第三章气体探测器(80-96)

1、第三章 气体探测器气体探测器是核科学技术中最早使用的探测器之一，它在早期的核物理发展中起了很大作用，由于其它探测器的发展如半导体探测器等，因而近二十年来气体探测器特别是测量带电粒子能量进行能谱分析的探测器，如离子脉冲电离室，基本已被半导体探测器所替代，但由于它具有结构简单，使用方便，可制备成各种各样较大型的电离室，因此在工业上的应用如料位计，核子秤、厚度计等等，仍得到广泛应用。而有的气体探测器，如气体闪烁正比计数器（GSPC）还有新的发展，用于安装在火箭和人造卫星上用来探测宇宙X射线。另外还可应用于穆斯堡尔谱仪、荧光X射线谱仪测量元素特征X射线，环境放射性测量，核医学等方面的应用。此外，球形电

2、离室、重离子电离室等新产品相继研制成功，倍受人们重视。气体探测器种类很多，这在第1章第2节核辐射探测器的发展中已经作了详细的介绍，本章节主要介绍气体探测器的基本原理和目前仍在广泛应用的三种气体探测器：电离室、正比计算管、GM计数管的特点、性能及应用。3.1 基本原理1、气体的电离气体探测器是内部充有气体，两极加有一定电压的小室，根据不同的气体探测器这加有一定电压的小室其形状结构有较大差别。 入射带电粒子通过气体时，使气体分子电离或激发，在通过的路径上生成大量的离子对电子和正离子。入射粒子直接产生的电离叫做初电离或直接电离。电离后产生的电子和正离子叫做次级粒子，如果它们具有的能量较大，足以使气体

3、产生电离，这种电离叫做次电离。电子只要有很小的能量就能产生电离。所以引起次电离的主要是电子。通常把能够引起次电离的初电离电子叫“”电子。带电粒子在气体中产生一对离子，所需的平均能量称平均电离能，以表示。若能量为EO的入射粒子在气体中总共产生了NO对离子对，则产生一对电子正离子所需的平均能量（电离能）为： 对混合气体平均电离能i, Pi，Zi；j, Pj，Zj 分别为第i和j种气体粒子的平均电离能、分气压和有效原子序数。 实验表明，对于不同能量的同种粒子，或不同类的粒子在同一种气体中的电离，其粒子电离能都很相似，大多在30eV左右，大于原子的电离电位一倍左右。这是因为一部分能量消耗仅使气体分子激

4、发而没有产生电离的缘故。 在电离碰撞中被激发的原子，受激原子有三种可能的退激方式： （1）辐射光子。发射波长接近紫外光的光子，这些光子可能在周围介质中打出光电子或被某些气体分子吸收而使分子离解。 （2）发射俄歇电子，原子退激的能量直接转移给自身的内层电子，使电子脱出，这种电子称为俄歇电子。内层电子的空位在很短时间内（10-13S）被外层电子所填充，在填充过程中发射X射线。（3）亚稳态原子，以上两种辐射方式受激后，在10-9S内完成，但某些受激原子处于禁戒的激发态，不能自发地退回基态，只有当它与其它粒子发生非弹性碰撞才能退激，这种原子的寿命较长，一般约为10-410-2S，称为亚稳态原子。2、电

5、离生成的电子和正离子在气体中的运动电离产生的电子和正离子从入射粒子俘获动能，它们在气体中运行并和气体分子碰撞，其结果会发生如下的物理过程。（1）扩散在气体中电离粒子的密度是不均匀的，电离处密度大。电子和正离子从密度大的地方移向密度小的地方，这种现象叫扩散，由气体动力学可知道，若电离粒子的速度遵循麦克斯韦分布，则扩散系数D与电离粒子的杂乱运动速度U之间的关系为：，为平均自由程，即连接两次碰撞之间所经过的路程的平均值，温度越低，气压越高，扩散进行得越慢。电子的质量小，所以它的V比正离子的大，电子的平均自由程比正离子的大，所以电子扩散的影响比正离子的扩散要大得多。（2）吸附电子在运动过程中与气体分子

6、碰撞时可能被分子俘获形成负离子，这种现象称为电子吸附效应。每次碰撞中电子被吸附的概率称为吸附系数，用h表示，h大（h×10-5）的气体称为负电性气体，例如O2和水蒸汽h为10-4，卤素气体h为10-3，负离子的速度比电子慢得多，这增加了复合的可能性。从而导致电子数减少。所以气体探测器应使用h值小的气体，并使负电性气体的含量减到最低。（3）复合电子与正电离子相遇或负离子与正离子相遇能复合成中性原子或中性分子，电子和正离子复合称为电子复合，负离子与正离子复合称为离子复合，复合概率与电子（负离子）、正离子的密度n，n+成正比。单位体积单位时间内，正负离子的复合数为：式中a为复合系数，它与气

7、体的性质、压力、温度、正负离子的相对速度等因素有关，在一般情况下，只要不含负电性气体，复合效应是很小的。（4）漂移表3-1 几种气体的电离能w（eV）和最低电离电位I0（eV）1气体w(a)w(X，g)w(b)I0He46.0±0.541.5±0.424.5Ne35.7±2.636.2±0.428.6±821.6Ar26.3±0.126.2±0.226.4±0.815.8Kr24.0±2.524.3±0.314.0Xe22.8±0.921.9±0.312.1H236.2

