气体探测器的介绍

对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。

辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。

为什么需要辐射探测器？辐射探测器1辐射探测的基本过程：

辐射粒子射入探测器的灵敏体积；入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；

探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。

探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：

气体探测器；

闪烁探测器；

半导体探测器;其他探测器2辐射探测器学习要点（研究问题）：探测器的工作机制；探测器的输出回路与输出信号；探测器的主要性能指标；探测器的典型应用。3第八章

气体探测器4历史最悠久的探测器居里夫人钋及镭的提取；宇宙射线及中子的发现；Charpak多丝气体正比室；粒子物理实验；核工程与核技术应用；探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；没有辐射损伤或极易恢复；经济可靠。58.1气体中离子与电子的运动规律1、气体的电离与激发电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程

入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。

电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。激发——使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。入射粒子直接产生的离子对称为原电离。原电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。总电离=原电离+次电离6

电离能W：带电粒子在气体中产生一个电子离子对所需的平均能量。对不同的气体，W大约为30eV

若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的平均离子对数为：A.NumberofIonPairsFormed7电子从入射粒子处获得的最大能量入射粒子能够产生电离的最小能量8B.TheFanoFactor电离产生的离子对数N是随机变量.它服从什么分布？法诺分布离子对数的方差

实验测量不同气体的法诺因子介于0.2～0.5之间。9C、光致电离（光电效应）Cs原子的电离电位最低，3.88eV；相应的光子波长为3184Å

，在紫外区；

紫外光或能量更高的光才能产生光致电离。

介质中原子吸收一个光子，放出一个电子而电离。

紫外光子能量较低，光致电离产生的电子动能很低，一般不能再引起新的电离或激发。10上述两过程均在10-9秒内完成。亚稳态原子寿命较长，一般为10-2~10-4秒

D.被激发原子的退激方式：1)辐射光子。发射波长接近紫外光的光子，这些光子又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。3)亚稳态原子的退激。受激原子处于亚稳态，仅当它与其它粒子发生非弹性碰撞时才能退激。112、电子与离子在气体中的运动

当不存在外加电场的情况下，电离产生的电子和正离子在气体中运动，并和气体分子或原子不断地碰撞，处于平衡状态。其结果会发生以下物理过程：

扩散；电子吸附；复合；漂移；电荷转移；12A.扩散(Diffusion)

在气体中电离粒子的密度是不均匀的，原电离处密度大。由于其密度梯度而造成的离子、电子的定向运动叫扩散。由气体动力学，可得到扩散方程：电子或离子粒子流密度电子或离子的扩散系数电子或离子密度13若电离粒子的速度遵守麦克斯韦分布，则扩散系数

D

与电离粒子的杂乱运动的平均速度之间的关系为：平均自由程

电子的平均自由程和乱运动的平均速度都比离子的大，因此其扩散系数比离子的大，因而电子的扩散效应比离子的严重。14B.电子的吸附和负离子的形成

电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被气体分子俘获，形成负离子，这种现象称之为吸附效应。Electronattachmente-Negativeion15例如O2、H2O，的，卤素达

每次碰撞中电子被俘获的概率称为吸附系数h。h大(h>10-5)的气体称为负电性气体。电子的吸附现象对气体探测器产生的是正面or负面影响？

气体探测器的工作气体应尽量选择吸附系数小的气体，在不得已采用时，将会影响探测器的性能。16C.复合(Recombination)

有两个过程：电子与正离子，或负离子与正离子，相遇时可能复合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋17为复合系数

复合的结果是损失了离子对数目，使产生信号的离子对数目减少，破坏了原入射粒子电离效应与输出信号之间的对应关系。因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免。

复合引起的离子对数目的损失率：

一旦形成了负离子，其运动速度远小于电子，正离子与负离子的复合系数要比正离子与电子的复合系数大得多。18D.离子和电子在外加电场中的漂移

离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。

这种运动称为“漂移运动”，定向运动的速度为“漂移速度”。19对于离子：存在电场的情况下，两次碰撞之间离子从电场获得的能量又会在碰撞中损失，离子的能量积累不起来。离子的平均动能与没有电场的情况相似，为：离子漂移速度离子的迁移率电场强度气体压强约化场强20离子的迁移率可表示为：M为离子质量；0为离子在气体中单位气压下的自由程；乱运动的平均速度。由于离子的平均动能基本上不随电场而变化，则近似为常数，这样离子的迁移率近似为常数。21对于自由电子：电子与气体分子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很小，因此，电子在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来。直到使它的弹性碰撞能量损失和碰撞间从电场获得的能量相等，或发生非弹性碰撞为止。达到平衡状态时，即损失能量等于从电场获得的能量时，电子的平均能量为:称为电子温度，是场强的函数。22电子的漂移速度与约化场强不成正比，可用函数表示：这个函数关系均由试验测定。一般给出的是实验曲线。

