¿Cuáles son el rendimiento y los parámetros de los tubos fotomultiplicadores?
(1) Sensibilidad. La sensibilidad es un parámetro importante para medir tubos fotomultiplicadores. La sensibilidad generalmente se divide en sensibilidad a la radiación y sensibilidad a la luz. La sensibilidad a la radiación se define como el cociente obtenido al dividir la salida de corriente por la superficie fotoeléctrica del tubo fotomultiplicador por la potencia radiante de la luz incidente, generalmente en unidades de A/W. La sensibilidad a la iluminación se define como el cociente de la fotocorriente de salida del tubo fotomultiplicador dividido por el flujo de luz incidente, generalmente en A/lm.
La sensibilidad del fotocátodo se expresa generalmente en términos de sensibilidad a la iluminación. Algunas aplicaciones (como el recuento de centelleo) requieren sensibilidad a la luz azul porque está muy cerca del espectro emitido por el centelleador utilizado en el recuento de centelleo. En aplicaciones de espectrofotómetro, que requieren la detección del espectro del infrarrojo cercano, se utiliza comúnmente la sensibilidad a la luz roja o "relación rojo-blanco".
(2) Eficiencia cuántica. La sensibilidad a la luz se utiliza generalmente para comparar la sensibilidad de un fotocátodo del mismo tipo. Sin embargo, estos datos no proporcionan una comparación válida para fotocátodos con diferente respuesta espectral. En términos del rendimiento del tubo fotomultiplicador, la eficiencia cuántica en una longitud de onda máxima específica puede dar una indicación más clara. La eficiencia cuántica se define como la relación entre el número de fotoelectrones emitidos por el cátodo y el número de fotones incidentes en una longitud de onda de radiación determinada. Este valor generalmente se expresa como porcentaje y se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
donde s es la sensibilidad a la radiación a una longitud de onda determinada, a/w - longitud de onda, nm;
(3) Respuesta espectral. El cátodo del tubo fotomultiplicador absorbe la energía del fotón incidente y la convierte en fotoelectrones. Su eficiencia de conversión varía con la longitud de onda de la luz incidente. El extremo de longitud de onda larga de la respuesta espectral depende del material del fotocátodo, y el extremo de longitud de onda corta depende del material de la ventana de entrada. Diferentes materiales de ventana y capas fotoemisoras tienen diferentes curvas de respuesta espectral, es decir, las curvas de respuesta espectral del mismo tipo de tubos fotomultiplicadores también varían dentro de un amplio rango con diferentes procesos de fabricación. La curva de respuesta espectral se muestra en la Figura 4-3-4.
(4) Amplificación de corriente (ganancia). El factor de amplificación actual de un tubo fotomultiplicador es la relación entre la corriente de salida del ánodo y la corriente del fotocátodo. Idealmente, suponiendo que el múltiplo de emisión secundaria promedio de cada dínodo es δ, la ganancia actual del tubo fotomultiplicador de múltiples dínodos es δ n. En términos generales, el coeficiente de emisión secundaria viene dado por la siguiente fórmula:
Donde a es una constante; VD es el voltaje entre electrodos; α es un coeficiente determinado por el material del dínodo y su estructura geométrica, y su valor generalmente está entre 0,7 y 0,8.
En este tubo fotomultiplicador con varios dínodos, cuando se aplica un voltaje V entre el cátodo y el ánodo, la ganancia de corriente G del tubo fotomultiplicador se expresa como
o Simplemente mide el ánodo sensibilidad de iluminación SP y sensibilidad de iluminación del cátodo SK para calcular:
(5) Corriente oscura. Cuando el tubo fotomultiplicador no está iluminado por luz (en sentido estricto, cuando la radiación está completamente aislada), la corriente generada se denomina corriente oscura. En términos generales, la corriente oscura es causada por: fuga óhmica, emisión termoiónica, ionización de gas residual (retroalimentación iónica), emisión de campo, luminiscencia del vidrio y radiación de Cherenkov.