8、77;0.236.6±0.315.6N236.39±0.0434.6±0.336.6±0.515.5O232.3±0.131.8±0.331.5±212.5CO234.1±0.132.9±0.334.9±0.514.4C2H227.3±0.725.7±0.411.6C2H428.03±0.0526.3±0.312.2C2H626.624.6±0.412.8CH429.1±0.127.3±0.314.5BF335.6±

9、0.3空气34.98±0.0533.73±0.15表3-2 气体的平均电离能和法诺因子值1，2，3气体电离电位第一激电位平均电离能0(eV)法诺因子F5.3MeVa粒子b电子氢H215.411.536.336.30.34氦He24.619.842.742.30.17氮N215.56.136.635.00.28氧O212.2632.530.90.37氖Ne21.616.536.836.60.17氩Ar15.811.524.426.40.17氪Kr14.09.924.124.2氙Xe12.18.321.922.0水H2O12.6二氧化碳CO213.734.532.90.32空气

10、35.534.0甲烷CH413.129.227.30.26乙炔C2H211.427.525.90.27酒精C2H5OH10.732.6乙烯C2H410.828.026.2乙烷C2H611.826.624.8丁烷C4H1010.823.0氯Cl213.223.5三氟化硼BF31736.035.3Ar+CH413.026.0Ar+C2H211.420.30.17Ne+Ar15.825.30.050He+Ar15.830.10.055He+Xe12.128.70.060He+CH413.030.30.075由于探测器外加有一定的电压，在探测器气体空间形成了电场，电子和正离子在电场作用下分别向正负电极

11、方向运动，这种定向运动叫做漂移运动。电子在电场作用下，一方面会和气体分子碰撞损失能量，另一方面又能从电场获取能量，电子的能量低于气体分子的最低激发能时，每次碰撞损失的能量较小，只有电子的能量大于分子的激发能时，发生非弹性碰撞，才能引起较大的能量损失，当它损失的能量和它从电场获得能量相等时达到平衡状态，这电子的平均能量为：Ve为电子在电场中的运动速度（漂移运动和热运动）为热运动能量，K为常数，T为气体的绝对温度，为电子温度，它是电子在电场中运动能量和热运动能量的比值。3、被收集的离子对数与外加电场的关系气体探测器是利用收集核辐射在气体中产生的电离电荷来探测核辐射的，为了有效地收图3-1 收集的电

12、荷数与外加电压的关系2集电荷，必须在气体电离空间加电场，即在探测器上设置二个电极，在电极上加电压形成电场使电子，正离子沿电场方向向两极漂移。设带电粒子在气体探测器的有效气体空间形成N0个离子对（电子正离子）（初电离）收集的离子对数N和外加电压的关系如图5-1，图中划分为五个区域。区域I是复合区，外加电压V很小，离子漂移速率很小，扩散和复合效应起主要作用，由于复合，电极上收集到的离子对数小于初电离数N0，就是说在这个区域，收集到的只是部分电离粒子，因此电荷数少，a粒子曲线2能量大于b粒子曲线1它所产生的初电离粒子多，所以曲线2高于曲线1。区域II，饱和区随着外加电压的增加，被收集到的初电离数N值

13、也增加，当外加电压到某一定值Va时，复合效应消失，初总电离数N0被全部收集并达到饱和，而且在电压Va和Vb这一范围被称为饱和区，在这一区域内被收集到的电荷饱和值Q0=N0e，它只与入射粒子的种类和能量有关。电离室工作在这饱和区。区域IIIa正比区，外加电压超过Vb后，这时外加电场使电子获得很大能量，电子能使气体气分子电离，即可产生次级离子对，使总离子对数大于初电离数N0，因而收集到的电荷Q（Ne）>Q0(N0e)，这种现象叫做气体放大，其比值叫做气体放大倍数，电极上收到的电荷数Q=Ne=MN0e，正比于初电离数N0，也就是正比于入射粒子的能量，随着外加电压增加，M值变大，保持这一关系的区

14、域叫正比区，工作在这一区域的探测器称正比计数管。区域IIIb：有限正比区。次级离子对数目的增加，并不是无止境的，当气体放大倍数M较大时，由于产生的大量离子对中的正离子漂移速度很慢，滞留在气体空间而形成空间电荷，它们所产生的电场部分地抵消了外电场，限制了次级电离的增长，这就是所谓的空间电荷效应。该效应使气体放大倍数M随N0而变化，收集到的电离数N，偏离与N0成正比的关系，这个区域称为有限正比区。区域IV，G-M计数区：盖革弥勒区。外加电压继续增高到某个值，次电离的作用越来越大，到正离子形成的空间电荷区足以把整个探测器有效区的电场降低到不能再产生电离时，这时倍增过程自抑，而初电离仅起一个点火的作用

15、，电流在电压加到某一值后开始激增形成自激放电，收集到的总电荷将成为一个与初电离N0完全无关的一个常数，即与入射粒子的能量无关。区域V 连续放电区。外加电压继续增加，电极收集到的电离数N再次急剧增长，这就是气体连续放电区，这个区域有光的产生，是闪烁室，火花室，流光室的工作区。综上所述，在不同区域内的探测器，电离粒子与气体分子的作用机制不同，输出信号的性质也不同，从而可将它们分为电离室，正比计数器，G-M和连续放电型探测器等四类的气体电离探测器。3.2 电离室电离室是工作在饱和区的气体探测器，原则上它既不存在复合也没有气体放大，入射粒子电离产生的全部电子和正离子都被收集到正负电极上，它的工作电压必

