电离辐射探测-工程硕士课程4-气体电离探测器课件

辐射探测学

第四章气体电离探测器1辐射探测学

第四章气体电离探测器1为什么要讨论探测器？射线是普遍存在、应用广泛的；类型不同：α，β，γ，中子来源不同：人工射线反应堆加速器同位素源天然射线40K：1.46MeV208Tl：2.61MeV能量不同：137Cs：0.662MeV60Co：1.17MeV,1.33MeV那么，我们是如何感知射线的存在，并知道射线的种类、能量、强度、时间等信息呢？我们感兴趣的是：射线→电信号的探测器：需要探测器气体电离室闪烁探测器半导体探测器……2为什么要讨论探测器？射线是普遍存在、应用广泛的；那么，我们是什么是电离辐射探测器？将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件，称之为电离辐射探测器，简称探测器。探测器是怎样形成信号的？辐射粒子射入“灵敏体积”入射粒子与灵敏体积内的工作介质相互作用，损失能量并形成电离或激发探测器通过自身特有的工作机制将入射粒子的电离或激发效果转化为某种输出信号。各类探测器研究的主要内容3什么是电离辐射探测器？将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件在学习各种探测器时，应掌握四方面的内容：探测器的工作机制入射粒子的能量转换为输出信号的物理过程是怎样的？谁、如何携带了我们需要的关于射线的信息？探测器输出信号的特点，包括对信号的估算及涨落分析探测器的主要性能探测器的典型应用4在学习各种探测器时，应掌握四方面的内容：探测器的工作机制探测“主角”——载流子：各种探测器关注的核心问题按探测介质和作用机制，探测器可分为三类：气体电离探测器闪烁体探测器半导体探测器ChargeCarrier（信息）载流子电子－离子对第一打拿极收集到的光电子电子－空穴对今天，我们来讨论气体探测器5“主角”——载流子：各种探测器关注的核心问题按探测介质和作用气体电离探测器：以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输出电信号的探测器。按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比计数器、G-M计数器以及SQS计数器等。不断发展1992年，法国科学家G.Charpak因发明多丝气体正比室获得诺贝尔物理奖1997年，Cern的科学家Sauli发明GEM探测器BNL的RHIC-STAR实验：MRPC历史悠久是最早被使用的射线探测器居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时，用到了电离室Chadwick发现中子时，用G-M计数器来测量质子仍在使用剂量仪中的G-M计数器测量中子的BF3、3He正比计数器集装箱检测系统的气体电离室探测器6气体电离探测器：不断发展历史悠久仍在使用6§4.1气体中离子与电子的运动规律§4.2电离室的工作机制和输出回路§4.3脉冲电离室§4.4累计电离室§4.5正比计数器§4.6G-M计数管√7§4.1气体中离子与电子的运动规律√7§4.1气体中离子与电子的运动规律气体的电离与激发——载流子的产生气体中离子、电子的漂移与扩散运动——载流子的移动气体放电——载流子的“增多”8§4.1气体中离子与电子的运动规律气体的电离与激发8一.气体的电离与激发——载流子的产生关于“电子－离子对”，请大家思考两个问题：它们如何形成？“电子－离子对”是怎样形成的？如何携带信息－何以胜任“主角”？为什么“电子－离子对”可以作为“信使”，在射线和我们（观察者）之间架起认知的“桥梁”？带电粒子不带电粒子γ，中子射线快电子、重离子、裂变碎片等荷电粒子通过某些反应变成带电粒子：γ：光电效应、康普顿散射、电子对效应中子：俘获、反冲、裂变……仅在低能时考虑对载流子无贡献在探测器的介质中轫致辐射核阻止核外电子弹性碰撞电离与激发形成载流子9一.气体的电离与激发——载流子的产生关于“电子－离子对”，气体中的平均电离能若能量为E0的入射粒子将能量全部损失在气体介质中时，产生的平均电子－离子对数为：平均电离能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。气体w()w(X,)w()I0(eV)He46.00.541.50.429.9+0.524.5Ne35.72.636.20.428.6821.6Ar26.30.126.20.215.8O232.30.131.80.331.5212.5CH429.10.127.30.312.8C2H428.030.0526.30.312.2空气34.980.0533.730.1536.00.4最低电离电位W大约都为～30eV对同种气体，不同种类或能量的带电粒子的平均电离能基本不变。可以据此来测量入射带电粒子的能量。重要特性能量为E0的射线进入探测器灵敏体积损失能量，通过电离产生“电子－离子对”平均电离能W基本为常数电子－离子对的数目N（服从法诺分布）问题2：信息携带者10气体中的平均电离能若能量为E0的入射粒子将能量全部损失在气体二.电子与离子在气体中的运动——载流子的移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，会发生以下物理过程：扩散（Diffusion）电荷转移效应（Chargetransfer）电子吸附（ElectronAttachment）复合（Recombination）1.不存在外加电场的情况分两种情况来看：没有外加电场的情况有外加电场的情况11二.电子与离子在气体中的运动——载流子的移动当不存在外加电(1)扩散(Diffusion)扩散：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的密度梯度12(1)扩散(Diffusion)扩散：在气体中电离粒子的密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：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扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离产生位置信息的确定有一定影响随着时间的推移，将扩散为空间高斯分布平均自由程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(2)电荷转移效应(Chargetransfer)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。后面在讨论G-M管时会用到。