(6) Corriente lineal. El tamaño de la corriente lineal está relacionado con el tipo de estructura del tubo fotomultiplicador, el voltaje de operación y el diseño del divisor de voltaje. La destrucción de esta relación lineal proviene de dos aspectos: por un lado, en el extremo lineal bajo, es decir, cuando la señal de entrada es débil, es interferida por la corriente oscura del tubo fotomultiplicador, que determina la señal más baja que el tubo fotomultiplicador puede detectar; por otro lado, el extremo superior de la linealidad, es decir, cuando la señal de entrada es fuerte, se ve afectado por varios factores. Generalmente es causado por los siguientes factores: el efecto de resistencia del fotocátodo, el efecto de voltaje parcial y el efecto de carga espacial.
(7) Estabilidad. La estabilidad de los tubos fotomultiplicadores es muy importante en el recuento de centelleo y en las mediciones metrológicas. En particular, la estabilidad del tubo fotomultiplicador es un parámetro que debe considerarse cuidadosamente al identificar el pico de absorción total producido por la desintegración nuclear de igual energía. Está relacionado con el voltaje de trabajo del tubo, voltaje del ánodo y terminal, corriente de salida del ánodo, tiempo de trabajo, tiempo de descanso, estado del tubo fotomultiplicador antes de trabajar, material y proceso de fabricación del multiplicador. Los experimentos muestran que la señal de salida del tubo fotomultiplicador cambia con el tiempo de trabajo, lo que muestra dos procesos. La diferencia es que el "tiempo de establecimiento" del proceso es diferente y luego muestra un estado de trabajo estable y equilibrado. El primer proceso es el proceso de "cambio rápido". Su tiempo de preparación es generalmente de decenas de minutos a varias horas. El segundo proceso es un proceso de "cambio lento". Esto está relacionado con el lento cambio del coeficiente de emisión secundaria del dínodo con el tiempo.
Al enfatizar la estabilidad, se recomienda que la corriente promedio del ánodo sea de 1 μA o menos. La curva de cambio de la corriente del ánodo del tubo fotomultiplicador con el tiempo se muestra en la Figura 4-3-5.
(8) Efecto histéresis. Cuando cambia el voltaje de funcionamiento o la luz incidente, el tubo fotomultiplicador tendrá un proceso de salida inestable de unos pocos segundos a decenas de segundos. La señal de salida tendrá un pulso excesivo o insuficiente antes de alcanzar un estado estable. En experimentos espectrofotométricos se debe prestar atención a esta característica de histéresis. La característica de histéresis es causada por electrones secundarios que se desvían de la órbita predeterminada y por la electricidad estática, como el vidrio de soporte del electrodo. Por lo tanto, el "diseño antihistéresis" adoptado por el tubo fotomultiplicador de ventana lateral de Hamamatsu en realidad elimina el fenómeno de histéresis. Las características de histéresis del tubo fotomultiplicador se muestran en la Figura 4-3-6.
(9)Unidad.
La uniformidad se refiere al cambio de sensibilidad cuando la luz incidente incide en diferentes posiciones del fotocátodo. Aunque el tubo fotomultiplicador está diseñado en estructura y trayectoria de electrones de modo que el primer dínodo o el siguiente dínodo recojan efectivamente los fotoelectrones generados por el cátodo y los electrones secundarios generados por el dínodo, aún habrá desviación de electrones durante el proceso de enfoque o multiplicación. Las trayectorias predeterminadas reducen la eficiencia de la recaudación. Esta falta de homogeneidad se ve afectada, por supuesto, por la emisión de fotoelectrones desde diferentes lugares del cátodo, pero también por la uniformidad de la capa metálica sobre la superficie fotovoltaica del propio cátodo.
En general, los tubos fotomultiplicadores de ventana final tienen mejor uniformidad que los tubos fotomultiplicadores de ventana lateral debido a las características estructurales geométricas del cátodo y el primer electrodo multiplicador.
(10) Características del tiempo. Debido a las características estadísticas de los electrones en el proceso de multiplicación, el efecto de la velocidad inicial y el efecto orbital de los electrones, el tiempo para que los electrones sean emitidos desde el cátodo al ánodo al mismo tiempo es diferente. Por lo tanto, cuando la señal de entrada es un pulso de luz con función delta, el pulso de corriente del ánodo se vuelve más amplio. Para caracterizar las características temporales de los tubos fotomultiplicadores, generalmente se utilizan parámetros como el tiempo de subida del pulso, el ancho de respuesta del pulso, el tiempo de tránsito y la resolución del tiempo TTS.