16、须在图中Va和Vb之间，对于不同大小，不同结构和它不同气体的电离室，为了达到收集电荷的饱和状态，外加电压值的差别很大，可以从几十伏到上千伏不等。按工作方式，电离室可分为两类，一类是记录单个核辐射粒子的脉冲电离室，主要用于测量带电粒子的辐射量和能量。这类电离室按输出电路的时间常数大小又可分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室，另一类是记录大量粒子平均电离效应的电流电离室，其中包括测量单位时间内入射粒子所产生的平均电离电流的电流电离室和测量相当长时间内大量入射粒子的积累电荷的累计电离室。常见的电离室结构主要由两个处于不同电位的电极和保护环等组成。两个电极中的一个和高压电源直接连接，加上所需电压称为负高

17、压电极（或阴极）用K表示。另一个电极和记录电子仪器的连接并通过负载电阻RL接地称为收集电极，或阳极，以A表示，两电极之间用绝缘体隔开，两电极之间的保护环以P表示，它的主要作用是使收集极边缘的电场保持均匀，这就可使电离室有确定的灵敏体积（入射核辐射与气体相互作用的有效体积）也可使高压电极到地的漏电流不通过收集电极。保护环保证了灵敏体积内形成的离子对被收集电极全部收集。1、脉冲电离室 脉冲电离室是记录单个入射粒子的电离室，一定能量的带电粒子进入电离室灵敏体积后，将产生一定数量的离子对，当电离室两电极加上工作电压V0后，电子和正离子在电场作用下向两极漂移，从而在收集电极上产生电流脉冲I（t），如果在

18、电离室的输出电路中接入负载RL则电流脉冲在负载电阻上使形成一个电压脉冲V（t），脉冲幅度正比于入射粒子在电离室灵敏体积中损失的能量，通过测量脉冲数目可以求得入射粒子数，通过分析脉冲幅度可以知道入射粒子的能量。输出电压脉冲的形成和脉冲幅度的大小，以平行极电离室为例来讨论脉冲的形成，假定所加电压V0足够高，可忽略电子和正离子的复合，输出回路的时间常数，比正离子的收集时间长得多。采用负高压，阴极为K接负高压，而电极A阳极通过-负载电阻RL接地，收集极对地的电容为C（包括电离室两极之间的电容和分布电容），工作电压V0恒定不变（稳压电源）。t=0时，没有粒子入射时，输出端的电位为地电位，当有一个粒子进入

19、电离室，并在距阴极K为X0处产生若干离子对时，由于电子和正离子相距很近，它们在两个电极板上感生电荷相互抵消，输出端电位无变化，t=t1>0时，在电场作用下，电子和正离子分别以速度Ve和V+向A极和K极漂移，由于Ve>>V+，在漂移过程中，电子在A电极上感生的正电荷，比正离子在A极上感生的负电荷增加的快的多，因而在A极内侧出现正的感生电荷，同时，在电容上出现数目与之相同的负电荷，这是形成脉冲的开始阶段，电子越靠近A极，感生正电荷越多，电容C上积累的负电荷越多，脉冲继续上升，当电子到达极A时与电子自身感应的正电荷中和。这时，正离子还在漂移，收集极内侧还有部分正离子感生的负电荷。当

20、正离子逐渐漂移靠近K极时，A极上感生的负电荷逐渐释放，因而电容上的积累的电荷继续增加，当正离子到达K极，A极上的电荷达到最大值，则在t时刻产生的电压脉冲为：由静电学基本定理给出，在距收集极Ad-x0处的电荷Q0在收集极上感应出并积累在电容C的电荷为：Q0=N0e，U(x)是电离室内X处的电位。所以我们可以认为，在t=0时，相应于一个入射带电粒子在离阴极K X=X0处产生N0个离子对，电荷为N0e和N0e分别以速V+和Ve向负高压极（阴极K）和收集极（阳极A）漂移，在t时刻正离子和电子分别到达x+=x0-v+t，x=x0+Vet位置，（X0是指离阴极的位置）在C上感生出的电压为：平行极电离室二极

21、间距离d小于电极板的尺度且极间距离均匀，电离室就被认为是一个孤立的电容器。所以得出：我们便可得到电离室的脉冲电压的表达式：（te为电子的收集时间，t+为正离子的收集时间），X0是指离负高压电极（阴极K）的位置。分别是对正离子和电子的收集时间，它们分别是ms和s量级。t<te时，正离子和电子对输出脉冲都有贡献，因ve>vt，主要是电子对脉冲的贡献。tet<t+，电子漂移到达收集极，正离子还在漂移，所以输出脉冲幅度在增加。当tt+，正离子也漂移到高压电极，电子和正离子全部被收集输出脉冲幅度达到饱和值：若为圆柱型电离室，电极为中心位置（中心电极）。 则我们可得到：若入射粒子的能量E