14(2)电荷转移效应(Chargetransfer)电荷转(3)电子的吸附和负离子的形成吸附：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(3)电子的吸附和负离子的形成吸附：电子在运动过程中与气体负电性气体：例如O2、H2O的h≈10-4，卤素达h≈10-3非负电性气体：h小(h<10-6)的气体：惰性气体、H2、N2、CH4、多原子分子气体。在与气体分子发生的每次碰撞中，电子都有可能被俘获，这个概率称为该气体的吸附系数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？电子被俘获形成负离子，很容易和正离子发生复合效应，减弱电离的效果，因此是不利的。气体探测器的工作气体应尽量选择吸附系数小的气体。16负电性气体：在与气体分子发生的每次碰撞中，电子都有可能被俘获(4)复合(Recombination)有两个过程：电子与正离子负离子与正离子它们相遇时可能复合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋17(4)复合(Recombination)有两个过程：Rec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（大2～3个量级）。电子和离子的复合系数气体电子复合系数e(cm3/s)离子复合系数i(cm3/s)H25.910111.5106He1.7108N21.4106O22.71071.6106Ar8.8107CO21.6106空气1.5106复合的结果是把许多有用信号给复合掉（载流子减少）使有用的信号减少（幅度降低、统计性变差）因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免18一旦形成了负离子，其运动速度远小于电子电子和离子的复合系数气离子和电子在外加电场中的漂移离子和电子，由于热运动和空间分布不均匀：扩散在外加电场下：沿电场方向发生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”存在外加电场的情况19离子和电子在外加电场中的漂移离子和电子，由于热运动和空间分布对于离子：离子漂移速度离子的迁移率约化场强电场强度气体压强离子的迁移率近似为常数。20对于离子：离子漂移速度离子的迁移率约化场强电场强度气体压强离对于自由电子：电子与气体原子发生弹性碰撞时，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。21对于自由电子：电子与气体原子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很电子的漂移速度与约化场强不成正比，可用函数表示：这个函数关系均由实验测定，一般给出的是实验曲线。ue(cm/s)30%20%10%5.3%2.1%66ppm纯Ar22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(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敏感在单原子分子气体中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。重要特点：电子与离子漂移的区别23(1)电子漂移速度一般为：离子漂移速度一般为：(2)电子的漂三.气体放电——载流子“增多”雪崩(avalanche)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。电离产生的电子（除了δ电子）能量较低，无法再形成电离。当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得能量。随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。弹性碰撞→激发→电离。24三.气体放电——载流子“增多”雪崩(avalanche)电能“触发”雪崩的其它因素要实现雪崩效应，需要具备哪些条件？1.足够强的电场2.自由电子电离产生的电子二次电子发射：雪崩区产生的正离子经过~103s到达器壁，并可能在器壁上打出二次电子。二次电子又可以引起新的雪崩。光子的作用：雪崩形成大量的电离和大量的激发，~106s;伴随着雪崩过程，退激产生大量的光子。光子与气体和器壁作用，打出光电子，~107s；光电子又可以引起新的雪崩。25能“触发”雪崩的其它因素要实现雪崩效应，需要具备哪些条件？1气体放大自持放电：通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。非自持放电：雪崩从产生到结束，只发生一次。26气体放大自持放电：非自持放电：26小结：气体中离子与电子的运动统计性1.没有外加电场2.有外加电场电场强度增大统计性统计性？统计性？or光致电离二次电子发射重带电粒子扩散电子复合吸附离子复合如果电压继续提高，电场强度再增大，会怎样……？雪崩法诺分布27小结：气体中离子与电子的运动统计性1.没有外加电场2.I复合区II饱和区III正比区IV有限正比区VG-M工作区VI连续放电区28IIIIIIIVVVI28§4.1气体中离子与电子的运动规律§4.2电离室的工作机制和输出回路§4.3脉冲电离室§4.4累计电离室§4.5正比计数器§4.6G-M计数管√29§4.1气体中离子与电子的运动规律√29§4.2电离室的工作机制与输出回路电离室的基本结构工作气体输出信号产生的物理过程电离室的输出回路30§4.2电离室的工作机制与输出回路电离室的基本结构30一.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；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。均包括：31一.电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同。高压平板型电离室高压极收集极保护极高压负载电阻外壳绝缘子α射线灵敏体积灵敏体积：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：使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；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。32平板型电离室高压极收集极保护极高压负载电阻外壳绝缘子α射线灵圆柱型电离室33圆柱型电离室33二.工作气体气体压力：从10-1~10大气压。充满电离室内部空间，是电离室的工作介质应选用电子吸附系数小的气体如Ar

