. Под. ред.К. Зигбана. Перев. С англ. Вып.2. М., Атомиздат, 1969.
2. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И., Техника и практика спектроскопии, изд. Наука, 1976.
3. Анисимова И.И., Глуховской Б.М., Фотоэлектронные умножители. М., Сов. радио, 1974.
4. Засов А.В. Задачи астрофизического практикума. Для студентов 3 и 4 курсов астрономического отделения МГУ, 2006.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Особенности работы детекторов на основе щелочно-галоидных кристаллов для регистрации рентгеновского и мягкого гамма-излучения, пути ее оптимизации. Анализ методик, позволяющих значительно улучшить сцинтилляционные характеристики регистраторов излучений.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 16.12.2012Метрология ионизирующих излучений и точность дозиметрических методов. Дозы и их характеристики, эквивалент поглощения. Единицы измерений физических величин. Основные методы дозиметрии: биологические, физические, химические, ионизационные и люминисцентные.
презентация [313,6 K], добавлен 12.02.2015Понятие и свойства радиоактивных излучений, их ионизирующая и проникающая способности. Особенности взаимодействия излучений с живым организмом. Важность экологических проблем, связанных с защитой природы и человека от действия ионизирующих излучений.
методичка [210,8 K], добавлен 30.04.2014Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц; газоразрядный счетчик Гейгера и камера Вильсона. Открытие радиоактивности; исследование альфа-, бета- и гамма-излучения. Рассмотрение биологического действия радиоактивных излучений на живые организмы.
презентация [2,2 M], добавлен 03.05.2014Процессы взаимодействия излучения. Схема реализации зондового устройства. Метод просвечивания узким пучком y-излучения. Анализ ядерно-геофизических методов разведки, использование в них излучений естественных и искусственных радиоактивных элементов.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 24.12.2014Потенциал действия и его фазы. Роль ионов Na K в генерации потенциала действия в нервных и мышечных волокнах: роль ионов Ca и Cl. Восстановление от радиационного поражения. Основные методы регистрации радиоактивных излучений и частиц. Их характеристика.
контрольная работа [17,3 K], добавлен 08.01.2011Природа и источники ионизирующего излучения, его физические свойства, воздействие на окружающую среду и гигиеническое нормирование. Наведенная радиоактивность, радиоактивный распад. Методы измерения ионизирующих излучений и измерительная техника.
курсовая работа [582,7 K], добавлен 28.01.2014Физические основы дозиметрии ионизирующих излучений. Основные понятия и величины клинической дозиметрии. Формирование дозного поля в зависимости от вида и источника излучения. Профессиональные обязанности лучевого терапевта. Понятие поглощенной энергии.
презентация [63,4 K], добавлен 06.05.2013Выбор делителя фотоэлектронного умножителя и сцинтилятора для блока детектирования дозиметра гамма-излучения. Преобразование тока анода ФЭУ в последовательность стандартных импульсов. Анализ параметров интегральных схем для построения преобразователя.
дипломная работа [179,6 K], добавлен 11.12.2015Источники инфракрасного, ультрафиолетового и оптического излучений, методы их обнаружения и измерения, определение оптических свойств и применение. Лазеры и лазерные световые пучки. Поляризационные и энергетические характеристики световых пучков.
курсовая работа [587,2 K], добавлен 20.09.2013Характеристика и свойства теплового, люминесцентного и электро- и катодолюминесцентного излучений. Метод исследования химического состава различных веществ по их линейчатым спектрам испускания или поглощения (спектральный анализ). Основные виды спектров.
презентация [10,4 M], добавлен 21.05.2014Поля и излучения низкой частоты. Влияние электромагнитного поля и излучения на живые организмы. Защита от электромагнитных полей и излучений. Поля и излучения высокой частоты. Опасность сотовых телефонов. Исследование излучения видеотерминалов.
реферат [11,9 K], добавлен 28.12.2005Принципы создания резонатора оптического диапазона. Пассивный открытый оптический резонатор в приближении плоской волны, его устойчивость и типы колебаний. Одночастотный режим работы лазера. Влияние вида уширения линии на модовый состав излучения лазера.
контрольная работа [569,8 K], добавлен 20.08.2015Анализ основных задач радиометрии - регистрации с помощью радиометрических приборов излучений, испускаемых ядрами радионуклидов. Технические параметры и принцип работы гамма-спектрометра РКГ-01 "Алиот". Спектрометрическое определение цезия-137 в пробах.
курсовая работа [33,7 K], добавлен 25.11.2010Средства регистрации и количественных измерений световой энергии. Тепловые и фотонные приемники оптического излучения: полупроводниковые болометры, термоэлементы, фоторезисторы, фото- и светодиоды; параметры, характеризующие их свойства и возможности.
презентация [5,3 M], добавлен 07.06.2013Понятие и назначение лазера, принцип его работы и структурные компоненты. Типы лазеров и их характеристика. Методика и основные этапы измерения длины волны излучения лазера, и порядок сравнения спектров его индуцированного и спонтанного излучений.
лабораторная работа [117,4 K], добавлен 26.10.2009Выбор метода регистрации магнитограмм. Магнитооптический эффект Керра. Материалы для магнитооптических устройств и их характеристики. Выбор и обоснование конструкции оптико-электронного устройства регистрации магнитограмм. Крепление оптических элементов.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 09.06.2014Оптический диапазон спектра. Теоретические основы оптических методов НК. Световые колебания. Классификация оптических методов НК. Дискретный спектр излучения газов и жидкостей. Непрерывный спектр собственного излучения твёрдых тел с разной температурой.
реферат [355,1 K], добавлен 15.01.2009Источники и свойства инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Характеристики границ видимого излучения. Положительные и отрицательные воздействия ультрафиолетового излучения. Функции и применение рентгеновских лучей в медицине.
презентация [398,7 K], добавлен 03.03.2014Сцинтилляционный, черенковский детектор частиц. Ионизационная камера, пропорциональный счетчик. Требования к детекторам. Каскадный ускоритель, электростатистический генератор. Ускорение протонов при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги.
курсовая работа [4,6 M], добавлен 16.11.2014