22、0全部损失在电离室灵敏体积内，则产生的平均离子对数目N0=E0/。便得到输出的饱和电压脉冲幅度为表示脉冲幅度与入射粒子能量成正比，为平均电离能，负号是阴极加负高压时输出脉冲是负极性。由上讨论可得到如下结论：（1）电离室以及所有的气体探测器的输出脉冲是电子和正离子分别在收集极上感应电荷产生的，不是电子和正电离子到达电极后才产生的。电子和正离子一经产生并分别向两电极漂移，脉冲就开始产生，随着漂移运动的进行，电压脉冲幅度不断增大，当电子和正离子全部被收集时则达到饱和值（最大值）。（2）电离室输出脉冲幅度很小，而且当探测器输出电路时，时间常数RC>>t+时，脉冲信号的幅度值达到最大。与离子

23、对在电离室内产生的位置无关。例如C=20×10-12F的空气电离室。5.3MeV的粒子，粒子能量全部损失在电离室内。这样小的脉冲幅度，必须配用噪声很小的放大器才能测到。（3）脉冲变化率取决于漂移速度，由于ve>>vt，Ve=106cm/s，Vt=103cm/s。因此电子漂移构成脉冲的快成份，正离子漂移构成脉冲的慢成份，前者称为电子脉冲，后者称为离子脉冲，电子和正离子对输出脉冲的贡献与电离室结构及电离地点有关。对于平板电离室。电子对脉冲幅度的贡献为对圆柱型电离室电子对输出脉冲辐度的贡献在X0=d时，即电离发生在靠近收集极（阳极），电子对脉冲的贡献很小，脉冲主要是正离子的贡献

24、，电离发生在X0=0（阴极位置）脉冲主要是电子的贡献，正离子的贡献很小。（4）脉冲对一个入射粒子而言，无论是电压脉冲还是电流脉冲，均是电子和离子脉冲的总和，脉冲开始于离子对生成并向各自的电极漂移时，终结于离子对的全部被收集，但不能认为电子和离子对脉冲的贡献各占一半。2、几种常用的脉冲电离室（1)离子脉冲电离室：用于测量入射粒子的能量，因为输出脉冲幅度（饱和值）与初电离N0成正比，且与离子对产生地点x0无关，入射粒子损耗在电离室内的能量产生的正负离子全部被收集，使电压脉冲达到饱和。缺点：脉冲较宽，RC常数较大（110）×10-3s（110）ms。 当计数率达到102/s时，脉冲就可能重

25、叠，使脉冲幅度变高，影响能量测量的精度。（2）电子脉冲电离室：工作条件te<RC<<t+脉冲幅度主要由电子漂移贡献，输出（脉冲）幅度与电离产生地点有关，不能用于测量粒子的能谱，但可获得较高的计数率。离子脉冲电离室和电子脉冲电离室的主要差别在探测器的输出电路的RC常数。（3）屏栅电离室：它又叫栅网状电离室，在电离室的负高压电极K和收集电极A之间放置一个金属网状栅电极G，核辐射在栅极G和阴极K之间电离产生电子正离子对，只有电子通过栅极后才开始形成脉冲，所以输出脉冲幅度与地点无关。但要注意脉冲形成起始于第一个电子穿过栅极的时刻，因此输出脉冲出现的时刻与发生电离时时刻有一段延时，延时

26、与电离地点有关，所以在符合测量中，使用屏栅电离室时必须考虑这个问题。（4）裂变电离室：用来探测中子通量密度的涂裂变物质的脉冲电离室，处在收集电子的工作状态，裂变物质涂在电离室板表面，中子入射后与裂变物质发生裂变反应，产生具有很大能量和电荷量的核裂片。裂变碎片在气体中产生电离，使电离室输出较大幅度的脉冲信号。3、脉冲电离室的能量分辨FWHM=V=2.355v脉冲幅度与入射能量成正比关系，所以又可表示为：FWHM=E=2.355E=2.355N=2.355(E0)1/2sE为能谱高斯分布的标准偏差，E为能谱的半高宽，它表示电离室能分开两种不同能量粒子的能量分辨特性。，表示用百分数来表示的能量分辨。

27、，F为法诺因子。电离室的极限能量分辨率，对0.1MeV约为3%，对5MeV约为0.4%，对实际测量系统，还要考虑其它涨落因素导致的谱线展宽，以屏栅电离室为例，其谱线的半宽度DE是由下列因素决定。 电离统计涨落对半宽度的影响，放大器增益涨落对半高宽的影响，探测器及放大器噪声对半高宽的影响，放射源厚度自吸收对半高宽的影响，为电子脉冲上升时间涨落对半高宽的影响，多道分器道宽涨落对半高宽的影响对210Po 5.3MeV ,Ei约1 keV；为16.8 keV；为0.53 keV；和En的总和为29.1keV；约2keV。结合这些结果，脉冲电离室的能量分辨，=34.1 keV，实际测量到的最佳值为35

28、keV，对应的能量分辨n1%。3.3 电流电离室和累计电离室由上所述，脉冲电离室所能记录的带电粒子数目不能过大，否则脉冲将重迭，甚至无法分辨。因此，在大量入射粒子的情况下，只能由平均电离电流或积累的总电荷来测定射线的强度，这就是电流电离室和累计电离室。电流电离室，是通过测定单位时间内入射粒子在电离室内产生的平均电离电流来探测核辐射。在单位时间内入射的粒子数为n，每个粒子在电离室内平均损失的能量为E，而在电离室的工作气体中产生一对离子的平均电离能为，假定没有复合和扩散，在恒电离的情况下形成的平均电离电流（饱和电流）为N0为平均一个入射粒子产生的离子对数，每个入射粒子的能量E0，全损耗在电离室内，