加少量多原子分子气体CH4。需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。但也可以是流气的。34二.工作气体气体压力：从10-1~10大气压。充满电离室内三.输出信号产生的物理过程——怎样数清楚N？第一步：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：让我们以气体探测器的简化结构入手：35三.输出信号产生的物理过程——怎样数清楚N？第一步：极板a第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷+e奥-高定律：它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为：-q1、-q2dx并且36第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷+e奥-高定律：它将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+e电荷沿电场向收集极b运动，则上极板a上感应电荷q1减少，下极板b上感应电荷q2增加。37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+(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极板上的感应电荷为-e当+e到达b极板，+e与b极板上的感应电荷-e中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为：38第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外类比考虑：+e→-e，又该当如何？请同学们自行推导过程电子(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：相应在外回路流过电流为i-(t)

，电流方向与i+(t)相同。dxq1和q2的大小分别与正电荷时相同39类比考虑：+e→-e，又该当如何？请同学们自行推导过程电子(这二者什么关系？重要关系：正负电荷“搬运”的电荷——外电路流过电荷量注意：这里有个前提——正负电荷是从同一个点开始运动的。同一点引入正负电荷同一位置的“电子－离子对”，则在外回路流经的电流流过外回路的总电荷量先想想，它成立吗？40这二者什么关系？重要关系：正负电荷“搬运”的电荷——外电路流小结：关于感应电荷与电流(1)只有当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有电流流过，此时i(t)=i+(t)+i–(t)(2)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。(3)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。(4)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；(5)+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。射线电离所产生的任何一个“电子离子对”——+e、e，是来自于同一个中性原子(分子)的，因此，其产生位置当然是同一位置，故前述前提是天然成立的。41小结：关于感应电荷与电流(1)只有当空间电荷在极板间移动时，射线电离所产生的任何一对载流子——“电子－离子对”，在电场作用下完成漂移后，外电路流过的电荷量为：e这个电荷量是与该“电子—离子对”的位置无关的。结论1：射线在探测器灵敏体积内产生N对载流子，它们均在外加电场作用下漂移，这时，外电路流过的电荷量为：Ne这N个“电子离子对”没有必要产生在同一个位置。结论2：测量由Q决定的电压信号幅度，就可以知道N的大小，进而知道射线的能量。这就是气体探测器测量射线时形成信号的基本原理!重要结论：总电流总电量42射线电离所产生的任何一对载流子——“电子－离子对”，在电场作四.电离室的输出回路输出回路：输出信号电流流过的所有回路。43四.电离室的输出回路输出回路：输出信号电流流过的所有回路。4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。44测量仪器总电阻总电容RL：负载电阻；C1：探测器电容；R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45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§4.1气体中离子与电子的运动规律§4.2电离室的工作机制和输出回路§4.3脉冲电离室§4.4累计电离室§4.5正比计数器§4.6G-M计数管√46§4.1气体中离子与电子的运动规律√46§4.3脉冲电离室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、时间等信息。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47§4.3脉冲电离室电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号脉冲电离室的输出信号圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室的性能48脉冲电离室的输出信号48一.脉冲电离室的输出信号电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出量无影响）。1.脉冲电离室的总输出电荷量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。49一.脉冲电离室的输出信号电离室是一个理想的电荷源（其外回路(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。50(1)负载电阻RL=0的情况2.脉冲电离室的输出电流信号下面来计算电流的大小：电源提供功率：电场对电子－正离子对漂移所做功的功率：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51下面来计算电流的大小：电源提供功率：电场对电子－正离子对漂移求解得到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）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b极板的时间；几个重要时刻：t1为开始有电子到达a极板的时间；T–