电子漂移速度对气体成分很敏感，少量某种气体的混入就可显著提高电子漂移速度。23这些气体一般是甲烷、二氧化碳及氮等多原子或双原子分子气体。这些气体分子有很多低能级，有它们存在，电子能量不用积累到很高，就可能发生非弹性碰撞而大量损失能量了。这样，少量多原子分子的加入使气体中电子的平均动能显著下降，也就可以使乱运动的平均速度下降，这将会提高漂移速度。这一效应在气体探测器的研制中经常要用到。24(1)电子漂移速度一般为：离子漂移速度一般为：(2)电子的漂移速度对组成气体的组分极为灵敏在单原子分子气体中（如Ar）加入少量多原子分子气体（如CO2、H2O等）时，电子的漂移速度有很大的增加。

电子与离子在气体中在外电场作用下的漂移速度的主要区别为：25E、电荷转移效应

正离子与中性的气体分子碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合成中性分子，中性气体分子成为正离子。

电荷转移效应在混合气体中比较明显。

电荷转移效应可以减小离子的迁移率，降低离子的漂移速度。

复合效应、电子吸附效应、电荷转移效应等，都不利于电荷收集。263．气体放电A、雪崩

电子在气体中的碰撞电离过程。

发生雪崩的阈值电场：ET~106V/m。27能引起雪崩的其他因素：

光子与气体和器壁作用，打出光电子，~107sec；

光电子又可以引起新的雪崩。二次电子发射：雪崩区产生的正离子经过~103sec到达器壁，并可能在器壁上打出二次电子。光子的作用：雪崩形成大量的电离和大量的激发，~106sec;

伴随着雪崩过程，退激产生大量的光子。

二次电子又可以引起新的雪崩。28B、气体放大自持雪崩：通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。也叫自持放电。非自持放电：雪崩从产生到结束，只发生一次。29I:复合区II:饱和区III:正比区IV:

有限正比区V:G-M工作区VI:

连续放电区308.2电离室的工作机制与输出回路电离室的工作方式可分为：1)脉冲型工作状态2)累计型工作状态

记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：脉冲电离室。

记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：累计电离室。311、电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同.典型结构有平板型和圆柱型。高压极(K)：正高压或负高压；均包括：收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。32高压极收集极保护极高压负载电阻外壳灵敏体积绝缘子平板型电离室33圆柱型电离室34灵敏体积：

由通过收集极边缘的电力线所包围的两电极间的区域。保护环G的作用：1)使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；2)若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL上通过，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流。35

气体压力：从0.1~10大气压。2、工作气体

充满电离室内部空间，是电离室的工作介质；

如Ar

加少量多原子分子气体CH4。

需要保证气体的成份和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。36第一步：假设回路中没有负载电阻

极板a上加高压V0，极板ab

间电容量为C1，则两极板的电荷量：3、输出信号产生的物理过程

即电离室的工作机制。37第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2高斯定律：38

即正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生的感应电荷就多。

这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流i+(t)。第三步：当电荷沿电场向下极板运动，则上极板a上感应电荷

减少，下极板b上感应电荷

增加。且39

正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为：40第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上的感应电荷：

当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为：考虑：如果在电极之间引入的是负电荷，解释一下整个物理过程。产生的结果是否与正电荷有共同之处？41

电子(负离子)漂移所引起的正感应电荷在回路中流过的电荷量为：42即：若在电场中引入一单位负电荷，它将在ab两极板上分别感应一定的正电荷，分别为和。当负电荷沿电场反方向运动时，则a极板上感应电荷

增加，而b极板上感应电荷

减少。整个过程中，流过外回路的总电荷量为：

相应在外回路流过电流为，电流方向与相同。43在电离室中同一点引入正负电荷：

当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流：i(t)=i+(t)+i

–(t)

流过外回路的总电荷量：△q++△q-

=e44(1)只有当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有感应电流流过，此时i(t)=i+(t)+i–(t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流。结论：(2)当+e、e电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电荷量分别相同；

+e、e电荷漂移结束，流过外回路的总电荷量为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。

位置无关45(1)当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：引伸结论：(2)当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量为：Q只与离子对数量N有关，而与各离子对产生的位置无关。46

输出回路的定义：输出信号电流所有流过的回路都包括在输出回路中。①感应电荷在外回路上形成的电流，在负载电阻RL上形成电压，有信号输出；②测量仪器有内阻、电容；③探测器电容C1。输出回路的简化过程：4、电离室的输出回路④

线路的杂散电容C′。47测量仪器总电阻总电容RL

：负载电阻；C1：探测器电容；R入

：测量仪器输入电阻；C入

：测量仪器输入电容；：杂散电容；如,电缆电容~100pF/m。48

电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间、强度等。8.3脉冲电离室

以下讨论假设入射粒子在灵敏体积中产生N个离子对，并忽略扩散和复合的影响，而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有其它入射粒子产生电离。

脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电压信号。

49

电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出电荷量无影响）。1)

脉冲电离室的总输出电荷量1、脉冲电离室的输出信号

电离室灵敏体积内产生N个离子对并全部被极板收集后的总输出电荷量：

这一结果与极板形状、电场分布、输出回路参数无关。50(1)负载电阻RL=0的情况2)

脉冲电离室的输出电流信号

相当于用输入阻抗极小的电流计测量电离室输出信号的情况。51下面来计算电流的大小：电源提供功率：正离子、电子在t时刻的空间位置；

正离子、电子在该点的场强；

正离子、电子在该点的漂移速度。

能量守恒电子－正离子在电场中漂移的过程，实际上是电场对电子和正离子做功的过程：52求解得到t

时刻流经外回路的电流在t时刻，灵敏体积中有N+(t)个正离子和N–(t)个电子，则输出电流：电离室的本征电流（IntrinsicCurrent）53以平板电离室为例，设离子和电子的漂移速度是常数，并且电子的漂移速度是离子漂移速度的1000倍，均匀电场t2为开始有正离子到达负极板的时间；几个重要时刻：t1为开始有电子到达正极板的时间；T–

为电子全部到达正极板的时间；T+为正离子全部到达负极板的时间。离子和电子的初始数目为：54N=1时：5556(2)负载电阻RL≠0的情况

采用一般的具有输入阻抗的测量装置，输出电压信号V(t)。总电阻总电容①电源做的功率W(t)

④输出回路中消耗的功率WO(t)②灵敏体积内电子和正离子在电场作用下漂移所消耗的功率We(t)③C1的储能发生变化(消耗功率)WC1(t)57推导过程的物理基础：①电源电动势所做的功率W(t)

④输出回路中消耗的功率WO(t)③C1的储能发生变化(消耗功率)WC1(t)②灵敏体积内电子－正离子在电场中漂移所消耗的功率We(t)能量守恒根据能量守恒：58①电源功率W(t)

②灵敏体积内电子－正离子在电场中漂移所消耗的功率59a极板的电位不再为常数而为V(t)电容C1的储能为能量变化率为：③电容C1的储能发生变化④输出回路功率WO(t)60能量守恒令：61把电离室看成理想的内阻无限大的电流源，但这是有条件的。而电荷源则是无条件的。(A)由于V(t)<<V0为电离室的本征电流。结论：62(B)电离室可以用电流源I0(t)和C1并联等效。并可得到其输出回路的等效电路633)电离室的输出电压信号解微分方程：64(1)当时，即全部电子和正离子对输出信号都有贡献。在t<T+时当t=T+时当t>T+时6566A、在t=T+时，输出电压脉冲幅度B、C0越小，h越大。为此须降低工作在这种状态的电离室称之为离子脉冲电离室。存在问题——输出电压脉冲宽度非常大(T＋是ms量级)，这样入射粒子的强度不能太大，并且要求放大器电路频带非常宽，噪声大而不实用。结论：当，电子和离子的定向漂移对输出电压信号都有贡献67(2)

当，正离子漂移的贡献可以忽略，在t<T－时当t＝T－时当t>

T－时6869A、输出电压脉冲幅度，仅取决于电子漂移在外回路中流过的电荷量。B、由于，约为微秒量级，将大大降低电压脉冲信号的宽度，得到快的响应时间。

结论：工作在这种状态的电离室称为电子脉冲电离室。当，只有电子的定向漂移对输出电压信号有贡献

存在问题：输出电压脉冲幅度h-与初始电离的位置有关，也就是Q-与初始电离位置有关。70即Q－与第j个电子被收集时最终电位和最初产生处(初电离位置)电位之差有关。这样，电子脉冲电离室的输出电压脉冲幅度不仅与产生的离子对数有关，而且，与离子对生成的位置有关。71(3)影响输出电压信号形状的因素72脉冲电离室输出电压脉冲信号为变前沿的脉冲信号，其前沿与电离发生的位置有关。73(C)电子或正离子漂移对输出电压脉冲信号的贡献，取决于电子或正离子扫过的电位差。关于电离室输出电压信号的一些重要结论：(A)电子离子对一旦形成即开始漂移，立即就有输出电流信号；电压脉冲的上升时间为电流脉冲的持续时间。与R0C0有关。(B)电离室输出电流中包含快成分与慢成分，其比例与电子离子产生位置有关，导致电离室输出的电压脉冲为变前沿的脉冲，其上升时间涨落达103sec量级。74

