Способ измерения среднего времени появления -го фотоэлектрона из фотокатода фотоэлектронного умножителя Советский патент 1974 года по МПК G01T1/00 

1

Изобретение отиосится к экспериментальной ядерной электронике и может быть использовано для контроля качества фотокатода фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Известны способы определения среднего времени появления Q-ro фотоэлектрона из фотокатода ФЭУ (tg), основанные на предположении, что статистическая закономерность появления фотоэлектрона подчиняется биноминальному закону. Однако для каждого ФЭУ на закон фотоэмиссии электронов из фотокатода накладываются поправки, обусловленные, например, неравномерностью толщины фоточувствительного слоя данного фотокатода, чистотой материала фотокатода, технологией нанесения фотокатода на стекло баллона и т. п., поэтому представляет практический интерес экспериментальное определение tq.

Для определения tQ с большой статистической точностью после возбуждения фотокатода световой вспышкой «медленного сцинтиллятора, например Nal(Tl), под действием гамма-кванта производят интегрирование с различной задержкой двух последовательных импульсов тока из фотоэлектронного умножителя и измеряют уменьшение амплитуды импульсов напряжения.

На фиг. 1 представлена функциональная

схема установки для экспериментального определения tq.

Установка содержит радиоактивный источник I, «медленный сцинтиллятор 2, ФЭУ 3, динод 4, анод 5, интегратор 6, быстрый токовый усилитель 7, формирователь управляюш,его сигнала 8, блок 9 переменной калиброванной задержки, амплитудный анализатор 10.

На фиг. 2 представлены амплитудные спектры импульсов на выходе интегратора при различных величинах задержки в блоке 9. Спектр

Г/макс 2, а соответствует Гзад 0; 2,6зад fQ-i;

plfi - наибольшее время

появления

(Q-1)-го фотоэлектрона для Е„ сигналов; 2, 0 - 7зад tq, 2, г - Гзад TO; 2, (3 - Гзад . Здесь Q - среднее время появления Q-ro фотоэлектрона из фотокатода ФЭУ. На фиг. 2, е показано распределение времени появления Q-ro и (Q-f- 1)-фотоэлектрона для совокупности БП сигналов.

Физическая основа способа заключается в следу1ош,ем.

Л оноэнергетический поток гамма-квантов источника 1 регистрируется сцинтиллятором 2, который оптически связан с фотокатодом ФЭУ 3. При поглош,ении фотона сцинтиллятор дает световую вспышку, которая регистрирует ся фотокатодом. В результате на диноде 4 и аноде 5 ФЭУ появляются импульсы тока. Если энергия фотонов невелика, а геометрические размеры сцинтиллятора таковы, что вероятность полного поглощения гамма-кванта близка к единице, то импульс тока на выходе ФЭУ несет заряд, обусловленный небольшим числом фотоэлектронов. Например, при регистрации фотонов с , 10 кэв кристаллом (Nal(Te) из фотокатода будет эмиттироваться в среднем ю фотоэлектронов, поскольку конверсионная эффективность широко ю распространенного сурьмяно-цезиевого фотокатода не превышает двух фотоэлектронов на 1 кэв поглош,енной энергии фотона. Эти фотоэлектроны эмиттируются в течение времени высвечивания сцинтиллятора t, поскольку is при регистрации малых энергий (порядка 10-2о кэв) длительность сцинтилляции практически совпадает с постоянной времени высвечивания этого сцинтиллятора, т. е. о т 250 нсек. Очевидно, что при такой величине 20 /с и количестве фотоэлектронов, всегда пайдется интервал времени f внутри интервала tc, в который появляется только один фотоэлектрон. Ьсли за окончание интервала t принять момент появления «-го фотоэлектро- 25 на, а за начало - момент появления (п- I)го фотоэлектрона, то tq ti Импульсы тока на выходе ФЭУ, соответст- 30 вующие регистрируемым кристаллом Nal фотонам, поступают на интегратор 6, вход которого в исходном состоянии заблокирован низкоомной нагрузкой, и на вход усилителя 7, выход которого подключен к входу формирова- 35 теля 8. Порог срабатывания формирователя установлен по уровню сигнала, амплитуда которого соответствует одному фотоэлектрону, выбитому из фотокатода ФЭУ. Формирователь под действием сигнала с ди- 40 нода вырабатывает импульс длительностью больше tc. Выходной сигнал формирователя поступает на управляющий вход интегратора 6 через блок 9 переменной калиброванной задержки и переводит его на время своей длительности в режим интегрирования анодного импульса тока. Величина задержки в блоке 9 устанавливается оператором и может изменяться от нуля до 4. Амплитуда сформированного интег- 50 1 1л ратором импульса напряжения измеряется анализатором 10. Измерение IQ производится следующим образом. Интегрируют импульс анодного тока ФЭУ с целью определения количества фотоэлектронов, создающих этот токовый импульс. Для этого отключают управляющий вход интегратора от блока задержки и деблокируют его gQ вход. В этом случае амплитуда импульса на выходе интегратора и --1 i(t)dt. ,. 555 65 гДе i(t) - функция, описывающая формулу анодного тока; С - емкость, на которой производится .интегрирование токового импульса. Величина 6/вых измеряется анализатором 10. Для получения малой статистической ошибки на всех этапах определения tq измеряют п импульсов, например 10000 импульсов. Спектр амплитуд 2„-импульсов представлен на (риг. 2, а. Интегрируют повторно импульс анодного тока ФЭУ, исключая ту долю заряда (е), которая образуется на выходе ФЭУ в случае вылета из фотокатода одного фотоэлектрона. Исключение этой доли заряда приведет к уменьшению амплитуды сигнала на выходе интегратора на величину А. Для этого приводят интегратор b в исходное состояние с заблокированным входом, а его управляющий вход подключают непосредственно к выходу формирователя 8. В этом случае задержка управляющего сигнала для интегратора равна нулю. Поскольку порог формирователя 8 установлен на уровень сигнала, соотвегствующего испусканию одного фотоэлектрона, то интегрирование токового сигнала на аноде начнется только после появления в цепи анода ФЭУ заряда б1, который соответствует первому выбитому фотоэлектрону, в то время как заряд ei стечет на шину нулевого потенциала через блокировку. Каждый из 2п сигналов, сформированных в этом режиме работы измерительного устройства, будет иметь амплитуду на величину Д меньшую, чем в случае полной интеграции анодного тока. В результате амплитудное распределение 2 сигналов сместится , величину ij, - А (ф ширина канала tp анализатора 10) в сторону меньших каналов Отношение величин ;Уо/-ф, где - номер ка ала, соответствующий максимуму распределения амплитуд Sn сигналов, определяет на1 более вероятное количество фотоэлектронов которые выбиваются из фотокатода в резуль тате полного поглощения фотонов источника k сцинтиллятором 2. Увеличивают постепенно от нуля время управляющего сигнала для интегратора 6 в блоке калиброванной переменной задержки с целью последовательного исключеТГ ОГЛМ/Т ТЛ 1 Т1 л ТТ L Т/ TT/ / rTfliTT/ noi-CiTTLT /Mni -11 Л ния долей зарядов из полного заряда на аноде ФЭУ при интегрировании импульса тока, соответствующего второму фотоэлектрону (ss), третьему (ЕЗ) и т. д. до Q-ro фотоэлектрона. По изменению спектра амплитуд 2„ импульсов и по величине задержки сигнала формирователя 8 в блоке 9 определяют время появления Q-ro фотоэлектрона с точностью до времени появления первого фотоэлектрона поскольку начало задержки отсчитывается or момента регистрации первого фотоэлектрона формирователем 8. При времени Гзад /Q-I каждый импульс формируется интегратором с потерей части