为电子全部到达a极板的时间；T+

为正离子全部到达b极板的时间。离子和电子的初始数目为：53以平板电离室为例：设离子和电子的漂移速度是常数均匀电场t2外回路的电流54外回路的电流54RL≠0的情况(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。总电阻总电容①电源做的功率W(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)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)55RL≠0的情况(2)负载电阻RL≠0的情况采用一般的具有输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－正离子在电场下漂移所消耗的功率We(t)能量守恒根据能量守恒：56推导过程的物理基础：①电源电动势所做的功率W(t)④①电源功率W(t)②灵敏体积内电子－正离子在电场下漂移所消耗的功率57①电源功率W(t)②灵敏体积内电子－正离子在电场下漂移所消a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)58a极板的电位不再为常数，而为V(t)电容C1的储能为能量变化能量守恒令：59能量守恒令：59(A)由于V(t)<<V0称为电离室的总电流信号。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。结论：60(A)由于V(t)<<V0称为电离室的总电流信号。把电(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61(B)电离室可以用电流源I0(t)和C1并联等效。并可得到3.电离室的输出电压信号解微分方程623.电离室的输出电压信号解微分方程62(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63(1)当时，即全部电子和正6464结论（离子脉冲电离室）在t=T+时，输出电压脉冲幅度

C0越小，h越大。为此须降低C0(C1,C’,C入)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)，这会导致：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，噪声大而非实用65结论（离子脉冲电离室）在t=T+时，输出电压脉冲幅度C(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66(2)当6767结论（电子脉冲电离室）输出脉冲幅度，仅取决于电子漂移在外回路中流过的电荷量。由于，大约是微秒量级，将大大降低电压输出脉冲的宽度，得到快的响应时间。工作于这种状态的电离室称为电子脉冲电离室。？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。68结论（电子脉冲电离室）输出脉冲幅度即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。69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)(3)影响输出信号形状的因素70(3)影响输出信号形状的因素707171关于电离室输出电压信号的一些重要结论(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。(A)电子离子对一旦形成，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。(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103s量级。72关于电离室输出电压信号的一些重要结论(C)电子或正离子漂移脉冲电离室小结：特点与问题？离子脉冲电离室电子脉冲电离室问题？特点R0C0>>T＋，电子和离子信号均对输出电压信号有贡献。T＋>>R0C0>>T－，只有电子信号对输出电压信号有贡献。准确测量入射粒子能量？实现高计数率？高信噪比？如何兼得？73脉冲电离室小结：特点与问题？离子脉冲电离室电子脉冲电离室问题二.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74二.圆柱型电子脉冲电离室和屏栅电离室1.圆柱型电子脉冲设计思想：利用圆柱形电场的特点来减少Q－与入射粒子位置的关系，达到利用“电子脉冲”来测量能量的目的。距中心位置为r的场强电位为沿轴向观察圆柱形电离室电子电压脉冲幅度与r0的关系75设计思想：利用圆柱形电场的特点来减少Q－与入射粒子位置的关系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。为什么？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：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76输出脉冲电荷量输出电压脉冲幅度结论：注意：这种工作状态下2.屏栅电离室（TheGriddedIonChamber）屏栅电离室的构成：负极B、正极A、栅极G、电源和负载电阻。772.屏栅电离室（TheGriddedIonChamb入射粒子在a区产生电子离子对。由于栅极的屏蔽作用，a区的电子离子不会在阳极A上产生感应电荷。电子在b区漂移时，在阳极A上形成感应电荷。Q=Ne结构要求：入射粒子将全部能量损失在a区，即a>R