29、则所以，E0，已知，则测出I饱和就可知道n，即根据探测效率求得粒子辐射量。电离电流很弱，而它的强弱与入射粒子流的强弱有关。对充氦气的电离室，5.3MeV的a粒子，n为5×104/s，能量全部损失在电离室中，则电离电流为而用于反应堆控制的电离室，I饱和可达到10-6A，即1mA。饱和电流在10-6A可用电流计测量，对<10-7A的弱电流一般可用动电容静电计来测量。用于测量个人剂量用的电离室，I饱和可达到10-16A。累计电离室，是测量某段时间内大量入射粒子所积累的电荷来探测核辐射。若收集极上的感应电荷不漏掉，那么经过t时间后累积的电荷Q=N0etn，测量极上的电压变化DVA。即可

30、求得Q，C0是K、A两极的极间电容。即累计电离室的电容。1、电流电离室的工作特性。特性指标有：饱和特性，灵敏度，线性电流，时间响应，能量响应。（1）饱和特性：输出电流与工作电压的关系 即V-I（伏安）特性电流电离室工作在饱和区。影响饱和特性的因素有：1）射线种类和注量率（单位1/cm2·s）。2）电离室内充入气体的种类、压力和纯度。3）电离室自身结构。（2）灵敏度：对于给定能量的粒子，电流电离室的灵敏度定义为： A/cm2·s，I为输出电流单位（A）安培，f为探测器所在位置上粒子的注量率（单位为cm-2s-1）。 灵敏度与电离室的壁材料，气压，结构等有关。（3）线性电流：在

31、一定的工作电压下，电离室输出的电离电流与辐射注量率（或粒子通量密度）保持线性关系，相应的最大线性电流为在这个工作电压下的线性电流I线，所以有时又称最大线性电流。一个好的电流电离室应该在相当宽的粒子注量率范围内，其饱和电流与入射粒子注量率保持线性关系。（4）时间响应：时间响应是指辐射注量率改变时，整个测量系统的反应速度。整个测量系统的时间响应主要决定于探测器的时间响应，而探测器的时间响应由射线作用产生电荷的过程和电荷收集过程决定。（5）能量响应特性：在使用电流电离室用于剂量测量时，必须考虑它的能量响应特性。灵敏度与辐射的能量有关，它随能量的变化称为能量响应。因此，电离室的灵敏度指标均指特定能量下

32、（例如1MeV的g或中子的数值。2、电流电离室的应用电流电离室具有线性范围宽，能量响应好，工作稳定可靠的优点，被广泛用于g射线照射测量，放射性气体测量和辐射监测。（1）测量g射线或X射线照射量射线照射量定义为：g射线在单位质量的干燥空气中释放出来的全部正电子或电子，完全被空气阻止时，在空气中所产生的任一种符号的离子的总电荷的绝对值，充空气的电离室®（自由空气电离室）特别适用于这种应用。测量其电离电荷可以给出照射量，而测量其电离电流则给出照射量率。照射量率的定义为单位时间内照射量的增量。图3-2 中子电离室的能量响应（2）测量吸收剂量充气电离室可用于测量任意物质的吸收剂量，吸收剂量定义

33、为在给定物质中由电离辐射授予单位质量的平均能量，用Dm表示，Dm=Smp（Gy）。为气体中生成每个离子对的平均能量损失，单位J/离子对，Sm为该物质相对于气体的相对质量阻止本领，即单位密度的能量损失；P为单位质量气体生成的离子对数，单位为对/kg。测量吸收剂量常用的电离室为空腔电离室。（3）测量放射性气体把放射性气体作为电离室填充气体的一种成份，电离室设有进口和出口，采用流气方式引入待测气体，可以很方便地对放射性气体进行测量。（4）中子电离室，它的能量响应见图3-25，6。3.4 正比计数管及其应用工作在气体探测器特性曲线正比区的气体探测器叫正比计数管。初电离产生的电子从电场获得能量足以产生次

34、电离，而且次电离电子还可以使气体电离，离子对数目逐步增加，而且最后形成的总离子对数保持与初电离成正比关系。于是在收集极上感生的脉冲幅度将是原初电离感生的脉冲幅度的M倍。正比计数管大多是阴极半径b比阳极半径a比值较大的圆柱形结构，因为在一般电压下（约1kV）圆柱形电极比平行板电极容易获得引起气体放大的强电场。圆柱形结构的电场分布为，电场分布不均匀，电场强度与到中心阳极的距离r成反比，在中心阳极附近有很强的电场，电子很容易获得足够的能量（20eV以上）而产生气体放大。1、放大倍数从气体放大机制来分析，说明正比计数管要采用阳极丝极细的圆柱筒形结构。当射线通过正比计数管内的气体时，电离产生的电子和正离

35、子，在电场作用下分别向阳极和阴极漂移，正离子的质量大，且沿漂移方向的电场又是由强到弱，因此，电场的加速不足以使它与气体发生电离碰撞。而电子不一样，电子漂移越接近阳极，电场越大，到达某一距离以后，电子在平均自由程内获得的能量足以与气体气子发生电离碰撞，产生更多的新离子对，电子漂移越接近阳极，电离碰撞的概率越大，于是不断增殖，增殖的结果将产生大量的电子和正离子，这就是气体放大过程。有时也称气体放大为雪崩7。DV相应于电子在相邻两次电离事件之间运动所经过的电位差，k表示能产生倍增的最低的E/P值，实验上通过对不同气体作出一系列压强和半径值下的M和V0的关系曲线，从而定出DV和k值，充不同的气体，k和

