3气体探测器课件

对于电离辐射是不能感知的，因此人们必须借助于电离辐射探测器探测各种电离辐射，给出电离辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对电离辐射进行测量。电离辐射探测器的定义：利用电离辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行电离辐射探测的器件称为电离辐射探测器。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。为什么需要电离辐射探测器？电离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。电离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。气体探测器

以气体为探测介质的探测器，在核物理发展早期以及在70年代后的高能物理和重离子物理实验中得到广泛应用。Gas－filledDetector气体探测器装置示意图。工作原理：入射粒子使高压电极和收集电极间的气体电离，生成的电子离子对在电场的作用下向两极漂移，在收集电极上产生输出脉冲。惰性气体加少量多原子分子气体的混合气优点：制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等。种类：结构大致相同，根据不同工作条件分为电离室、正比计数器、G-M计数器。气体中电子和离子的运动规律电离室正比计数管G－M计数管入射带电粒子使气体电离的特点包括初电离和次电离。对不同能量的同种粒子或不同粒子，在同一种气体中电离能相近，为30电子伏上下（表3.1）。根据比电离可以进行粒子鉴别，更重要的是可以灵活地根据入射粒子在气体介质中的射程等性质，针对预测量的入射粒子种类来选择适当的气体和压强。带电粒子在气体中产生一对离子所需的平均能量气体中电子和离子的几种运动3000V/cm/atm1）电场下的定向漂移运动对离子：在一定范围(约化场强E/P0.03Vcm-1Pa-1)内，漂移速度与电场强度成正比，与气体压力成反比，即离子的迁移率，与气体的性质有关。一般在103厘米/秒除了热运动外，还存在：电场下乱运动的平均速度，与无电场时相近离子在气体中单位气压下的自由程对电子：上面公式不成立，漂移速度与约化场强不成正比。漂移速度约为106厘米/秒，比离子大3个量级。漂移速度对气体的成分很敏感。通常在单原子分子气体中加入少量多原子分子气体来提高电子的漂移速度。

2）由于电子或离子空间密度不均匀产生的扩散运动

与工作气体的性质、温度和压强有关。通过空间一点的粒子流粒子的密度梯度根据气体动力学，

室温条件下，粒子漂移的平均距离Sw与扩散的平均距离Sd之间有如下关系：一般情况下，离子扩散的影响远小于电子扩散的影响，通常在单原子分子中加入少量多原子分子的办法来可以减少电子扩散的影响。电离：电子离子对的产生。复合：负离子的形成：电子+气体分子

不良影响：使漂移速度减慢，增加了复合的机会。

解决办法：气体纯化（去除负电性杂质气体如氧气、水蒸气等）；在单原子分子气体中加入多原子分子气体提高电子漂移速度，减少复合概率。离子的复合：电子+正离子或负离子+正离子复合概率除了与气体性质、压强和温度有关外，还与正、负离子相对运动速度有关。负离子的形成会大大增加离子的复合几率。探测器工作时气体中的主要过程

雪崩：被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子的雪崩。次电离除次电离外，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。非自持雪崩、自持雪崩气体探测器几个典型工作区在恒定强度的辐射照射下，气体探测器外加高压与电离电流的关系。I:复合区II:饱和区III:正比区IV:有限正比区V:G-M工作区电离室工作在饱和区的气体探测器。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。电离室的工作方式若K、C两电极间的间距比两电极的线度小得多，负载电阻又充分大时，电离室可认为是一个孤立的电容器C0。脉冲电离室的输出脉冲形成当使用正的高压电源时，电离室灵敏区内一对电子离子对在收集极上产生的电压脉冲为：电流脉冲为：可以推广到任意形状的电极。对于一个入射粒子，其电压脉冲和电流脉冲是所有电子和离子脉冲的总和：当电子和正离子被收集完全时：电流脉冲起始于电子离子对的漂移，结束于电子离子对的完全收集只有在电子或离子漂移过程中，两极上的感应电荷才有变化，才能产生输出电压或电流脉冲。输出脉冲可分为两个部分：快成分（由电子的漂移产生）；慢成分（由离子的漂移产生）。负离子的形成会使脉冲的快成分受损失。电离室输出脉冲的特点因为探测器的电流脉冲I（t）在负载上产生的电压信号很小，仅毫伏量级，与电离室的工作电压（几百伏，甚至几千伏）相比可以认为电离室中电子正离子的运动不受电离室输出电压信号的影响，即电离室的输出电流信号不受负载电阻的影响。电离室可以用电流源I0(t)和探测器电容C0并联等效。对于5MeV的粒子，电荷收集完全时，输出电压脉冲幅度：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。电离室的输出回路测量仪器RL