。78入射粒子在a区产生电子离子对。由于栅极的屏蔽作用，a区的电子屏蔽系数：栅网参数：时滞：上升时间：79屏蔽系数：栅网参数：时滞：上升时间：79三.脉冲电离室输出信号的测量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。80三.脉冲电离室输出信号的测量1）入射带电粒子的数量；2）入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多道分析器单道分析器定标器81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四.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。82四.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能谱（脉冲幅度谱）是怎样形成的？例如：1MeVα粒子形成的能谱。每个α粒子电离产生的离子对数目是随机的，服从法诺分布，因此外电路形成的电压信号的幅度也是涨落的，进而通过多道分析器得到的ADC结果也是一个随机数。1MeVα粒子随机离子对数随机电压幅度ADC结果(随机)电离效应电路成型多道分析被探测到的粒子数编号12100计数(率)道数83能谱（脉冲幅度谱）是怎样形成的？例如：1MeVα粒子形成的能重要定义：能量分辨率半宽度多道测量的脉冲幅度谱能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力84重要定义：能量分辨率半宽度多道测量的脉冲幅度谱能量分辨率反映由关系式：电离室输出脉冲幅度同样服从高斯分布电离过程中的多次碰撞之间并非是完全独立的泊松分布离子对数目服从高斯分布离子对数目服从法诺分布高斯分布85由关系式：电离室输出脉冲幅度同样服从高斯分布电离过程中的多次幅度平均值：标准偏差：相对标准偏差：且有：能量分辨率为：86幅度平均值：标准偏差：相对标准偏差：且有：能量分辨率为：862.脉冲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。饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而使灵敏体积增加复合现象的抑制对扩散的抑制饱和特性曲线V0hV1饱和电压工作高压>饱和电压872.脉冲电离室的饱和特性曲线----脉冲幅度h与电离室工作3.脉冲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，称为坪特性曲线。入射粒子束流强度不变入射粒子的能量不变V0nh1h2h3V1----电离室的计数率与工作电压的关系h1甄别阈不同h2h3三条曲线不同是观察不同？还是实际信号不同？饱和特性与坪特性形状上类似，但意义完全不同。不要混淆。883.脉冲电离室的坪特性曲线当输出脉冲幅度饱和后，计数率不再4.探测效率定义1：绝对探测效率(absolutedetectionefficiency)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。原因：有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量。电离过程是涨落的。对带电粒子定义2：本征探测效率(intrinsicdetectionefficiency)对γ、中子等中性粒子：894.探测效率定义1：绝对探测效率(absolutedet5.时间特性――常用三种指标分辨时间

——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。时滞

——入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的时间差。时间分辨本领——由探测器输出脉冲来确定入射粒子入射时刻的精度。905.时间特性――常用三种指标分辨时间——能分辨开两个相继§4.1气体中离子与电子的运动规律§4.2电离室的工作机制和输出回路§4.3脉冲电离室§4.4累计电离室§4.5正比计数器§4.6G-M计数管√91§4.1气体中离子与电子的运动规律√91§4.4累计电离室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”。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n0(x,y,z)对离子对。则在灵敏体积内单位时间的总离子对数为恒定状态下，输出直流电流信号：92§4.4累计电离室当电离室的输出信号是反映大量入射粒子的平累计电离室的输出信号累计电离室输出信号的涨落累计电离室的主要性能累计电离室的应用93累计电离室的输出信号93一.累计电离室的输出信号输出信号可以是：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，则电流电离室输出的：直流电压信号的平均值电流信号的平均值94一.累计电离室的输出信号输出信号可以是：若单位时间内射入电二.累计电离室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。95二.累计电离室输出信号的涨落假设，每一对离子产生后将立即使这样，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。下面5页自学96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。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：这些离子对的信号经过时间到达t时刻的信号为：自学97用M表示在t以前的与＋间隔内入射粒子流在探测器内产M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。M平均值为：M方差为：这样，M显然是由n及N串级而成的串级型随机变量。自学98M是t以前的与＋间隔内的n个入射粒子分别在探测器M方差为：n遵守泊松分布：N遵守法诺分布：自学99M方差为：n遵守泊松分布：N遵守法诺分布：自学99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：自学100由于而且，不同内产生的M是相互独立的。因此St的平均值下面分析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：自学101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则St的相对均方涨落为：累计信号的相对均方涨落主要决定于入射粒子数的涨落。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。102则St的相对均方涨落为：累计信号的相对均方涨落主要决定于入当近似用宽度为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：输出电流信号平均值：输出电流信号相对均方涨落为：103当近似用宽度为T的矩形脉冲代表一对离子所产生的电流信号f(当RL0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衰减信号：则：104当RL0时，在输出端输出一直流电压信号，一个离子对漂移在输则，输出电压信号平均值为：输出电压信号相对均方涨落为：105则，输出电压信号平均值为：输出电压信号相对均方涨落为：105这样，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106这样，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或强到在离子收集时间T内就有大量粒子入射，即使R0C0=0，I0(t)也反映了大量粒子的平均电离效应。

累计工作状态的物理意义为：这两种情况下，电离室均工作于：累计电离室工作状态入射粒子流强度足够大，以至在R0C0时间内的入射粒子数远大于1；107或强到在离子收集时间T内就有大量粒子入射，即使R0C0小结(脉冲与累计电离室)“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。即输出电流的涨落很小，输出为直流电流信号；

