Методы регистрации заряженных частиц

Применение фотографических методов.

Фотографические методы позволяют получать наиболее полную информацию по интенсивности и спектру регистрируемого сигнала. Поскольку при проведении конкретных измерений интенсивности линий могут сильно отличаться, а их положение смещено, то существует возможность присутствия в сигнале ранее невыявленных особенностей, например, крайне слабые по интенсивности линии спектра, которые можно выявить, увеличивая время экспозиции. Типичные погрешности измерений данным методом из-за неоднородности эмульсионного слоя и неоднородности процесса проявления достигают 2–2,5 %. Важным недостатком фотографических методов является потеря времени на фотографическую обработку пластинки и ее фотометрирование.

Фотоэлектрический метод.

В качестве альтернативы фотографическому методу регистрации сигнала применяется фотоэлектрический метод регистрации. Для регистрации небольших токов (I < 10^–12 A) могут использоваться также сцинтилляционные, полупроводниковые детекторы и микроканальные пластины. Современные электротехнические средства позволяют создавать электронные схемы, которые дают конечный результат измерений в виде цифровой записи или в виде графической информации. Применение фотоэлектрических методов требует наличия калибровочных зависимостей (градуировочных графиков), полученных с высокой точностью. При этом калибровка проводится по эталонным образцам, а полученные кривые являются постоянными аналитическими кривыми. От спектральных приборов требуется высокая температурная и временная стабильность, поэтому применяются различные методы стабилизации. Например, для повышения точности измерений приборы термостатируются и устанавливаются в специальных помещениях, оснащенных системами очистки и кондиционирования воздуха.

В качестве приемников энергии применяются вакуумные фотоэлементы с внешним фотоэффектом и многокаскадные фотоэлектронные умножители (ФЭУ) с сурьмяно-цезиевым катодом, обладающим высокой чувствительностью в области длин волн от 210 до 650 нм, и вторичные электронные умножители (ВЭУ), которые могут иметь диноды аналогичные ФЭУ, а для прохождения з.ч. в области фотокатода корпус открыт (фотокатод отсутствует).

Фотоэлемент состоит из двух электродов – катода и анода, помещенных в хорошо эвакуированный стеклянный баллон. Катодом является либо пластинка, либо внутренняя поверхность стеклянного баллона, подвергшаяся специальной обработке, в результате чего она приобретает светочувствительные свойства. На электроды фотоэлементов подается разность потенциалов в 100 – 200 B от внешнего источника постоянного напряжения. Для измерения фототока используются чувствительные гальванометры или специальные усилительные схемы с большим входным сопротивлением.

Для работы в широкой области оптического спектра фотоэлементы и ФЭУ снабжаются виолевыми окнами, прозрачными для длин волн до 210 нм. Фотоприемники в кварцевых вакуумированных баллонах позволяют проводить измерения в более коротковолновой области длин волн – до 170 нм. ФЭУ представляет собой прибор, состоящий из фотоэлемента, между катодом (фотокатодом) и анодом которого расположены вторичные эмиттеры – диноды, обеспечивающие внутреннее усиление фототока (рис. 14). Действие эмиттеров основано на том, что каждый электрон, падающий на эмиттер, вырывает из него несколько вторичных электронов – вторичная эмиссия (2 – 3 вторичных электрона). Специальная форма пластинок фотокатода и эмиттеров обеспечивает фокусировку пучков электронов.

Рис. 14. Конструкция ФЭУ: 1 – полупрозрачный фотокатод (ФК); 2 – диноды; 3 – анод – коллектор; 4 – вакуумированный баллон

В зависимости от коэффициента вторичной эмиссии и числа эмиттеров в ФЭУ достигается значительное усиление фототока до 106 и более раз. Если интегральная чувствительность фотоэлемента обычно определяется величиной 50 – 100 мкА/лм, то для ФЭУ она достигает значений в 100 А/лм. При работе ФЭУ на его фотокатод и каждый эмиттер подается напряжение, составляющее для каждого каскада от 50 до 150 B. Иногда внутри ФЭУ происходят необратимые изменения во время работы, отчего меняется чувствительность и коэффициент усиления. Эти свойства ФЭУ приводят к необходимости часто контролировать чувствительность ФЭУ и вводить поправки в первоначально построенные аналитические кривые.

ФЭУ обычно работают с малыми токами, не превышающими 10^–4А (при которых сохраняется линейность характеристики усиления), поэтому измерение усиленного сигнала проводится преимущественно как падение напряжения на нагрузочном резисторе (R_н = 10⁵–10⁸ Ом).

Измерительная электронная система работает по методу накопления заряда на конденсаторе. Такой режим измерения, с одной стороны, эквивалентен фотографической регистрации, при которой за время экспонирования накапливается световое действие (количество освещения), а с другой стороны, усредняются неизбежные колебания излучения источника света и «шумы».

Микроканальная пластина (МКП), которую также называют многоканальным электронным умножителем, представляет собой совокупность миниатюрных фотоумножителей, каждый из которых имеет канал диаметром 8–25 мкм в стеклянной волоконной шайбе. Расстояние между каналами составляет величину порядка 1–15 мкм, а отношение длины канала к его диаметру лежит в диапазоне величин от 40 до 100.

Стенки каналов МКП имеют полупроводниковое покрытие для увеличения вторичной эмиссии электронов и для поддержания конфигурации электрического поля. Это покрытие действует как цепочка резисторов в фотоумножителе, и полное сопротивление такой схеме МКП преобразует первичное излучение в излучение с длиной волны, характерное для видимой области. Обычно к электродам МКП прикладывается напряжение 1000 В (плюс к выходной поверхности – аноду). Иногда МКП имеет несколько электродов на входной поверхности, каждый из которых относится к небольшому участку (полоске). Напряжение на эти электроды может подаваться в разные моменты времени, позволяя в одной структуре иметь несколько каналов данных, относящихся к разным моментам времени. Такие устройства реагируют как на непосредственную бомбардировку передней поверхности заряженными частицами, так и на облучение жесткими фотонами (с длиной волны короче 200 нм).

Часто в исследованиях важно иметь хорошее временное разрешение преобразователя. Например, чтобы определить пиковую мощность излучения, необходимо точно знать момент начала действия импульса, его длительность в интервале 1–10 нс. Такие детекторы могут использоваться в совокупности со спектральными приборами, описанными выше, и располагаются последовательно.

В системах считывания обычно за МКП следует люминесцентный экран, преобразующий пучок электронов в видимое излучение. Кроме того, для регистрации и обработки изображений могут применяться оптические многоканальные анализаторы. Высокое временное разрешение в таких системах достигается за счет импульсной подачи напряжения питания на МКП.

Для регистрации быстропротекающих процессов в области времен более 1 нc применяются также сцинтилляторы в комбинации с активными детекторами (ФЭУ, МКП). Сцинтилляторы преобразуют излучение (электроны, кванты, ионы) с большой энергией в видимое или ближнее ультрафиолетовое излучение.

Детектор

При значениях интенсивностей ионов до 2 x 10⁶ измерения проводятся с помощью вторично-электронного умножителя. При больших значениях интенсивности используют обычно чашу Фарадея.

Рис. 15. Схема вторичного электронного умножителя

Рис. 16. Схема мультиканального ионного усилителя.