36、V的参数是不同的。M为气体倍增数，V外加电压，a阳极半径，b阴极半径，p气体压力要注意的是lnM的表示式中 这一项实际上表示着沿着半径在位置g处的电场强度E(r)。在圆柱形计数管阳极半径为a，电位为Va，阴极半径b电位为VK，外加工作电压V0=Va-Vk的情况下，沿着径向位置到r处的电场，r为该点与轴心（阳极中心）之间的距离。（1）气体倍增要求高的电场强度对圆柱形结构，V是加在阳极与阴极之间的电压，a是阳极丝半径，b为阴极圆柱的内半径，在临近阳极丝的半径周围的一个很小的圆柱体内出现高电场强度，电子被阳极吸引拉向高电场区，在进入高电场区以前的电子所具备的能量不足以与其它气体分子碰撞产生新的电子，

37、即不能倍增。为了便于说明，假设在圆柱形计数管上加2000伏电压，a=0.008cm，b=1.0cm，此时阳极表面的电场为5.18×106V/cm。对平行板结构来说，平板电极间的电场是均匀的，间距为1.0cm时要达到同样的电场需5.18×106伏，使用这样的高压，实际上是很困难，所以正比计数管要采用圆柱形结构，或采用平行板电极，则极间间距缩短到0.5mm甚至0.2mm左右。（2）为使辐射产生的初电离的电子离子对的倍增都一致，就是要使探测器输出的饱和脉冲幅度与电离产生的地点无关。要求把气体倍增区限制在比总的气体体积小得多的区域内，这就要求所有的初级离子对都产生在倍增区以外，只有

38、初电离的电子漂移到倍增区才能发生倍增，这样每一个电子都经历着相同的倍增过程，与最初的生成位置无关，从而得到与电离产生的地点无关的饱和脉冲幅度。 例如a=0.008cm，b=1.0cm加2000伏，E=5.18×104伏/cm，若所充气体的倍增电场的阈值为104v/cm，则由，我们可计算得到只有半径小于0.041cm，即离阳极表面0.041cm处，即为阳极半径5倍的区域内的电场才达到这一阈值，这半径范围内的体积大约占计数管灵敏体积0.17%2、输出脉冲正比计数管中气体放大是在阳极丝附近发生的，所以它的输出脉冲主要是气体放大后增殖产生的大量电子和正离子漂移运动感生电荷形成，初电离电子由电

39、离地点到倍增区前漂移产生的感生电荷对脉冲的贡献很小，这就决定了正比计数管输出脉冲的一些特性。输出脉冲幅度脉冲达到饱和的时间所以使用正比计数器应取较小的时间常数。若取RCt1/2时，虽然脉冲幅度损失一些，但脉冲宽度大大减小。当RC确定后输出脉冲幅度V（t）仍和初电离N0成正比，所以RC小对能量测量没有影响。 初电离对输出电压脉冲幅度贡献不大，电压脉冲幅度主要由增殖后的大量离子对的贡献，而这些离子对又是集中在阳极附近，因此可以认为电压脉冲幅度与初电离产生地点无关，这对能量测量很有利。另外，上面分析讲到，初电离集中在室内同样半径处电子漂移时间相同，实际上沿入射粒子的径迹都有离子对产生，电子到达阳极的

40、漂移时间的离散会引起输出脉冲上升时间的离数，所以实际观测到的脉冲上升时间，比离子对在半径相同地方生成的情况要长得多。3、正比计数器的特性（1）计数曲线和坪特性计数曲线：在放射源确定的情况下探测器输出脉冲计数率随所加工作电压的变化曲线称为探测器的计数曲线，计数曲线上具有明显的计数坪区，故又称为坪曲线，对于一个计数管，必须知道它的坪特性，以便确定其工作电压，坪特性是衡量计数管质量好坏的主要参量，坪长越长，坪斜越小，工作电压越低，则它受工作电压的影响也就越小，寿命也越长。坪特性有三个参量：1）坪长，随着外加工作电压的升高，计数率在一段范围内变化不大，出现一个比较平坦的区域，即所谓坪，坪区电压范围叫坪

41、长，正比计数管的坪长一般大于300伏；2）坪斜，在坪区实际上计数率仍随工作电压升高而增加，表现出坪有坡度，称为坪斜，指每升高1伏或100伏时计数率增加的百分比，一般小于0.01%/V；3）起始电压VS和工作电压V0，VS是记录脉冲的计数系统开始计数时计数管上所加电压，V0是计数管正常工作时所加的电压，一般V0都选在坪区前半部这样既工作在坪区，又能延长使用寿命。计数管的坪特性与所充气体类型，气体的混合比，气压及管子尺寸有关，气体杂质含量，清洁处理，封接工艺也影响坪特性，阳极丝粗细不均匀，阴阳极不同心，边缘效应等是造成坪斜的原因。（2）能量分辨F是法诺因子，f是修正因子，与气体性质，充气压力，计数