El tiempo de subida del pulso del ánodo es el tiempo necesario para que el tubo fotomultiplicador aumente del 10 % al 90 % del valor máximo del pulso de salida cuando se ilumina con un pulso extremadamente corto (fuente de luz de función delta). El tiempo de tránsito es el tiempo desde que la luz incidente llega a la superficie fotovoltaica hasta que aparece el pulso de salida. La dispersión del tiempo de vuelo (TTS) se define como el cambio en el tiempo desde el momento en que una fuente de luz repetitiva de función delta ilumina el cátodo de un tubo fotomultiplicador hasta el momento en que el borde de salida del ánodo aparece a la mitad de su amplitud. Generalmente se mide por la mitad del ancho de la curva de distribución del tiempo de salida. Los tiempos de subida y transición del pulso del ánodo se muestran en la Figura 4-3-7.
(11) Conteo oscuro (ruido). En aplicaciones de conteo de centelleo, a menudo es necesario conocer el pulso oscuro de un tubo fotomultiplicador. Los pulsos oscuros generalmente se expresan en términos de energía de ruido equivalente y tasa de conteo de oscuridad. La tasa de conteo de pulsos oscuros es la más utilizada en la práctica y se define como la tasa de conteo total entre dos umbrales en el espectro de pulsos oscuros de salida, basándose el umbral en la amplitud promedio de un solo electrón. La velocidad de conteo del pulso oscuro está relacionada con la emisión térmica de electrones del tubo fotomultiplicador.
En la detección de rayos de baja energía (como el centelleo de líquidos) y el monitoreo de rayos gamma ambientales, se presta más atención al ruido de fondo (recuento de fondo) del dispositivo de detección. Aunque el método de conteo de coincidencias puede usarse para eliminar los conteos de pulsos oscuros causados por los rayos de alta energía (radiactividad natural en los edificios y la atmósfera), las placas, el vidrio (vidrio de borosilicato) y la cerámica de los tubos fotomultiplicadores contienen 40K más o menos radiactivo, que es la fuente del recuento de antecedentes. Por lo tanto, es mejor utilizar vidrio con bajo contenido de potasio o sin potasio para los tubos fotomultiplicadores con pruebas de fondo bajas.
(12) Características de la meseta. En el conteo de centelleo, cuando se utiliza un módulo de centelleo de tubo fotomultiplicador para registrar una fuente de radiación nuclear de intensidad constante, la tasa de conteo básicamente no cambia con los cambios en el alto voltaje externo en un área determinada, que generalmente se denomina área de meseta. La "plataforma" de un contador de centelleo no es una característica del tubo fotomultiplicador, sino una característica del contador de centelleo en determinadas condiciones. Sólo cuando la amplitud de todas las señales emitidas por el tubo fotomultiplicador sea mayor que el umbral de discriminación del instrumento y la amplitud del ruido sea menor que el umbral de discriminación dentro de un cierto rango de voltaje, se producirá una "meseta" de conteo. Obviamente, esta plataforma está relacionada con la energía de la radiación nuclear, el rendimiento del cristal y del tubo fotomultiplicador, el umbral de aumento y resolución del instrumento.
Como se muestra en la Figura 4-3-8, el terminal de la plataforma es causado por el ruido del tubo fotomultiplicador. El ruido del tubo fotomultiplicador aumenta con el índice de temperatura, por lo que la plataforma empeora al aumentar la temperatura. Además, a medida que aumenta la temperatura, la sensibilidad del tubo fotomultiplicador disminuye, reduciendo así la tasa de conteo al comienzo de la meseta. Estos dos efectos acortan el área de la meseta del contador de centelleo. El extremo frontal de la plataforma está relacionado con la sensibilidad del tubo fotomultiplicador. Si la sensibilidad es alta, comienza temprano. Si la sensibilidad es baja, comienza tarde y la plataforma es larga.