：负载电阻；C0：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。输出回路的等效电路电离室的输出电压信号解微分方程：时间常数RC，直接影响输出脉冲的幅度和波形。(1)当时，即全部电子和正离子对输出信号都有贡献。在t<T+时间内当t=T+时当t>T+时(2)当，正离子漂移的贡献可以忽略，在t<T－时间内当t＝T－时当t>T－时根据输出回路时间常数的不同，分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室。离子脉冲电离室电子脉冲电离室输出回路时间常数T>>T+,T-T-<T<T+电子和离子的收集情况电子和离子均收集完全电子收集完全，离子未能收集完全输出脉冲波形V=Q/C不再与电荷成正比，与地点有关脉冲电离室的种类优点：脉冲上升时间决定于电子的收集时间，脉冲的宽度决定于输出回路的时间常数，二者均为微秒量级，因而可以得到较高的计数率。缺点：脉冲幅度并不直接和电子数目成正比，而与电子产生的地点有关。解决方法:屏栅电离室同时给出入射粒子能量和角度的信息。电子脉冲电离室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。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核电子学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。脉冲电离室的性能粒子数随能量的变化曲线称为能谱。粒子数随输出脉冲幅度的变化曲线称为脉冲幅度谱。（E）（E）相对能量分辨率：多道测量的脉冲幅度谱半高全宽绝对能量分辨率：入射粒子能谱（能谱）能量刻度能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。测量系统的能量分辨率：E1：探测器电离统计涨落的半宽度；E2：电子学噪声的半宽度；一个入射带电粒子与N个靶原子相互作用过程中引起n个靶原子发生电离，电离过程的统计涨落其中p表示一个入射粒子使每个靶原子电离的几率。能量为E0的入射带电粒子把全部能量损耗在气体中后，共产生的离子对数的平均值：假设能量为E0的入射带电粒子在气体中与N（是一个非常大的常数）个气体原子相互作用，每个原子的电离几率由p给出，那么每个原子可能有两种结果发生或不发生电离，这是一个伯努利型随机试验。则产生n个离子对的概率服从二项式分布

由于靶原子数N，可由靶密度和靶气体的体积来计算。在标况空气中，每cm3的体积内约有1019个空气分子。而气体探测器的体积要比这个大得多，因此N是个很大的数。则入射带电粒子在探测气体中产生电子离子对的过程可用泊松分布来描述。离子对数涨落的标准偏差及相对标准偏差由于每个原子的电离过程不是独立的，产生的离子对数不能简单用泊松分布来描述，而要对泊松分布进行修正，引入法诺因子FF一般取(气体)或

0.1~0.15(半导体)

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。电离室输出脉冲幅度同样服从高斯分布电离室输出脉冲幅度相对能量分辨率为：

0.1MeV的粒子，约为3%，5MeV约为0.4%。仅由电离统计涨落造成采用电离室对这些能量的粒子探测的极限能量分辨率(1)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：(2)电离过程统计偏差决定了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。(3)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2)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V0hV1饱和电压离子和电子的复合或扩散效应通过测量饱和电压曲线，来确定电离室的工作电压。3)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。对于单能入射粒子且束流不变的情况下：V0n甄别阈hV1----电离室的计数率与工作电压的关系超过甄别阈的粒子数，与输出脉冲幅度和甄别阈有关。为探测到全部粒子，要求甄别阈远低于输出脉冲幅度饱和后的值。4)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。对带电粒子5)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。电离室s量级。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。

