核辐射探测第二章

核辐射探测第二章第1页，课件共158页，创作于2023年2月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。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。第2页，课件共158页，创作于2023年2月第二章

气体探测器Gas－filledDetector第3页，课件共158页，创作于2023年2月气体探测器气体探测器均以气体作为探测介质。具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优点，有广泛的应用。20世纪70年代以来，气体探测器有很大发展，在高能物理和重离子物理实验中获得新的应用，并广泛应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。第4页，课件共158页，创作于2023年2月2.1关键词总电离，原电离，次电离平均电离能（功）电子与离子在气体中的运动收集的离子对数与外加电压的关系第5页，课件共158页，创作于2023年2月电离损失——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。

2.1气体中离子与电子的运动规律1、气体的电离与激发入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离的离子对称称为次电离。总电离=原电离+次电离第6页，课件共158页，创作于2023年2月

电离能W：带电粒子在气体中产生一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.NumberofIonPairsFormed第7页，课件共158页，创作于2023年2月几种气体的平均电离能和最低电离电位注意:单位(eV)第8页，课件共158页，创作于2023年2月例:210Po的α粒子能量为5.3MeV,在空气中的射程为3.8cm,求其总在空气中的总电离为多少?解:结论:通过总电离的测量可以确定待测粒子能量的依据.第9页，课件共158页，创作于2023年2月B.TheFanoFactor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

过去实验测量不同气体的法诺因子介于1/3～1/2之间，但目前实际可以做到不大于0.2。第10页，课件共158页，创作于2023年2月上述两过程均在10-9秒内完成。

C.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。第11页，课件共158页，创作于2023年2月2、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：Diffusion；

ElectronAttachment；

Recombination；第12页，课件共158页，创作于2023年2月A.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。

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。第13页，课件共158页，创作于2023年2月B.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-Negativeion第14页，课件共158页，创作于2023年2月例如O2、H2O，的，卤素达

每次碰撞中被电子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。第15页，课件共158页，创作于2023年2月C.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-＋—＋第16页，课件共158页，创作于2023年2月

为复合系数

复合的结果是把许多有用信号给复合掉，使有用的信号减少。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。第17页，课件共158页，创作于2023年2月D.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”。第18页，课件共158页，创作于2023年2月对于正离子：在存在电场的情况下，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第19页，课件共158页，创作于2023年2月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。第20页，课件共158页，创作于2023年2月对于自由电子：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。第21页，课件共158页，创作于2023年2月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。第22页，课件共158页，创作于2023年2月(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（如卤素）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：第23页，课件共158页，创作于2023年2月电子在气体中的漂移速度第24页，课件共158页，创作于2023年2月E、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。第25页，课件共158页，创作于2023年2月3．当存在强电场的情况下气体放电A、雪崩

电子在气体中的电离碰撞过程。

发生雪崩的阈值电场：ET~106V/m。第26页，课件共158页，创作于2023年2月B、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。第27页，课件共158页，创作于2023年2月I:复合区II:饱和区III:正比区IV:

有限正比区V:G-M工作区VI:

连续放电区第28页，课件共158页，创作于2023年2月2.2电离室（ionchamber）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,又分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室.

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。第29页，课件共158页，创作于2023年2月1、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。第30页，课件共158页，创作于2023年2月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第31页，课件共158页，创作于2023年2月圆柱型电离室第32页，课件共158页，创作于2023年2月灵敏体积：

由通过收集级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。第33页，课件共158页，创作于2023年2月

气体压力：从10-1~10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。第34页，课件共158页，创作于2023年2月第一步：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。第35页，课件共158页，创作于2023年2月第二步：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：第36页，课件共158页，创作于2023年2月

即正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生的感应电荷多。

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：当电荷沿电场向收集极运动，则上极板a上感应电荷

减少，下极板b上感应电荷

增加。且第37页，课件共158页，创作于2023年2月

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：第38页，课件共158页，创作于2023年2月第四步：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？第39页，课件共158页，创作于2023年2月作业：1、设一由二平行金属板构成的电极系统，极间距离2cm，内充氩气1.5大气压，二极板上加了1000伏的电位差。问正离子由正极表面漂移到负极表面所需时间为何？2、气体探测器两端收集到的离子对数和两端外加电压存在一定的关系，具体分为哪几个区？第40页，课件共158页，创作于2023年2月

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：第41页，课件共158页，创作于2023年2月如果在电场中同一点引入一负电荷，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。第42页，课件共158页，创作于2023年2月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-

=e第43页，课件共158页，创作于2023年2月(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)，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。第44页，课件共158页，创作于2023年2月(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：第45页，课件共158页，创作于2023年2月