42、管几何尺寸及倍增的平均放大倍数M有关，M>102时，f值约为0.60.8。显然要提高能量分辩，必须设法减小F，f，目前正比计数管对55Fe 5·9keV X射线的能量分辨率可达14%左右826eV，使用Ar+0.5 C2H2和Ne+0.5%Ar能量分辨可达到12%左右。8在做能测量时，还要求正比计数管输出脉冲幅度与入射粒子的能量成正比关系（即能量线性）的能量范围宽，或它的正比工作区宽。正比计数管的能量线性范围主要受空间电荷的限制，因为空间电荷会抵消一部分外电场的作用，从而影响放大倍数的稳定性。影响正比计数管能量分辨的因素有：1）统计涨落。探测器输出的脉冲幅度正比于电荷Q，Q=n

43、0eM，n0和M都有某种固有的变化，即使入射辐射所积存的能量相等的情况下，脉冲幅度也有涨落：离子对数n0的涨落，F值为0.050.2；雪崩倍增系数A足够大，则单电子雪崩的涨落A，b=（1+）-1，是一个参数，与能量越过电离阈能的电子份额有关，其变化范围为0<<1；只要n0值大，则脉冲幅度U的分布都接近高斯分布形状。2）正比计数管的几何因素，其中最关键的是，阳极丝的均匀性和光洁度，若丝直径只有0.5%的微小变化，它影响到电场的均匀性，其它还有阳极丝安装的偏心度，圆柱形阴极的不均匀性，正比计数管两端在阳极丝进入绝缘子的地方，圆柱形管子端壁和其它导电结构的存在，都可能发生电场的严重畸变，

44、导致离子对的倍增程度不同。3）气体纯度。气体压力以及加到计数管上的高压的稳定性4）痕量的负电性气体的存在就可能明显地降低气体倍增从而引进额外的脉冲幅度的涨落。（3）正比计数管的寿命寿命包括两种，计数寿命和自然寿命，计数寿命是指计数管的性能变坏所累积的计数数目，影响计数寿命的主要因素是：（1）多原子分了猝灭气体的分解，即每次气体放大都会有一部分多原子分子由于与电子或光子的非电离碰撞而分解，因此随计数次数的增加，多原子分子成份减少，例如当M=100，N0=100时，一般一次放电要消耗104个多原子分子，一个计数管一般含10191020个多原子分子，因此计数器寿命上限为1012计数。（2）气体分解会

45、沉积在阳极丝和阴极上，这就要改变阳极丝直径和电场，减少材料的脱出功。（3）气体放电使阳极丝逐渐损伤而变得不均匀 自然寿命是指计数管制成后其性能变坏所放置的时间。4、几种常用的正比计数管及其应用正比计数管既可以作计数器测量核辐射的注量率，又可以在很宽的能量范围内测量入射粒子的能量。与其它探测器比较，它的主要优点是：（1）它有气体放大作用，输出脉冲较电离室的大得多；（2）正比计数管产生一对离子所需的平均电离能量比闪烁探测器的小很多，而且它只放大信号而不放大噪声，因此，输出脉冲的信噪比较大，（3）价格便宜使用条件不苛刻；（4）正比计数管有能量甄别能力，因而能有效地在强g本底下测量中子或强b本底下测量

46、粒子。它在中子，X射线，低能射线，电子的探测以及精确的放射性活度绝对测量中得广泛应用。几种常用的正比计数管：1）流气室，4p正比计数管，流气式是指工作气体以一定速度不断流入管内通过出气口不断流出，这就保证了管内气体成份不变，避免了密闭式正比计数管在气体放大过程中由于多原子气体分子分解影响其性能，测量样品可以直接放在管内，既增加了立体角提高了探测效率，又避免了正比计数管窗对被测射线的吸收；2）低能X射线正比计数器管，Be（铍）做薄窗；3）球形含H2正比计数管，为了克服圆柱形含H2正比计数管测量快中子能谱时存在严重的各向异性的缺点，球形结构尺寸最佳时，管内任何地方的气体放大倍数保持相同，并且具有各

47、向同性和较好的能量分辨；4）BF3正比计数管 圆柱形状 中心阳极丝用钨丝做成，主要用于探测中子，中子穿透力强不需要特殊的窗。反应能Q，2.792 MeV和2.31 MeV由和7Li核分配，对大多数情况下，。3.5 G-M计数管盖革Geiger和弥勒Muller发明的一种计数管，特点：结构简单，易于制造，价格便宜，易于操作，输出脉冲辐度大，对电子学线路要求简单。是放射性同位素应用和测量剂量工作中常用的探测器，缺点是死时间长，因此它不能用于高计数率场合。工作原理：利用气体放大，大量地增加收集电荷，它工作在IV区（G-M区），G-M管内的电场比正比计数管内的要高得多，在适当的条件下除电离电子增殖产生

48、雪崩外，还有光子引起的光电子产生新的雪崩，它与正比计数管最根本的区别是它的电荷增殖主要是由光电子引起的雪崩倍增，而正比计数器主要是由电离电子引起的倍增，而且发生倍增的区域是局限在阳极附近的一个很小的区域内，而G-M管，光子是各个方向发射的，所以雪崩是在整个管子范围内，不管初始电离发生在管内何处，雪崩放电却包围整个阳极丝，在雪崩过程中除产生电子外，还要产生正离子，正离子迁移率比电子低得多，在电子被阳极全部收集的时间内，正离子几乎不动地包围着阳极，构成正离子鞘，阳极附近的电场随着正离子鞘的形成而减弱以至于抑制电子增殖最终使雪崩放电结束。由此可以看出，不论入射粒子产生多少初始离子对，每次放电都是以管