对于电离室来说，电流脉冲没有时滞，电压脉冲要超出电子仪器的阈值，由于上升时间和阈值的涨落，电压脉冲的时滞也是涨落不定的。电离室的使用：根据电离室所能承受的最大压强，电极间距离和入射粒子种类与能量，正确选择工作气体的种类和压强。测量工作高压的正确使用范围（饱和特性曲线、坪曲线），选择最佳工作电压和电子学阈值。探测能量范围（探测效率）：对于电离室，原电离数目大于2000时才能被分辨出来。一般能探测到的最低能量为0.1MeV。最高能量由工作气体和气压决定。正比计数器正比区：离子收集过程中出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子的雪崩。电子雪崩过程中，产生电子的其他可能原因：光电效应二次电子发射当处于正比区，可以忽略上面后两种情况。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。正比计数器通常采用圆柱形电极，便于产生高场强。电场强度为：

正比区放大倍数

M决定于气体性质、气体压强、工作电压和电极半径。

电压为V0时，电子在r0处开始雪崩；m为电子从r0到a的路程上发生电离碰撞的平均数。实验表明，在单原子分子和双原子分子气体中，当M<102，以及在多原子分子气体中，当M<104时，上面公式成立。假定：(1)

M>>1。即忽略初始电离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。正比计数器的输出信号得到本征电流：由于：则：其中，仅取决于结构、工作气体及工作电压等。由于很小，所以电流随时间而迅速下降。电压脉冲波形与输出回路时间常数的选取有关，与粒子入射位置无关。但无论时间常数选多大，最大幅度与入射粒子能量成正比。使用中常采用（s）时间常数。式中f(t)为仅与RC和有关的时间函数，与入射粒子的位置无关。输出电压信号：增殖的电子的作用正离子运动的作用增长先快后慢，这是由于正离子的漂移速度与场强成正比。离子从阳极到阴极的过程中，场强逐渐减弱。时滞正比计数器的输出脉冲波形脉冲幅度大。是电离室的102-104倍。灵敏度高。原则上只有一个电子离子对就可以被分辨。脉冲仍然有两部分组成：电子脉冲和离子脉冲。因为雪崩仅发生在阳极极小范围内，因此电子脉冲的影响很小，而正离子几乎从阳极漂移到阴极，因此，正比计数管的电压脉冲主要是由倍增后的正离子贡献的。脉冲幅度与原电离地点无关（倍增后的正离子聚集在阳极附近）。虽然电荷全部收集的时间仍为ms量级，但输出电流随时间迅速下降，采用微秒的时间常数时，损失的脉冲幅度不大。因此，时间性能与电子脉冲电离室相近。

正比计数器的输出脉冲特点1)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：实验表明，所以，能量分辨率

正比计数器的性能2)

坪特性起始电压，计数器开始计数时探测器所加电压。M随电压的变化3)

探测效率X射线等中性粒子则取决于与介质作用产生次级带电粒子的截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。对带电粒子正比计数器可用来探测低比电离的带电粒子（）、X射线等。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。4)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。实际测量到的计数率为：5)

时滞（时间分辨）时滞即初始电子产生处漂移到阳极附近所需的时间。同样具有随机性，而限制了时间的测量精度，称之为时间分辨本领。注意时间分辨本领与分辨时间的不同。测量粒子入射时刻的精确度当电离除外其他产生电子雪崩的原因不能忽略时，进入有限正比区。：每次电离后打出光电子的几率。1)光子的影响：光电子参加雪崩过程在实验上无法区分。当M0<1时，级数收敛，M0<<1时，正比区；M0<1时，有限正比区；M0～1时，G－M区自持放电改善方法：在单原子分子或双原子分子气体中加少量的多原子分子气体。多原子分子能级多，能强烈吸收紫外光。3)空间电荷效应