A la hora de medir la intensidad con un contador de centelleo, es muy importante elegir la zona de meseta. Incluso si la temperatura de funcionamiento y el rendimiento del instrumento y del tubo fotomultiplicador cambian hasta cierto punto, el instrumento puede funcionar de forma estable durante mucho tiempo.
Como ejemplo de aplicación, en el registro radiactivo, los tubos fotomultiplicadores utilizados para la detección a menudo se evalúan según las características de la plataforma.
(13)Resolución de amplitud de pulso (energía). Debido a las estadísticas de emisión fotoeléctrica y emisión de electrones secundarios, incluso si inciden fotones de la misma energía, la amplitud del pulso de salida variará (con una cierta dispersión). La distribución de las amplitudes de pulso resultantes limita la resolución del tubo a los números de fotones y, por lo tanto, es una de las principales razones que limitan la resolución de amplitud de pulso de los conjuntos de tubos centelleadores y fotomultiplicadores. Con este fin, se introduce un parámetro de resolución de amplitud de pulso para caracterizar la capacidad del instrumento para distinguir entre dos amplitudes de señal de entrada diferentes. La resolución de amplitud del pulso se refiere a la posición del pico correspondiente B en la curva de distribución de amplitud del pulso bajo estudio dividida por el ancho medio A del recuento de picos, es decir, a/b, expresado como porcentaje, resolución de amplitud del pulso (FWHM) = (a/ b) ×100%, como se muestra en la Figura 4-3-9.
①Resolución de amplitud de pulso del módulo de centelleo de tubo fotomultiplicador. En términos generales, para mejorar la resolución de la amplitud del pulso, la eficiencia luminosa (es decir, aumentar el número de fotones), la eficiencia de recolección de fotones, la eficiencia de conversión fotoeléctrica y el coeficiente de recolección de fotoelectrones por el primer multiplicador deben aumentarse tanto como posible. Al mismo tiempo, se deben mejorar tanto como sea posible otros factores que afectan la resolución de la amplitud del pulso.
Al medir la resolución de amplitud del pulso del conjunto del tubo fotomultiplicador, el tubo fotomultiplicador debe funcionar en la región lineal.
La escala lineal de todo el sistema de prueba (tubo fotomultiplicador, centelleador, amplificador y analizador de amplitud de pulso multicanal) se puede calibrar mediante la relación correspondiente de que el pico de alta energía de la fuente de radiación nuclear de 60Co es exactamente el doble del pico de energía total de 137Cs. . Un voltaje de ánodo inadecuado, una ganancia excesiva (que causa saturación de corriente del ánodo) o un divisor de voltaje inadecuado pueden causar la compresión de la distribución de amplitud del pulso de salida, lo que resulta en una resolución de amplitud de pulso incorrecta (mejor).
②La resolución inherente del tubo fotomultiplicador. En el conteo de centelleo, es necesario dar la resolución de amplitud del pulso del conjunto fotomultiplicador-centelleador. Sin embargo, es necesario medir la resolución inherente del tubo fotomultiplicador para reflejar verdaderamente sus características inherentes. La resolución intrínseca de un tubo fotomultiplicador se puede medir utilizando una fuente de luz pulsada (como una fuente de luz LED). Su intensidad de luz debe calibrarse para que sea equivalente a la intensidad del flash de un cristal 137 CS+NAI (TL). Las características espectrales y la duración del impulso deberían ser preferiblemente similares a las de las señales del centelleador de yoduro de sodio y de la fuente de 137Cs, y la constante de tiempo del ánodo debe ser mucho mayor que la duración del impulso de luz y el tiempo de decaimiento del centelleador. Obviamente, la resolución de amplitud natural medida por la fuente de radiación óptica es significativamente menor que la resolución del módulo de centelleo de tubo fotomultiplicador, que puede usarse como base para estimar la resolución de pulso obtenida por el centelleador de yoduro de sodio.
La resolución de amplitud de pulso r del conjunto tubo fotomultiplicador-centelleador debe ser el cuadrado de la resolución intrínseca del tubo fotomultiplicador (RP2) y el cuadrado de la resolución del centelleador de yoduro de sodio (RS2):