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。2.3脉冲电离室

以下讨论假设入射离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。

第46页，课件共158页，创作于2023年2月

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个离子对并全部为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。第47页，课件共158页，创作于2023年2月(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。第48页，课件共158页，创作于2023年2月下面来计算电流的大小：电源提供功率：电场对电子－正离子对漂移所做的功：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。

能量守恒第49页，课件共158页，创作于2023年2月求解得到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）第50页，课件共158页，创作于2023年2月以平板电离室为例，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：第51页，课件共158页，创作于2023年2月第52页，课件共158页，创作于2023年2月

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：脉冲电离室的输出回路④

线路的杂散电容C′。第53页，课件共158页，创作于2023年2月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。第54页，课件共158页，创作于2023年2月(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)

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)第55页，课件共158页，创作于2023年2月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：第56页，课件共158页，创作于2023年2月①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第57页，课件共158页，创作于2023年2月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)第58页，课件共158页，创作于2023年2月能量守恒令：第59页，课件共158页，创作于2023年2月(A)由于V(t)<<V0为电离室的本征电流。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：第60页，课件共158页，创作于2023年2月作业1、计算出如图所示电离室中在(a)、(b)、(c)三处产生的一对离子因漂移而产生的I+(t)、I-(t)、Q+(t)、Q-(t)以及、分别为何？（假定所加电压使电子漂移速度为105cm/s，正离子漂移速度为103cm/s,d=2cm）。dabcdabcdabcdabc第61页，课件共158页，创作于2023年2月3)

脉冲电离室的输出电压信号输出回路对电压脉冲的影响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第62页，课件共158页，创作于2023年2月解微分方程：第63页，课件共158页，创作于2023年2月(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+时第64页，课件共158页，创作于2023年2月第65页，课件共158页，创作于2023年2月A、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，噪声大而非实用。结论：第66页，课件共158页，创作于2023年2月(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－时第67页，课件共158页，创作于2023年2月第68页，课件共158页，创作于2023年2月A、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。B、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。结论：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。第69页，课件共158页，创作于2023年2月即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。第70页，课件共158页，创作于2023年2月(3)影响输出信号形状的因素第71页，课件共158页，创作于2023年2月第72页，课件共158页，创作于2023年2月(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，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。第73页，课件共158页，创作于2023年2月

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，噪声大而非实用。

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。第74页，课件共158页，创作于2023年2月2、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第75页，课件共158页，创作于2023年2月

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：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第76页，课件共158页，创作于2023年2月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第77页，课件共158页，创作于2023年2月3)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。第78页，课件共158页，创作于2023年2月(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

，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；在输出回路上输出电压脉冲信号：(2)信号时滞第79页，课件共158页，创作于2023年2月4）裂变电离室它是一种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。裂变物质涂覆在电离室极板表面。核裂变碎片在气体中强烈地产生电离，使电离室输出较大的脉冲幅度信号。常用来控制反应堆的启动。第80页，课件共158页，创作于2023年2月作业1、设在平行板电离室中α粒子的径迹如图所示,径迹长度为L,假设沿径迹各处的单位路程上产生的离子对数N相等,且电子的漂移速度W-,试求电子的电流脉冲。（假设α粒子产生的径迹是在瞬间完成的。）2、p142-23、离子脉冲电离室与电子脉冲电离室的主要差别是什么？4、预习脉冲电离室的能量分辨率、电流电离室、正比计数器。第81页，课件共158页，创作于2023年2月3、脉冲电离室输出信号的测量（讨论电离室工作区域）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。(讨论N0→脉冲个数)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。第82页，课件共158页，创作于2023年2月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耐高压隔直电容C第83页，课件共158页，创作于2023年2月4、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。第84页，课件共158页，创作于2023年2月

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第85页，课件共158页，创作于2023年2月能量分辨率：半高宽度多道测量的脉冲幅度谱：(结合课本66)

能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。E1E2E2E1E2E1E1E2E3E1>

E2>E3第86页，课件共158页，创作于2023年2月幅度平均值：标准偏差：相对标准偏差：且有：能量分辨率为：第87页，课件共158页，创作于2023年2月(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)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。(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第88页，课件共158页，创作于2023年2月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。V0hV1饱和电压N电离室一定要工作在饱和区N0第89页，课件共158页，创作于2023年2月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。在入射粒子束流不变的情况下：V0n脉冲幅度甄别阈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探测器源第90页，课件共158页，创作于2023年2月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。γ粒子等中性粒子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。对带电粒子探测器源第91页，课件共158页，创作于2023年2月

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。则在灵敏体积内单位时间的总离子对数为2.4 累计电离室第92页，课件共158页，创作于2023年2月1、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)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：输出直流电压信号第93页，课件共158页，创作于2023年2月