正离子鞘：雪崩完成时，大量正离子几乎不动地散布在阳极周围，使阳极附近的电场变弱。在有限正比区，离子云的影响使气体放大倍数不再是常数，而是与原电离密度、径迹取向等有关。2)正离子与阴极作用产生二次电子：新电子产生新的雪崩。

改善方法：在单原子分子或双原子分子气体中加少量的多原子分子气体。多原子离子在阴极表面拉出电子中和后就分解，不发射二次电子。G-M计数器

在核物理发展的初期，使使用最广的辐射探测器。至今，在放射性同位素应用和计量监测中，仍是常用的探测元件。工作特点：放电和猝熄自持放电：每次雪崩产生一个新电子，放电便会持续地发展下去，很快在10-7s内遍及整个灵敏区，放电就能持续下去。在通常情况下，10-5，因此当M0105时就能发生自持放电。外猝熄：利用外电路，使一次放电后工作电压降到Vd以下。内猝熄：加入猝熄气体，自行猝熄。猝熄：电子收集后，正离子在电场作用下逐渐向阴极移动，轰击到阴极表面有可能发出二次电子再次发生自持放电。因此，需要在一次放电后，令放电终止。自猝熄机制：正离子鞘对强电场的削弱，使新电子无法再增殖，使第一次放电终止。猝熄气体能强烈吸收紫外光，则没有紫外光达到阴极表面产生二次电子，且能抑制正离子在阴极表面上的二次电子发射。这样不能引起第二次放电，放电过程得以终止。两种自猝熄比较有机自熄卤素自熄猝熄气体酒精、石油醚、甲酸、乙脂等有机物（占总含量的10-20%）Br2、Cl2（分解后会复合，寿命长）（占总含量的0.1-1%）放电终止原因正离子鞘对强电场的削弱，使新电子无法再增殖。猝熄气体吸收紫外光，并抑制阴极表面二次电子发射，使二次放电不可能。正离子鞘与电子脉冲在输出负载电阻上的压降同时作用，使新电子无法再增殖。增殖的电子的作用：有机管与正比管类似，贡献很小；卤素管贡献要大些。脉冲形成主要是正离子的贡献时滞约10－7sG－M计数器的输出脉冲波形脉冲幅度与原电离无关，主要体现计数管本身的性质。因此，无法给出入射粒子的信息。只用于计数，脉冲幅度的大小只要足以触发记录电路即可。无法用于能量测量。G－M计数器的性能1）坪曲线：是计数管功能的重要标志。主要由于乱真放电随电压升高而增多。计数管放电的阈电压2）死时间、恢复时间、分辨时间50-250s100-500s电子学的触发阈死时间恢复时间分辨时间3）探测效率：带电粒子100%，光子1%G－M计数器可用来探测任何粒子。对用于带电粒子探测的钟罩型GM管，只要入射粒子进入灵敏体积，其探测效率可接近100％。对用于探测射线的圆柱型GM管，仅当次电子进入灵敏体积才能引起计数，其探测效率仅～1％。4）计数管的寿命：决定于猝熄气体的损耗。5）计数管的温度效应：计数管必须在一定温度范围内才能正常工作。有机管卤素管坪曲线起始电压1000V600V，300V坪斜5%/100V10%/100V坪长150-300V100V寿命108109-1010温度效应温度太低时会凝聚，温度太高，阴极表面热电子发射等原因会使坪长缩短，坪斜增大。蒸气压高，低温性能较好。高温情况同有机管。

G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。圆柱型主要用于射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于，射线的测量。脉冲电离室正比计数管计数器工作区域饱和区正比区盖革-弥勒区工作原理原电离