离子脉冲电离室存在问题——输出电压脉冲宽度非常大(T＋是ms量级)，这样入射粒子的强度不能太大，并且要求放大器电路频带非常宽，噪声大而不实用。

电子脉冲电离室存在问题：输出电压脉冲幅度h－与初始电离的位置有关，也就是Q—与初始电离位置有关，与沉积能量不成正比。752、圆柱型电子脉冲电离室和屏栅电离室1)圆柱型电子脉冲电离室76设计思想：利用圆柱形电场的特点来减小Q－与入射粒子的初始电离位置的依赖关系，达到利用“电子漂移引起的电压脉冲幅度”来测量入射粒子能量的目的。距中心位置为r的场强：电位为：设全部离子对在r0处产生，其电位为电子脉冲电离室必定要满足77输出脉冲电荷量输出电压脉冲幅度

结论：选择足够大的b/a值，在r0较大时，h(r0)与r0之间的关系就不显著了。同时由于圆柱形的几何条件，r0小的区域只占很小的一部分体积，大部分入射粒子都在r0较大处产生离子对。注意：这种工作状态下，中央丝极必须是阳极。对于大部分入射粒子而言，圆柱形电子脉冲电离室的输出电压脉冲幅度均接近于782)屏栅电离室（TheGriddedIonChamber）屏栅电离室的构成：阴极B、阳极A、栅极G、电源和负载电阻。BAG79(1)屏栅电离室信号的形成过程离子对仅在B－G之间产生，要求入射粒子的射程R小于B－G之间的距离a；栅极由网栅构成，要求栅极屏蔽完善。合理选择电压分配及网栅的参数＝r/d，使电子和正离子在B－G之间漂移时，仅在B，G极板上有感应电荷产生，并在B－G回路中流过电流i1；同时电子在穿过栅极时，不被栅极所捕获。相当于N个电子先后在栅极上产生，然后，扫过G－A电极间的电位差；在输出回路上输出电压脉冲信号：80(2)信号时滞(3)输出信号的上升时间813、脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室的输出信号所包含的信息：1）入射带电粒子的数量；2）入射带电粒子的能量；3）确定入射粒子间的时间关系。通过对输出脉冲数进行测量。通过对输出电压信号的幅度进行测量。通过对输出电压信号的时间进行测量。82脉冲电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。气体电离室高压前置放大器放大器单道或多道脉冲分析器834、脉冲电离室的性能1)脉冲幅度谱与能量分辨率脉冲电离室常用来测量带电粒子的能量。

对单能带电粒子，若其全部能量都损耗在灵敏体积内，则脉冲电离室输出电压脉冲的幅度反映了单个入射带电粒子能量的大小。84能量分辨率：半宽度多道测量的脉冲幅度谱：85

能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。86

由于电离过程的涨落，电离产生的离子对数目

N的涨落服从法诺分布。由于很大，所以离子对数所遵循的统计分布可以用高斯分布描述。由关系式：电离室输出脉冲幅度同样服从高斯分布(1)统计涨落的影响87幅度平均值：标准偏差：相对标准偏差：且有：能量分辨率为：88(a)能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。能量分辨率越小，则可区分更小的能量差别。这是谱仪的最主要的指标。关于能量分辨率的小结：(b)能量分辨率的公式是谱仪所达到的分辨率的极限和理论值。并可检验谱仪的性能。(c)能量分辨率的数值是对某一能量而言的，它与入射粒子能量的关系为89

对于电离室谱仪，放大器输出的脉冲幅度为：

其中，A为放大器的放大倍数，是一个连续型随机变量。则：(2)放大器放大倍数涨落的影响90

放大器的噪声对输出脉冲幅度涨落的影响是叠加的关系，即：电离室输出脉冲幅度放大器噪声折合到输入端的信号幅度幅度平均值为：其相对均方涨落：其中，为放大器的信噪比.(3)放大器噪声的影响91

综合考虑统计涨落放大器放大倍数A的涨落，放大器噪声的影响，则电离室谱仪放大器输出信号的相对均方涨落为：

要使分析器道宽影响不超过1/100，FWHM内须不少于6～7道。幅度分析器的道宽对能量分辨率也有影响：能量分辨率为：922)电离室的饱和特性曲线----脉冲幅度h与电离室工作电压V0的关系影响因素：离子和电子的复合或扩散效应。饱和特性曲线形成的物理过程：

饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而使灵敏体积增加及负离子的释放。V0hV1V1饱和电压933)电离室的坪特性曲线

当输出脉冲幅度饱和后，计数率不再随工作电压而变化，称坪特性曲线。在入射粒子束流不变的情况下：V0n甄别阈h1>h2>h3h1h2h3入射粒子是单能的V1----电离室的计数率与工作电压的关系944)探测效率定义：原因：A带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量；B电离过程是涨落的。这样必将有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来。γ粒子等中性粒子的探测效率则取决于与介质作用产生次级带电粒子的相互作用截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。对带电粒子955)时间特性――常用三种指标A：分辨时间——能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔。

主要取决于输出回路参数的选择和放大器的时间常数的大小。B：时滞d——入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的时间差。