49、内产生大致相同的总电荷结束，所以所有的输出脉冲幅度是相同的。G-M管的种类：根据猝灭气体的种类，可以把G-M管分为有机管和卤素管，惰性气体与有机气体的最佳比例为9:1，与卤素气体的比例为99：1，99.9：0.1，充入的工作气体和猝灭气体纯度要求高，要光谱纯，气体总压为（10200）×133.32Pd。几种常用的G-M计数管：（1）计数管：主要是射线在作阴极用的管壁上打出电子，然后电子在管内引起雪崩倍增而被记录。（2）钟罩形和计数管。（3）强流管是一种用于测量高强度辐射的卤素计数管。输出脉冲，G-M管输出脉冲波形有以下几个特点；1）由于G-M管是全管雪崩，气体放大倍数很大，可达1V数

50、量级；2）产生的总电荷Q为常数，输出脉冲幅度与入射辐射能量和种类无关；3）输出脉冲形状与输出电路有关，幅度达到最大值的时间，理论上等于全部离子被收集的时间。G-M管的特性参数：（1）计数曲线与坪特性：前面已讲到，计数曲线是指计数管在注量率不变的核辐射照射下，计数率随外加电压变化的曲线称计数曲线。在工作电压超过VS时开始有计数，在VSV1区，随着外加工作电压的增加计数率上升很快，此时工作尚未进入G-M区，当外加工作电压越过V1时，随着外加工作电压的增加计数率增加不显著，出现坪区V2-V1称为坪长，G-M管的工作电压一般选在坪区的1/3到1/2的范围内，外加电压越过V2，计数管进入多次或连续放电区

51、，计数率急骤增加，此时猝灭气体大量消耗，计数管极易损坏，使用时尽量防止这种情况。（2）死时间（失效时间）：从脉冲的形成到计数管内电场恢复到能维持放电的电场，这一段时间称为计数管的死时间或失效时间，用td表示，在td以后虽然入射粒子又能产生脉冲信号，但是由于电场尚未恢复到初始的强度，故脉冲的幅度较小，随着电场的逐渐恢复，脉冲幅度也逐渐增大，直至正离子到达阴极时电场完全恢复脉冲幅度才恢复到正常值，从td到脉冲恢复到正常的脉冲幅度所需的时间称恢复时间tr。 G-M计数管的死时间与工作电压，工作气体的成份和压力，管子的几何形状等因素有关，它决定于正离子鞘的运动速度和输出电路的时间常数RC。（3）探测效

52、率：探测器输出脉冲数与入射到探测器灵敏体积内粒子数之比定义为探测效率，有时也称为探测器的本征探测效率。1）对带电粒子的探测效率计数一个带电粒子在灵敏体积内到产生一个初电离离子对的几率。要获得高的探测效率，必须选择高的比电离气体，增大气压或加大尺寸，G-M管对a，b等带电粒子探测效率近100%。2）对光子的探测效率是以光子在计数管管壁上至少打出一个能进入灵敏体积内的次级电子的几率，除低能和X射线外，要选择高Z材料作阴极管壁，即使是这样其效率仍很低，一般约为1%。3）寿命，G-M计数管的寿命取决于猝灭气体的耗损，有机管的寿命约为108计数，卤素管的寿命可达1010计数。3.6 气体位置灵敏探测器气

53、体多丝正比室和漂移室9，10气体多丝正比室（WMPC）相当于许多平行排列的正比计数管，阳极丝处在高电场区，因此要求其表面光洁度要高，粗细要均匀，机械强度要大，常采用镀金的钨丝或不锈钢丝。1、多丝正比室的特性9，10（1）探测效率 对带电粒子 99.5%以上（2）能量分辨 对55Fe 5.9kev的X射线为20%左右，最好可达14% 低于一般的单个正比探测器。（3）位置分辩多丝正比室作为位置灵敏探测器获得了广泛应用，位置分辨（或称空间分辨）是它的重要特性参数。位置分辩 ，要提高位置分辨就应减小丝距S。（4）时间分辨它的时间分辨一般在2050ns，例如一个=3mm的充Ar和 S=1.2mm时，时间

54、分辨 t=18ns，S=2mm，t=36ns。多丝正比室有许多优点，对带电粒子探测效率>99.5%（近100%），空间分辨和时间分辨都较好，可用于高计数率条件下，在正比区工作时输出信号幅度和入射粒子能量损失成正比，并可在强磁场中工作，在2×107A/M磁场下电子横向漂移小于1mm，对空间分辨和探测效率无明显影响。2、漂移室利用测量电子在电场中漂移时间的大小来确定入射粒子空间位置的多丝结构室称为漂移室，它比多丝正比室结构简单，定位精度高，而且价格便宜，所以凡是能用漂移室代替多丝正比室的场合，都用漂移室。从核辐射入射进漂移室起，到阳极丝上明显地出现电脉冲信号止这段时间称为电子的漂移时间，其大小与核辐射的入射点到阳极丝的距离有关，通过测量漂移时间就可以确定入射的位置。在漂移室中，被测核辐射入射到室的时间