x-ray_analysis_of_solids (1248287), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Этот детектор, вотличие от предыдущих, не предназначен для спектрометрии рентгеновского излучения, аслужит для измерения потока, т.е. количества попавших в него рентгеновских фотонов вединицу времени. Достоинством СГМ является относительная простота конструкции(см.рис.7.8).СчетчикГейгера-Мюллераиспользуетсядлярегистрациипотоковжесткогорентгеновского излучения, поэтому не нуждается во входном окне.
Рентгеновские фотонывысокой энергии проникают сквозь стенки детектора, теряя малую часть своей энергии.151Физические процессы в СГМ частично совпадают с происходящими в ГПД.Неоднородное электрическое поле вида (7.3) обусловливает существование областиударной ионизации в окрестности анодной нити. Основной отличия СГМ является болеевысокое межэлектродное напряжение, что приводит к увеличению коэффициента газовогоусиления Cip , определенного формулой (7.5). При этом произведение CSICip становитсяблизкимк единице. Тогда коэффициент полногогазовогоусиленияначинаетнеограниченно возрастать. При этом вблизи анода скапливается большое количествоположительных ионов, чей пространственный заряд значительноискажает видэлектрического поля в области ударной ионизации.
Как следствие, нарушаетсяпрямопропорциональная зависимость (7.8).Кпересчетномуприбору123RA−4+Рис.7.8. Принципиальная схема счетчика Гейгера-Мюллера.1 – герметичный кожух, заполненный рабочим газом, 2 – цилиндрический катод, 3 – анодная нить,4 – источник высокого напряжения, RA – анодное сопротивление. Штрих-пунктирной линиейвыделена область ударной ионизации.При дальнейшем увеличении анодного напряжения U среднее значение произведениеCSICip становится равным единице.
Это означает, что каждая электронная лавина за счетвторичных эффектов создает в среднем один электрон на катоде или в объеме газа,который, в свою очередь, порождает новую электронную лавину и т.д. Иначе говоря,когда анодное напряжение U превышает некоторую величину UЗ, в газе детектораначинается самоподдерживающийся (самостоятельный) электрический разряд. При этомна анодном сопротивлении формируется столь сильный сигнал, что он может бытьзарегистрирован без предварительного усиления.Так как СГМ предназначен для счета количества рентгеновских фотонов, попавших вдетектор, то возникший разряд должен быть оборван. Для этого рабочий объем детекторазаполняется смесью основного и гасящего газа.
Главным требованием является меньшая152энергия ионизации Ei атомов (или молекул) гасящего газа по сравнению с величиной Eiдля основного газа. Чаще всего, в качестве гасящего газа используется органическоесоединение (пары этилового или метилового спирта, метан, этилен и т.п.).Для примера рассмотрим смесь из 90% аргона и 10% этилового спирта (C2H2OH).Энергия ионизации Ei атома аргона и молекулы спирта равны 15,7 эВ и 11,3 эВсоответственно. При этом энергия возбуждения первого энергетического уровня атомааргона составляет E* = 11,57 эВ.
При разряде в газе возбужденные атомы аргона,возвращаясь в основное состояние, испускают фотоны с длиной волны ≈ 107 нм. Этифотоны УФ-диапазона ионизируют молекулы спирта. Средняя длина пробега такихфотонов (при параметрах газа в рабочем режиме СГМ) не превышает 1 мм, следовательно,большинство из них не доходит до катода. Сопутствующее разряду возбуждение молекулспирта снимается в основном их диссоциацией и не сопровождется переизлучениемфотонов. Таким образом, присутствие в смеси гасящего газа приводит к подавлениюфотоэффекта на катоде детектора. Быстрое накопление положительных ионов вблизианода объеме приводит к уменьшению напряженности электрического поля в прианодномобъеме, нарушению условий ударной ионизации и обрыву самостоятельного разряда.После окончания самостоятельного разряда электрическое поле в области ударнойионизации сильно искажено.
Сравнительно медленный дрейф положительных ионов ккатодучерезнекотороевремяприводитквосстановлениюпервоначальногораспределения электрическое поля (см.рис.7.6) и условий возможности возникновениянового разряда в СГМ при попадании в его рабочий объем нового рентгеновского фотона.Время восстановления рабочего режима СГМ называется мертвым временем и дляобычных счетчиков Гейгера-Мюллера составляет около 10−4 сек.7.4. Сцинтилляционные детекторы рентгеновских лучей.Прохождение рентгеновских лучей через вещество в конденсированном состоянии(жидкости, кристаллы и др.) сопровождается ионизацией и возбуждением атомов среды(см.главу 2).
Такие вторичные процессы как рекомбинация и снятие возбужденияприводят к актам испускания фотонов, в основном оптического диапазона. Существенно,что суммарная энергия испущенных оптических фотонов пропорциональна энергиипоглощенного средой рентгеновского излучения.Способность некоторых твердых веществ светиться под действием рентгеновскихлучей была обнаружена еще в начале XX века.