C：时间分辨本领——即由探测器输出脉冲来确定入射粒子入射时刻的精度。

96

当电离室的输出信号是反映大量入射粒子的平均电离效应时，称作电流工作状态或累计工作状态。此时电离室称作“累计电离室”或“电流电离室”。恒定状态下，输出直流电流信号是：设入射粒子在电离室灵敏体积内各处单位时间、单位体积内恒定地产生

对离子对。则在灵敏体积A内单位时间的总离子对数为：8.4 累计电离室971、输出信号及其涨落

输出信号可以是直流电流(相当于回路中接入内阻极小的电流计，即RL=0)或直流电压(在输出回路上的积分电压)信号。

若单位时间内射入电离室灵敏体积内的带电粒子的平均值为，每个入射带电粒子平均在灵敏体积内产生个离子对，则电流电离室输出电流信号的平均值为：（1）输出信号输出直流电压信号98（2）输出信号的涨落

假设，每一对离子产生后将立即使探测器产生一输出信号：

若单位时间内射入电离室灵敏体积内的带电粒子的平均值为，每个入射带电粒子平均在灵敏体积内产生个离子对，而且这两个值均不随时间变化。99

这样，在任一时刻t

，探测器的总输出信号是此时刻以前在探测器内产生的各个离子对所产生信号在此时的所取值的叠加。100

用M表示在t以前的与＋间隔内入射粒子流在探测器内产生的离子对数目。这些离子对的信号经过时间到达t时刻的信号值大小为：t时刻的总信号St应当是t以前(由0)产生的离子对在t时刻的信号的总和，即：101M是t以前的与＋间隔内的n个入射粒子分别在探测器内产生的离子对数Ni

的总和。这样，M显然是由n及N串级而成的串级型随机变量。M平均值为：M方差为：102M方差为：考虑到n遵守泊松分布：N遵守法诺分布：103由于，而且，不同内产生的M是相互独立的。因此：St的平均值为：令：104下面分析St的相对均方涨落：由于独立随机变量和的方差是各方差的和。有：所以：105则St的相对均方涨落为：

从式子可以看出，粒子入射探测器后产生的离子对数N的涨落对于累计信号的相对均方涨落的影响很小。累计信号的相对均方涨落主要决定于入射粒子数的涨落。106

近似用宽度为T的矩形脉冲代表一对离子所产生的电流信号f()，求输出电流信号及其相对均方涨落。则：107则，输出电流信号平均值为：输出电流信号相对均方涨落为：108

当R00时，在输出端输出一直流电压信号，

一个离子对漂移在输出回路所产生的电压信号近似为一指数信号：则：109则，输出电压信号平均值为：输出电压信号相对均方涨落为：110

累计电离室工作状态要求其输出电流或电压信号的相对均方涨落要远小于“1”。即：电流脉冲宽度要远大于入射粒子平均时间间隔输出回路的时间常数要远大于入射粒子平均时间间隔111累计工作状态的物理意义为：入射粒子流强度足够大，以至在时间内的入射粒子数远大于1；或强到在离子收集时间T内就有大量粒子入射，即使，I0(t)也反映了大量粒子的平均电离效应。这两种情况下，电离室均工作于电流工作状态。

112(1)“脉冲电离室”与“累计电离室”仅是电离室的两种工作状态，由入射粒子流的强度及输出回路的时间常数决定。电离室结构并无本质差别。(2)当时，，即输出电流的涨落很小，输出为直流电流信号；

当时，，即输出电压的涨落很小，输出为直流电压信号。

结论：113

与脉冲电离室一样具有饱和特性曲线，一般工作于饱和区。还有一些特性不同于脉冲电离室：

1)灵敏度影响灵敏度的因素有电离室的结构、气体压力和组分、入射粒子的类型和能量等。2、电流电离室的主要性能

单位入射粒子流强度引起的电离室输出信号电流或电压幅度：1142)线性范围——一定工作电压下，输出信号的幅度与入射粒子流强度的保持线性关系的范围(一般用辐射强度的范围表示)

。

只要电离室工作在饱和区，则信号电流与入射粒子流强度就成正比关系，即线性关系。

但是，当入射粒子流强度增大时，饱和电压将提高。一旦当入射粒子流强度大到使饱和电压超过了原来选好的工作电压V0时，电离室将不再工作于饱和区，信号电流将比预期值小。即出现非线性。1151163)响应时间——反映当入射粒子流强度发生变化时，输出信号的变化规律。

对电压信号，它跟随辐射强度变化的响应时间主要决定于电离室输出回路的时间常数R0C0值。

对电流信号，其滞后时间将最大为离子收集时间T。T就是累计电离室电流信号的响应时间。对t=0时的阶跃变化，输出电压为：一般需要5～7R0C0才能达到平衡。1174)能量响应――即灵敏度随入射粒子能量而变化的关系。