即输出电压的涨落很小，输出为直流电压信号。

108小结(脉冲与累计电离室)“脉冲电离室”与“累计电离室”仅是三.累计电离室的主要性能与脉冲电离室一样具有饱和特性曲线，一般工作于饱和区。1.饱和特性饱和电压：90％放电电压斜率：灵敏体积的增大复合的抑制漏电流……109三.累计电离室的主要性能与脉冲电离室一样具有饱和特性曲线，灵敏度影响灵敏度的因素: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：电离室的结构气体压力和组分入射粒子的类型和能量等110灵敏度影响灵敏度的因素:单位入射粒子流强度引起的电离室输出信3.线性范围只要电离室工作在饱和区，则信号电流与入射粒子流强度一定成正比关系，即线性关系。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)。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。1113.线性范围只要电离室工作在饱和区，则信号电流与入射粒子流高压强度112高压强度1124.响应时间对电流信号，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。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。1134.响应时间对电流信号，其滞后时间将最大为离子收集时间T。5.能量响应一般情况下，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。即灵敏度随入射粒子能量而变化的关系。1145.能量响应一般情况下，希望灵敏度与辐射能量无关，即相同的四.累计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。115四.累计电离室的应用累计电离室的应用比脉冲电离室更为广泛，特第四次课结束116第四次课结束116对低能粒子测量的问题？使用脉冲电离室对低能粒子测量时，由于放大器噪声的存在，信噪比很小，测量难于进行。如果能够对电离信号进行放大，可以提高信噪比，这样就可以对低能粒子（如100keV以下的X射线）进行测量了。正比计数器1MeV的α粒子，若W=30eV，则:117对低能粒子测量的问题？使用脉冲电离室对低能粒子测量时，由于放§4.1气体中离子与电子的运动规律§4.2电离室的工作机制和输出回路§4.3脉冲电离室§4.4累计电离室§4.5正比计数器§4.6G-M计数管√118§4.1气体中离子与电子的运动规律√118§4.5正比计数器利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应进行放大了，使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大。正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。119§4.5正比计数器利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应§4.5正比计数器正比计数器的工作原理正比计数器的输出信号正比计数器的性能正比计数器的应用GEM探测器120§4.5正比计数器正比计数器的工作原理120一.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——存在强电场。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（盘、球亦可）。121一.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：例如：V=1000V,a=0.002cm,b=1cm时，

E(r=0.02cm)=8103V/cm;

E(r=0.005cm)=3.23104V/cm。122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由：在r＝b时场强最小，r＝a时场强最大。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。定义：VT称为正比计数器的起始电压(阈压)123由：在r＝b时场强最小，r＝a时场强最大。对于一个确定的正比当V0>VT

时，仅在r0～a

区间内发生碰撞电离。r0很小，与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。注意：正比计数器输出信号主要由正离子漂移贡献。雪崩区域：a~r0电子漂移过的电位差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。124当V0>VT时，仅在r0～a区间内发生碰撞电离。r碰撞电离只有电子才能实现（离子为什么不行？）当电子到达距丝极一定距离r0之后，通过碰撞电离过程，电子的数目不断增殖，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125碰撞电离只有电子才能实现（离子为什么不行？）当电子到达距丝极TownsendCoefficientα:thefirstTownsendcoefficient均匀电场圆柱形电场，更陡126TownsendCoefficientα:thefir假定：(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。可得到关系(1)发生碰撞电离的截面正比于电子的动能，即当电压足够高，即V0/VT>>1时，127假定：(2)近似认为电子的能量就是电子在两次碰撞间从电场获结论（关于气体放大倍数）(2)A仅与V0，VT有关，与入射粒子的位置无关。(1)lnA∝V0，在半对数座标图上近似为直线。128结论（关于气体放大倍数）(2)A仅与V0，VT有关，与入3.气体放大过程中的光子作用——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紫外光子在阴极打出次电子。次电子可以在电场的加速下发生碰撞电离。这个过程称为光子反馈。1293.气体放大过程中的光子作用——光子反馈在电子与气体分子的定义：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，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对于光子反馈的影响，注意两点：光子反馈很快：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)多原子气体分子的作用：加入少量的多原子分子气体M（CO2,CH4），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lnA∝V0曲线的变化平缓。使发生自持放电的电压更高，以获得更大的正比工作区间131对于光子反馈的影响，注意两点：光子反馈很快：(2)多原子气4.气体放大过程中正离子的作用停止电子倍增过程：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。再次触发电子倍增：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。1324.气体放大过程中正离子的作用停止电子倍增过程：再次触发雪崩放电区域的大小133雪崩放电区域的大小133二.正比计数器的输出信号假定：(1)