заряда, которая соответствует Q - 1 фотоэлектронам (см. фиг. 2, е и б). При

7зад д ftl импульсов ИЗ Sn фОрМИруЮТСЯ С

потерей заряда от Q фотоэлектронов, а Етг-«i импульсов формируются с потерей заряда от Q - 1 фотоэлектронов. Это приводит к появлению асимметрии амплитудного распределения и уменьшению его высоты (см. фиг. 2, в). При Гзад tq количество («1+ «2) импульсов,

2

равное - (см. фиг. 2, е), формируется-с по

терей заряда от Q фотоэлектронов, а вторая половина сигналов из 2« - с потерей заряда от Q - 1 фотоэлектронов. В результате максимум амплитудного распределения сдвигается на величину aj)/2 в сторону меньших каналов и симметрируется.

Высота распределения становится минимальной (см. фиг. 2, е и г). При Гзад Q все импульсы формируются с потерей заряда от Q фотоэлектронов. Это приводит к тому, что максимум распределения амплитуд 2п импульсов смешается на величину ф по отношению к первоначальному положению (см. фиг. 2, б) и сужается. Высота пика достигает первоначальной величины По (см. фиг. 2, е и (5).

Таким образом, по изменению амплитудного распределения импульсов, в зависимости от величины времени задержки при интегрировании импульса тока в цепи анода ФЭУ, устанавливается соответствие между величиной

задержки и средним временем появления Q-ro фотоэлектрона. Согласно приведенным амплитудным спектрам (2, б, в, г, д), среднее время появления Q-ro фотоэлектрона для данной совокупности сигналов Етг равно величину задержки Гзад tfj. Точность определения /Q определяется количеством импульсов 2п, которые используются для измерения tq: чем больше ЕП, тем меньше статистическая погрешность определения tq.

Предмет изобретения

Способ измерения среднего времени появления Q-ro фотоэлектрона из фотокатода фотоэлектронного умножителя путем регистрации фотонов сцинтилляционным детектором, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности, производят интегрирование с различной задержкой двух последовательных импульсов тока из фотоэлектронного умножителя и измеряют уменьшение амплитуды импульсов напряжения.

./

W

u

Ч

Нсме fo fff/fa

ffoiurep нсгнала

пана/га

( Ч ,

и I

I И 1/ ..

((

t, (.

зад

(h

2