При попадании фотона высокой энергии наповерхность, покрытую слоем сернистого цинка, возникает вспышка видимого света,153называемая сцинтилляцией. Эта вспышка столь слаба, что наблюдается в темноте спомощью микроскопа. По этой причине регистрация рентгеновских лучей путемизмерения энергии сцинтилляций стало возможным после создания фотоэлектронныхумножителей (ФЭУ).Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора и ФЭУ (см.рис.7.9).1234578−URA6Рис.7.9. Принципиальная схема сцинтилляционного детектора.1 – кристалл-сцинтиллятор, 2 – световод, 3 – фотокатод, 4 –фокусирующий электрод, 5 – диноды,6 – делители напряжения, 7 – анод, 8 – выходной сигнал.Сцинтилляторами часто являются органические и неорганические кристаллы, хотясуществуют жидкие и газовые сцинтилляторы.
Широко используемыми органическимисцинтилляторами являются антрацен (C14H10), нафталин (C10H8), трансстильбен (C14H12),p-терфенил (C18H14) и др. К неорганическим сцинтилляторам относятся йодиды щелочныхметаллов,атакжесцинтилляционныхнекоторыесвойствсульфидынеорганическиеивольфраматы.кристаллыДляактивируютсяприобретениянебольшимколичеством (∼ 0,1 %) определенной примеси металла. Примерами неорганическихсцинтилляторов являются следующие: NaI(Tl), CsI(Tl), LiI(Sn), ZnS(Ag), Cd S(Ag) и др.Следует иметь ввиду, что возбуждение атомов и молекул рентгеновскими фотонамиприводит к последующему излучению, в основном, ультрафиолетовых фотонов, которые,в свою очередь, возбуждают другие атомы.
Такие акты поглощения и переизлучениямогут происходить многократно, причем в каждом акте энергия фотонов понижается. Врезультате возникает некоторое количество фотонов видимого диапазона, для которыхсцинтиллятор обладает высокой прозрачностью. Видимые фотоны выходят из кристалласцинтиллятора и попадают в ФЭУ.154Конверсионнойэффективностьюназываютотношениесуммарнойэнергииобразованных видимых фотонов к энергии поглощенных рентгеновских лучей.Отношение суммарной энергии видимого излучения, выходящего из кристалласцинтиллятора к энергии поглощенных рентгеновских лучей называют техническойэффективностью.
Для сцинтилляторов абсолютно прозрачных к собственному видимомуизлучению техническая эффективность равна конверсионной.Важным параметром сцинтиллятора является время высвечивания τ0, т.е. среднее времямежду поглощением рентгеновского фотона и высвечиванием видимого излучения. Дляорганических сцинтилляторов величина τ0 составляет несколько наносекунд, длянеорганических – порядка микросекунды.Выходящий из сцинтиллятора импульс света через световод попадает на фотокатодФЭУ.Широкораспространеныфотокатодысосветочувствительнымслоемизготовленным из интерметаллических соединений щелочных металлов с сурьмой,которые отличаются низкой работой выхода (менее 1 эВ).
Квантовым выходом называетсячисло фотоэлектронов, испускаемых светочувствительным слоем, при поглощении одногооптического фотона. Для полупрозрачных сурьмяно-цезиевых фотокатодов и длиныволны света λ = 400 нм квантовый выход составляет около 25%.Образованные фотоэлектроны фокусируются, и направляются на систему электродов,называемых динодами (см.рис. 7.9 и 7.10). На каждый динод с помощью делителянапряжения подается более высокий потенциал, в результате чего между любой паройсоседних динодов создается электрическое поле, ускоряющее электроны. Поверхностьдинода изготовлена из вещества, обладающего высоким коэффициентом вторичнойэлектронной эмиссии σE, равному отношению количества выходящих из динодаэлектронов к число падающих на него.
Для изготовления динодов используют сурьмяноцезиевые и алюмомагниевые сплавы с примесями. Коэффициент σE существенно зависитот кинетической энергии электронов, т.е. от ускоряющей разности потенциалов ∆U.Например, для сурьмяно-цезиевого покрытия величина σE ≈ 3 при ∆U = 100 В и σE ∼ 10при ∆U = 500 В.Для улучшения условий собирания вторичных электронов используются конструкциидинодов в форме ковша, короба, жалюзей и т.п. (см.рис.7.10). Количество динодов обычноравно 10 – 15.155Рис.7.10. Схема конструкции ФЭУ с ковшовыми динодами. сцинтилляционного детектора.1 –сцинтиллятор с фотокатодом,, 2 –фокусирующий электрод, 3 – диноды, 4 – анод.Система динодов позволяет усилить поток электронов во много раз.
Коэффициентразмножения электронов CME равен произведению коэффициентов для соответствующихдинодов. Если все диноды работают в одинаковом режиме, то коэффициент CME = σ nE и врежиме регистрации рентгеновского излучения может достигать 109.7.5. Полупроводниковые детекторы рентгеновских лучей.Рентгеновские фотоны, проходя через кристалл полупроводника, теряют свою энергию,что приводит к перебрасыванию электронов из валентной зоны в зону проводимости.Параллельно с этим в валентной зоне образуются дырки, которые также обладаютвысокой подвижностью. Таким образом, прохождение рентгеновских лучей черезполупроводниковый материал приводит к образованию пар подвижных носителейэлектрического заряда.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