一般情况下，希望灵敏度与辐射能量无关，即相同的照射量率不因辐射能量不同而造成不同的输出。1183、电流电离室的应用

累计电离室的应用比脉冲电离室更为广泛，特别是充入高压工作气体的累计电离室，灵敏度高、性能稳定可靠、工作寿命长。

由于其具有十分良好的承受恶劣工作环境影响的能力，所以，在工业上可应用于核辐射密度计、厚度计、料位计、水分计、核子秤等。

累计电离室还可应用于剂量测量、反应堆监测等方面。119脉冲电离室离子脉冲电离室电子脉冲电离室电离室累计电离室脉冲电离室仅反映了入射粒子的直接电离产生的离子对，因此，其输出信号很小，需要放大倍数很大的放大器，而放大器的噪声水平限制了入射粒子的能量下限，为解决这一问题，设计了正比计数器。120Pulseamplitude(logscale)1218.5正比计数器（ProportionalCounters）

正比计数器中，利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应放大了，使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大。

对直接电离效应放大的倍数称为“气体放大倍数”，以A表示，在一定的工作条件下，A保持为常数。

正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。1221、正比计数器的工作原理1).正比计数器的结构特点

结构上必须满足实现碰撞电离的需要，而在强电场下才能实现碰撞电离。

在一个大气压下，电子在气体中的自由程约10-3～10-4cm，气体的电离电位～20eV。要使电子在一个自由程就达到电离电位，场强须>104V/cm。

为达到这一要求，一般采用非均匀电场，以圆柱型为主。123设计思想：利用圆柱形电场的特点在中央丝极附近会产生小范围的强电场区域。距中心为r的场强：实例：当V0＝1000V，a＝25m，b＝1cm时，在r＝0.017cm处，电场强度相当于临界场强ET～104V/cm。124由：在r＝b时场强最小，r＝a时场强最大。定义：

对于一个确定的正比计数器，只有当工作电压V>VT

时，才工作于正比计数器工作区，否则工作于电离室区。VT称为正比计数器的起始电压(阈压).125

当V0>VT

时，仅在a

～

r0

区间内发生碰撞电离。

一般r0很小，和a是同一量级，这样入射粒子在r0内产生电离的可能性很小，可以忽略。因此，在不同位置射入的入射粒子所产生的电离效应在正比计数器中都经受同样的气体放大过程，都有同一个气体放大倍数。

正比计数器输出信号主要由正离子漂移贡献。126碰撞电离只有电子才能实现。

当电子到达距丝极一定距离r0

之后，通过碰撞电离过程，电子的数目不断增多，这个过程称为气体放大过程，又称电子雪崩(electronavalanche)。2).碰撞电离与气体放大定义气体放大倍数：127假定：(1)发生碰撞电离的截面正比于电子的动能，即(2)近似认为电子的能量就是电子在两次碰撞间从电场获得的能量。可得到如下关系：当电压足够高，即V0/VT>>1时，气体放大倍数与工作电压的关系128结论：(2)A仅与V0，VT有关，与入射粒子的位置无关。(1)，在半对数座标图上近似为直线。1293).气体放大过程中光子的作用——光子反馈

在电子与气体分子的碰撞中，不仅能产生碰撞电离，同时也能产生碰撞激发。气体分子在退激时会发出紫外光子，其能量一般大于阴极材料的表面逸出功，而在阴极打出次电子。次电子可以在电场的加速发生碰撞电离。这个过程称为光子反馈。130

定义：光子反馈概率

为每个到达阳极的电子通过光子反馈又在阴极打出一个次电子的概率。

由于光子反馈，使得总放大倍数增加，为：当时，131对于光子反馈的影响，注意两点：(1)光子反馈的过程(10-9s)远快于电子的漂移过程(10-6s)，对信号的形成而言，在时间上是同时事件。(2)加入少量的多原子分子气体M，它可以强烈吸收气体分子退激所发出的紫外光子而处于激发态M*，它不再发出光子而是分解为几个小分子(超前分解)退激。这样可以阻止紫外光子打到阴极而减小光子反馈，使曲线的变化平缓。1324).气体放大过程中正离子的作用

离子漂移速度慢，在电子漂移、碰撞电离等过程中，可以认为正离子基本没动，形成空间电荷，处于阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使电场强度变弱，影响电子雪崩过程的进行。

正离子漂移到达阴极，与阴极表面的感应电荷中和时有一定概率产生次电子，发生新的电子雪崩过程，称为离子反馈；也可以通过加入少量多原子分子气体阻断离子反馈。133正比计数器的输出回路2、正比计数器的输出信号134假定：(1)