A>>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。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。134二.正比计数器的输出信号假定：(1)A>>1。即忽得到总电流：其中仅取决于结构、工作气体及工作电压等。则135得到总电流：其中仅取决于结构、工作气体及工作电压等。则13由于很小，所以电流随时间而迅速下降。136由于很小，所以电流随时间而迅速下降。136电压脉冲信号式中f(t)为仅与R0C0和有关的时间函数与入射粒子的位置无关R0C0高计数率：分辨时间(μs)能量测量回顾一下：电子脉冲电离室、离子脉冲电离室，圆柱形电子电离室、屏栅电离室的特点？与输出回路时间常数的选取有关与粒子入射位置无关137电压脉冲信号式中f(t)为仅与R0C0和有关的时间函数与入结论（输出信号）(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。(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。138结论（输出信号）(1)电流脉冲I(t)的形状一定，与入射粒三.正比计数器的性能1.输出脉冲幅度与能量分辨率输出脉冲幅度：输出脉冲幅度的涨落是一个二级串级型随机变量：实验表明，所以，能量分辨率载流子入射粒子电离产生的离子对碰撞电离产生的离子对139三.正比计数器的性能1.输出脉冲幅度与能量分辨率输出脉冲影响正比计数器能量分辨率的其它因素①阳极丝的均匀性使不同区域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。②负电性气体的存在使一些初级电子消失，影响输出脉冲幅度。③末端效应和室壁效应入射粒子能量未完全损失在灵敏体积。④电子学系统的影响放大器噪声等的影响。140影响正比计数器能量分辨率的其它因素①阳极丝的均匀性使不同2.探测效率和坪特性阈值VthV0增大1412.探测效率和坪特性阈值VthV0增大141连续状脉冲幅度分布及其坪特性阈值VthV0增大142连续状脉冲幅度分布及其坪特性阈值VthV0增大142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。正比计数器的死时间属于可扩展型的。由于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，仍会有其它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。143分辨时间(死时间)主要由输出脉冲的宽度决定。脉冲越宽，正比计数器可扩展的死时间入射事件死时间探测器响应144正比计数器可扩展的死时间入射事件死时间探测器响应144两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率为：实际测量到的计数率为：当：可得到：145两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4.时滞与时间分辨本领时滞初始电子由产生处漂移到阳极附近所需的时间：～微秒量级时间分辨本领由于初始电子产生位置的随机性，因此时滞也具有随机性。从而限制了正比计数器对时间的测量精度，即时间分辨本领。时间分辨本领～微秒量级。1464.时滞与时间分辨本领时滞时间分辨本领146四.正比计数器的应用1.能量测量——正比谱仪入射带电粒子的能量全部损失在正比计数器的灵敏体积内，则输出脉冲的电荷量正比于入射粒子的能量。适于测量低能粒子：例如氚的β能谱(Eβmax=8.9keV)。样品可以以气体形式引入正比计数器内。避免源的自吸收和衬托物的反散射：14C的测量（14CO2）工作介质是气体，阻止本领小，难以确保使高能粒子全部能量损失在灵敏体积中。增加气体压力沿阳极丝方向加一纵向磁场正比谱仪示意图147四.正比计数器的应用1.能量测量——正比谱仪入射带电粒子2.正比计数器在强度测量方面的应用4π正比计数器的结构4π立体角内的发出的一切带电粒子都能在上半或下半部计数器输出信号。可用于对活度的绝对测量，精度可达0.5%1482.正比计数器在强度测量方面的应用4π正比计数器的结构43.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。单丝位置灵敏正比计数器工作原理单丝正比管输出信号等效线路1493.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4.多丝正比室NobelprizetoG.Charpakawardedin1992"forhisinventionanddevelopmentofparticledetectors,inparticularthemultiwireproportionalchamber''

