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¿Cuáles son los principios y estructuras básicos de los tubos fotomultiplicadores?

El tubo fotomultiplicador consta de la ventana de entrada, el fotocátodo, el sistema de entrada óptica de electrones, el sistema de multiplicación, el ánodo y otras partes. Su principio de funcionamiento se basa en la teoría del efecto fotoeléctrico, la emisión secundaria de electrones y la óptica electrónica. Su proceso de trabajo consiste en que los fotones inciden sobre el fotocátodo para generar fotoelectrones. Los fotoelectrones pasan a través del sistema óptico electrónico (sistema de enfoque) y ingresan al sistema de multiplicación. Los electrones se multiplican y recolectan a través del ánodo para formar una salida de corriente o voltaje del ánodo. . La estructura típica del tubo fotomultiplicador se muestra en la Figura 4-3-1.

Los tubos fotomultiplicadores generalmente se dividen en dos tipos: frontales y laterales, como se muestra en la Figura 4-3-2. El tubo fotomultiplicador de ventana final recibe luz incidente a través de la parte superior de la carcasa del tubo y su estructura catódica correspondiente suele ser un fotocátodo transmisivo (semitransparente). Este tipo de tubo fotomultiplicador se utiliza normalmente en el registro de pozos petroleros. Los tubos fotomultiplicadores de ventana lateral reciben luz incidente a través del costado de la carcasa del tubo y su estructura catódica correspondiente suele ser un fotocátodo reflectante (opaco).

En el registro de pozos petroleros, lo que es más interesante son los rayos gamma de la formación. Lo que menos se espera que se registren son los rayos gamma generados por la carcasa, la cubierta de cemento y los materiales líquidos del pozo. Con el fin de reducir el impacto de los rayos gamma producidos por estas sustancias. Puede hacer un experimento para ver si el tubo fotomultiplicador de ventana lateral se puede utilizar en el registro de petróleo (instrumento de registro nuclear de detector dual, tubo fotomultiplicador de ventana lateral con detector corto).

(1) Ventana de luz incidente. Delante del fotocátodo hay una capa de vidrio transparente. La ventana de luz incidente generalmente está hecha de vidrio de borosilicato, vidrio violeta, vidrio de cuarzo sintético, cristal de fluoruro de magnesio, zafiro, etc. Cada tipo de vidrio tiene su propia transmitancia a las longitudes de onda de los fotones. Por lo tanto, se debe seleccionar un tubo fotomultiplicador de un determinado material de ventana de luz en función de la longitud de onda del fotón medida.

Dado que 40K es la fuente de ruido del tubo, se debe utilizar vidrio libre de potasio tanto en la ventana de luz incidente como en el lado del tubo para reducir el recuento de oscuridad (recuento de fondo). Las curvas de transmitancia de varios vidrios de ventana ligeros se muestran en la Figura 4-3-3.

(2) Fotocátodo. El fotocátodo es una superficie fotoeléctrica que recibe luz y emite fotoelectrones. Generalmente se dividen en superficies fotoeléctricas translúcidas (la luz incidente y el movimiento de los fotoelectrones van en la misma dirección) y superficies fotoeléctricas opacas (la dirección de la luz incidente es opuesta a la dirección del movimiento de los fotoelectrones). El material del fotocátodo es principalmente compuestos semiconductores a base de metales alcalinos con baja función de trabajo. En los últimos años, se han desarrollado ampliamente en uso compuestos III-V con mayor sensibilidad y rango espectral más amplio. Hasta ahora, existen hasta diez tipos de materiales prácticos para fotocátodos. El espectro del álcali doble de alta temperatura (Sb-K-Na) es casi el mismo que el espectro de emisión del centelleador de yoduro de sodio. Aunque la sensibilidad es ligeramente menor, puede soportar altas temperaturas de 175 °C, por lo que se utiliza con frecuencia. en la exploración de petróleo a alta temperatura. Además, la corriente oscura alcalina dual de alta temperatura es muy pequeña a temperatura ambiente, lo que la hace ideal para aplicaciones de conteo de fotones. La Tabla 4-3-1 enumera las características de varios fotocátodos.

Los cátodos de Cs-I y Cs-Te son ambos insensibles a la luz solar, por lo que se les llama "persianas". Son materiales fotocátodos dedicados a la región ultravioleta del vacío. Si la ventana de luz incidente está hecha de MgFe o cuarzo sintético, su rango de respuesta espectral es: 115~200 nm para Cs-I y 115~320 nm para Cs-Te.

(3) Sistema de entrada óptico electrónico. El sistema de entrada óptica de electrones consta de la estructura del electrodo entre el fotocátodo y el primer dínodo y el potencial aplicado. Enfoca los fotoelectrones en el área efectiva del primer dínodo tanto como sea posible. En los tubos fotomultiplicadores rápidos, el sistema de entrada óptica de electrones también es necesario para minimizar la dispersión del tiempo de tránsito de los fotoelectrones.

(4) Sistema de multiplicación. El sistema secundario de multiplicación de la emisión de electrones consta de varios dinodos. Durante el funcionamiento, a cada electrodo se le aplica secuencialmente un potencial creciente y los electrones secundarios se multiplican continuamente bajo la acción del campo eléctrico. Los dinodos incluyen el tipo de enfoque anular (C, C), el tipo de compuerta cerrada (B, G), el tipo de enfoque lineal, el tipo de rejilla (V, B), el tipo de malla fina (F, M) y el tipo de placa de microcanal (M, CP). ) y tipo de canal metálico (M, C), etc. Cada tipo de dínodo tiene diferentes características de ganancia de corriente, respuesta de tiempo, uniformidad, eficiencia de recolección de electrones secundarios, etc. debido a su estructura y al número de etapas del dínodo. Por lo tanto, se debe realizar la selección correspondiente según la ocasión y el entorno de uso.

En el registro de pozos petroleros, en el pasado se utilizaban dinodos de tipo de enfoque lineal, tipo de rejilla y tipo de rejilla cerrada. En el registro del espectro de energía de la relación carbono-oxígeno, a veces se encuentran fuertes campos magnéticos, lo que afecta la medición del espectro de energía de los rayos γ (la forma espectral se distorsiona). Se recomienda utilizar tubos fotomultiplicadores de malla fina (F, M) para las pruebas. Debido a que la estructura de malla fina adopta un dínodo de malla cerrada de precisión, los fotoelectrones y los electrones secundarios son acelerados por un campo eléctrico casi paralelo, lo que lo hace extremadamente resistente al magnetismo, consistente y capaz de generar grandes corrientes de pulso. Además, cuando se utilizan ánodos superpuestos o salida de múltiples ánodos, también tiene una función de detección de posición.

Requisitos para los materiales de dínodo: suficiente emisión secundaria múltiple, pequeña emisión térmica de electrones y buena estabilidad de trabajo. También se requieren tubos fotomultiplicadores de alta temperatura para tener un buen rendimiento de multiplicación a temperaturas extremadamente altas. La Tabla 4-3-2 enumera las características de varios dinodos.

(5) El ánodo es el electrodo que finalmente recoge los electrones y da una señal de salida. Debe haber una capacitancia mínima entre electrodos entre éste y el dínodo final, permitiendo una mayor densidad de corriente. Por lo tanto, el ánodo suele tener forma de rejilla.