A>>1。即忽略初始电离产生的离子对对输出信号的贡献。(2)全部输出信号均为正离子由阳极表面向阴极漂移而在外回路流过的感应电荷。这时，由于r0很小，以至电子在阴极的感应电荷很小，而可以忽略电子对输出信号的贡献。135正比计数器的本征电流：由于：则：其中，仅取决于结构、工作气体及工作电压等。136由于很小，所以电流随时间而迅速下降。137

电压脉冲信号与输出回路时间常数的选取有关，与粒子入射位置无关。

式中f(t)为仅与R0C0和有关的时间函数，与入射粒子的位置和能量无关。138(1)电流脉冲I(t)的形状一定，与入射粒子的位置无关；输出电压脉冲为定前沿脉冲。结论：(2)由于～10-8s，即使t～100，也就是输出电流降为初始的约1/100,也仅需要s量级，可以获得快的响应时间特性。(3)当R0C0>>T＋时，获得最大输出脉冲幅度ANe/C0，但不管选取什么R0C0的值，电压脉冲幅度均正比于ANe。因此可选择小的输出回路时间常数，获得好的分辨时间。1391)输出脉冲幅度与能量分辨率

输出脉冲幅度的涨落是一个二级串级型随机变量：输出脉冲幅度：3、正比计数器的性能实验表明，所以，能量分辨率

140影响正比计数器能量分辨率的其他因素：①阳极丝的均匀性。④电子学系统的影响。③末端效应和室壁效应。②负电性气体的存在。

使不同区域A不同，故同样能量粒子在不同入射位置产生信号的大小不同。

使一些初级电子消失，影响输出脉冲幅度。

入射粒子能量未完全损失在灵敏体积。

放大器噪声、高压的不稳定性、放大器放大倍数的不稳定性等的影响。1412)

探测效率和坪特性142143

分辨时间(死时间)

主要由输出脉冲的宽度决定。脉冲越宽，死时间越大。3)分辨时间(死时间)和计数率修正

在死时间

内再产生的脉冲不会被记录，从而会造成计数的损失，为此必须考虑计数率的修正。144

即正比计数器的雪崩过程仅在丝极的局部发生，因此在一个雪崩进行的过程中，仍会有其他雪崩在不同位置产生的可能。这样，在第一个信号脉冲后内又来第二个脉冲，第二个脉冲又将跟随一个

，在此时间内产生的脉冲仍不被记录。正比计数器的死时间属于可扩展型的。正比计数器的雪崩区域范围很小，单个电子形成的雪崩区宽度~200m，一个入射粒子形成的雪崩区宽度就是入射粒子径迹在阳极丝上的投影。145分辨时间的两种模型：GM管正比计数器

对正比计数器，如果输入脉冲的时间间隔都小于分辨时间，会引起计数器的堵塞。146

两个相邻脉冲的时间间隔是一个连续型随机变量。对于平均计数率为m的相邻两脉冲的时间间隔小于

的概率为：

与前一信号之时间间隔小于

的脉冲将不被记录，由此，单位时间内由于分辨时间影响而丢失的计数为：147正比计数器实际测量到的计数率为：当：可得到：当m=1/

时，得到最大计数率：1484)

时滞

正比计数器的时滞即初始电子从产生处漂移到阳极附近所需的时间。同样具有随机性，限制了时间的测量精度。

测量粒子入射时刻的精确度，称为探测器的时间分辨本领。

注意时间分辨本领与分辨时间的不同。1494、正比计数器的应用1）

流气式4正比计数器2）低能X射线正比计数器——鼓形正比计数器。特点：4立体角，探测效率高；流气工作方式，换样品方便，结构密封简单；阳极丝为环状。特点：有入射窗，常用Be(铍)窗。1503）单丝位置灵敏正比计数器特点：阳极丝为高阻丝。由分流不同而确定粒子入射位置。1514）多丝正比室152G-M计数管是由盖革(Geiger)和弥勒(Mueller)发明的一种利用自持放电的气体电离探测器。8.6 G-M计数管G-M管的特点是：制造简单、价格便宜、使用方便。灵敏度高、输出电荷量大。G-M管的缺点是：死时间长，不能测能量仅能用于计数。1531、G-M管的工作机制

由于光子反馈过程的存在，气体放大倍数为：1）正离子鞘的形成及自持放电过程

在正比计数器中，光子反馈和正离子反馈的作用极微弱，因此，经一次雪崩以后增殖过程即行终止，且雪崩只限于局部的区域，对一个初始电子仅展宽200m左右。154但在G-M计数管中，光子反馈和离子反馈就成为主要的过程。以光子反馈为例，通常条件下，，当时，G-M管的自持放电过程可以分解为下列环节：