阳极由多根平行的细丝组成，丝距～1mm一组阳极：高阻阳极丝确定X，Y二组正交阳极：低阻阳极丝确定X，Y阴极为两片平行的平板（也可加工为正交的微条）位置灵敏度达到mm量级，分辨时间～μs，计数率>105CPS为粒子物理等作出巨大贡献1504.多丝正比室NobelprizetoG.Char五.GEM探测器GEM：GasElectronMultiplier气体电子倍增器70µm55µmF.Sauli于1997年提出TYPICALGEM:50µmKapton5µmCopper70µmholesat140µmpitch151五.GEM探测器GEM：70µm55µmF.Saul膜的形状、大小，GEM的放大倍数放大倍数可达105152膜的形状、大小，GEM的放大倍数放大倍数可达105152GEM的应用高分辨率的二维信息获取（好于100μm）高的计数率（>106cps/mm2）首先在粒子物理、天体物理实验中得到了应用。最近几年，有人开始研究利用GEM探测器来测量热中子。目前，对这方面的研究还处于初步阶段，关于中子探测介质的选择，充气成分、气压与放大过程之间的关系，信号的读出办法等环节还存在很大的研究空间。153GEM的应用高分辨率的二维信息获取（好于100μm）首先在粒§4.1气体中离子与电子的运动规律§4.2电离室的工作机制和输出回路§4.3脉冲电离室§4.4累计电离室§4.5正比计数器§4.6G-M计数管√154§4.1气体中离子与电子的运动规律√154§4.6G-M计数管G-M计数管是由盖革(Geiger)和米勒(Mueller)1928年发明的一种利用自持放电的气体电离探测器。G-M管的特点:制造简单价格便宜使用方便灵敏度高输出电荷量大（108电子电荷）死时间长仅能用于计数JohannesWilhelmGeiger(1882-1945)155§4.6G-M计数管G-M计数管是由盖革(Geiger)和§4.6G-M计数管非自熄G-M管的工作机制有机自熄管的工作机制卤素自熄管的工作机制自熄G-M管的输出信号自熄G-M管的性能自熄G-M管的结构与典型应用156§4.6G-M计数管非自熄G-M管的工作机制156一.非自熄G-M管的工作机制正离子鞘的形成及自持放电过程由于光子反馈过程的存在，气体放大倍数为：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，157一.非自熄G-M管的工作机制正离子鞘的形成及自持放电过程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。②放电传播：Ar*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”。158G-M管的自持放电过程可以分解为下列环节：①初始电离及碰撞过程之一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。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。④正离子在阴极表面的电荷中和过程（离子反馈）：距阴极5×10-8cm以前过程之二159过程之一这些过程均发生在第一次正离子漂移快结束时;③正离子怎样实现自熄？Externalquenching：改变工作高压在脉冲产生后，降低工作高压，使倍增条件不具备，持续时间应该包括：离子由正离子鞘漂移到阴极的时间：～几百μs阴极产生的自由电子运动到阳极的时间：～μsInternalquenching：增加猝熄气体有机自熄G-M管卤素自熄G-M管例如：可以在外电路选用一个大的电阻(R～108Ω)时间常数：～ms，满足自熄要求但也需要几个ms来使阳极恢复到正常工作状态：低计数率160怎样实现自熄？Externalquenching：改变工作二.有机自熄管的工作机制在工作气体中加入少量有机气体M(多原子分子气体，又称猝熄气体)，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。什么是有机自熄管？161二.有机自熄管的工作机制在工作气体中加入少量有机气体M(多有机分子起了什么作用？阻断光子反馈：有机分子气体M能够强烈吸收Ar*发出的紫外光形成M*这使得Ar*发出的紫外光打不到阴极上，从而阻断了光子反馈过程；有机分子能够阻断反馈过程！阻断离子反馈：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，阻断了离子反馈过程。162有机分子起了什么作用？阻断光子反馈：有机分子能够阻断反馈过程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：Ar*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。163有机管的工作机制可归纳为：①初始电离及碰撞电离过程：电子放电的传播过程164放电的传播过程164ratioofdoubletosinglepulses165ratioofdoubletosinglepuls③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。酒精的电离电位：例如：Ar的电离电位：Ar的激发态能级：166③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④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。167④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有机管的问题是什么？有机气体具有丰富的激发能级将发生大量有机分子的分解1.工作电压较高：2.寿命较短：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一般为107～108计数。分解产物增加有机管工作过程中有机管失效使初始充入的有机分子数目变少管内气压逐渐增大168有机管的问题是什么？有机气体具有丰富的激发能级将发生大量有机三.卤素自熄管的工作机制工作气体组成：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)（1947，Liebson，Br2,Cl2，可以自熄）什么是卤素自熄管？氟、氯：化学性质太活泼碘：蒸汽压太低微量Br2：过多则不能实现低阈压Ne的电离能Ne的亚稳态能量Ne的第一激发态能量Br2的电离能在纯Ne中，雪崩不易实现，需很高电压！微量亚稳态易于形成：形成之前很少因非弹性碰撞损失能量；可在多个自由程内实现，低阈压电离雪崩，电子潮第一类非弹性碰撞第二类非弹性碰撞169三.卤素自熄管的工作机制工作气体组成：氖气(Ne)为主要工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Ne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。170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②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Br2+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Br2+④Br