①初始电离及碰撞电离过程：电子加速发生碰撞电离形成电子潮－雪崩过程。155②放电传播：放出的紫外光子打到阴极上并打出次电子（光子反馈）。

气体放电迅速遍及整个管子，正离子包围整个阳极丝，并逐步加厚形成正离子鞘。由于正离子鞘的形成，使阳极丝附近的电场减弱，使放电终止。

电子很快被阳极收集，该过程形成“电子电流”。③正离子鞘向阴极漂移过程：形成“离子电流”，是形成输出脉冲的主要贡献。156157④正离子在阴极表面的电荷中和过程（离子反馈）：过程之一：过程之二：

这些过程均发生在第一次正离子漂移快结束时，在阴极新产生的电子又向阳极漂移，引起新的雪崩，从而在外回路形成第二个脉冲。如此周而复始，即自持放电过程。所以称为非自熄G-M计数管。1582)有机自熄G-M计数管

在工作气体中加入少量有机气体M(多原子分子气体，又称淬熄气体)，构成的G-M管。例如，90％的氩气(Ar)和10％的酒精(C2H5OH).

这样的G-M管具有自熄能力，称为有机自熄G-M管，或简称为有机管。159

有机分子气体M能够强烈吸收Ar*发出的紫外光形成M*或M＋，使Ar*发出的紫外光打不到阴极上而阻断了部分光子反馈过程；在正离子鞘向阴极漂移过程中，氩离子Ar+与有机分子M发生充分的电荷交换，到达阴极表面时均为有机分子离子M+；当M+与阴极上的电子中和时，除克服电子在中和时需克服的逸出功外，多余能量使有机分子处于激发态M*，M*主要以超前离解退激，阻断了几乎全部离子反馈过程。160有机管的工作机制可归纳为：①初始电离及碰撞电离过程：电子加速发生碰撞电离形成电子潮－雪崩过程。②放电传播：放出的紫外光子被有机气体分子吸收，即：

有机气体分子强烈吸收Ar*放出的紫外光子，在沿丝极很小范围内发生电离过程。放电沿阳极丝向两端传播，同时，正离子鞘也沿阳极丝向两端形成，其结果是使放电终止。161③正离子鞘向阴极漂移过程：在正离子鞘向阴极漂移过程中，实现充分的电荷交换,

到达阴极时正离子均由有机气体离子M+组成。例如：Ar的电离电位IAr

＝15.7eV；

Ar的激发态能级； 酒精的电离电位162④正离子在阴极表面的行为：有机气体离子在阴极的电荷中和过程为：M*发生超前离解，抑制了离子反馈过程(处于激发态的有机分子的超前离解过程的平均寿命为10-13s，而退激过程的平均寿命为10-8s)，不会再引起新的雪崩，使放电过程熄灭，所以可以称为自熄G-M计数管。163有机管存在的问题：工作电压较高，由于有机气体具有丰富的激发能级，电子能量难于积累，为在两次碰撞中能积累足够的能量达到氩或有机分子的电离电位，须加足够高的工作电压。有机管的寿命较短，有机管工作过程中，将发生大量有机分子的分解，使初始充入的有机分子数目变少，分解产物增加，管内气压逐渐增大，最后将使有机管失效。有机管的寿命一般为107～108计数。1643)卤素自熄G-M计数管

工作气体组成：氖气(Ne)为主要工作气体，并在其中加入微量卤素气体(如0.5％～1％的Br2)。由于Ne的电离电位，其亚稳态能级的能量和第一激发态能级的能量为，而Br2的电离电位，使电离过程发生重大变化；处于激发态的 极易超前离解，起到有机气体分子相同的作用。165卤素管的工作机制可归纳为：①初始电离及碰撞电离过程：电离过程靠氖的亚稳态原子的中介作用形成电子潮。

这类碰撞称为第二类非弹性碰撞，其碰撞截面很大，即使对微量的Br2，在Ne生成的10-8s内就可以与Br2发生碰撞而产生新的电子。166②放电传播由处于激发态的氖原子退激发出的光子在阴极打出次电子或被Br2吸收，使之电离而产生新的电子。正离子鞘由组成。③正离子鞘向阴极漂移过程：正离子鞘向阴极漂移，到达阴极的是④在阴极表面与电子中和超前离解而自熄。167卤素管的特点：②较低阈压①自动淬熄，的超前离解。碰撞电离中的中介作用。电子能量不需加速到氖的电离电位，在电子能量达到 前很少发生非弹性碰撞，电子能量容易积累。当含量增加，电子在能量达到前与分子的非弹性碰撞(激发)则变得重要，低阈压的特点不再存在。168③寿命较长：Br原子的复合。④放电区域较大

卤素管可以在较弱的场强下即可发生雪崩过程，因而电子漂移对输出脉冲幅度贡献较大，输出回路不仅参与输出信号的形成，还参与放电过程的终止。⑤

卤素为负电性气体，影响卤素计数管的特性，尤其是坪特性曲线。169

自熄G-M计数管输出脉冲形状与正比计数管无明显区别。初始雪崩和放电过程所需的时间一般短于1s。放电所产生的电子