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：第94页，课件共158页，创作于2023年2月2)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一定成正比关系，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。第95页，课件共158页，创作于2023年2月第96页，课件共158页，创作于2023年2月3)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。T就是累计电离室电流信号的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。。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。第97页，课件共158页，创作于2023年2月3、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。第98页，课件共158页，创作于2023年2月电流电离室的应用（1）测量γ（或x射线）的照射量（2）测量吸收剂量（3）测量放射性气体第99页，课件共158页，创作于2023年2月作业：P142-1有一累计电离室，每秒有104个粒子射入其灵敏体积并将全部能量损耗于其中。已知MeV，电离室内充的纯氩气，试求出累计电离室输出的平均电流？有一充氩之电离室(F=0.2)。试计算用它来测定5MeV之能量时，所能达到的最佳分辨率。第100页，课件共158页，创作于2023年2月2.5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。第101页，课件共158页，创作于2023年2月1、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。第102页，课件共158页，创作于2023年2月

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＝25

m，b＝1cm时，在r＝0.02cm=200

m处，电场强度相当于临界场强ET。第103页，课件共158页，创作于2023年2月由：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).第104页，课件共158页，创作于2023年2月

当V0>VT

时，仅在r0～a

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。第105页，课件共158页，创作于2023年2月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：第106页，课件共158页，创作于2023年2月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，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。第107页，课件共158页，创作于2023年2月定义：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，第108页，课件共158页，创作于2023年2月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。第109页，课件共158页，创作于2023年2月4).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。第110页，课件共158页，创作于2023年2月气体放大过程中的正离子的“负作用”多次雪崩的脉冲波形示意图第111页，课件共158页，创作于2023年2月2、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。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。第112页，课件共158页，创作于2023年2月得到本征电流：由于：则：其中，仅取决于结构、工作气体及工作电压等。第113页，课件共158页，创作于2023年2月由于

很小，所以电流随时间而迅速下降。第114页，课件共158页，创作于2023年2月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，与入射粒子的位置无关。第115页，课件共158页，创作于2023年2月输出脉冲

收集极上的感应的脉冲信号幅度V是原初电离感生应脉冲幅度的M倍。A：气体放大倍数N0：原初电离对数C：电容－：负极性脉冲优点：脉冲幅度较大，比电离室大102－104倍；灵敏度高，适合于探测低能电子和X射线；脉冲幅度几乎与原初电离位置无关。所以，既能用于粒子计数器又能做能谱测量。第116页，课件共158页，创作于2023年2月(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。第117页，课件共158页，创作于2023年2月输出回路对脉冲的影响：正比计数器的脉冲波形：0～t1阶段初电离的贡献

t1～t2阶段主要电子被收集的阶段,幅度上升主要是电子的贡献t2～t3阶段主要是正离子的贡献,幅度上升的越来越慢,t3～∞阶段达到了饱和幅度阶段

t1/2≈(a/b)t3第118页，课件共158页，创作于2023年2月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：3、正比计数器的性能实验表明，所以，能量分辨率

第119页，课件共158页，创作于2023年2月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。放大器噪声等的影响。第120页，课件共158页，创作于2023年2月2）计数曲线和坪特性计数曲线：在放射源固定（能量单一，强度一定）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。第121页，课件共158页，创作于2023年2月2)

探测效率和坪特性第122页，课件共158页，创作于2023年2月第123页，课件共158页，创作于2023年2月3）、寿命寿命有两种。

1、计数寿命——计数管变坏所累计的计数数目。

2、自然寿命（搁置寿命）——管子制成后性能变坏所放置的时间。第124页，课件共158页，创作于2023年2月4、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。第125页，课件共158页，创作于2023年2月3）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。4）多丝正比室和漂移室

多丝正比室的阴极为平板，阳极由平行的细丝组成多路正比计数器。位置灵敏度达到mm量级，为粒子物理等作出巨大贡献，于1992年获诺贝尔物理奖。

漂移室由快探测器确定入射时刻，由正比丝确定漂移时间，位置灵敏度可达0.1mm。第126页，课件共158页，创作于2023年2月第127页，课件共158页，创作于2023年2月G-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。2.6 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，仅能用于计数。不能鉴别粒子的类型和能量。第128页，课件共158页，创作于2023年2月1、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。第129页，课件共158页，创作于2023年2月但在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。第130页，课件共158页，创作于2023年2月②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。这放电过程很短，仅微秒量级。

在放电过程中电子很快被阳极收集，该过程形成“电子电流”。放电终止时，电子完全被收集，“电子电流”消失。③放电结束后，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。

第131页，课件共158页，创作于2023年2月④正离子在阴极表面的电荷中和过程(离子反馈)(10-4s）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。第132页，课件共158页，创作于2023年2月2)有机自熄G-M计数管(1937年)

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。第133页，课件共158页，创作于2023年2月

有机分子气体M能够强烈吸收Ar*发出的紫外光形成M*，使Ar*发出的紫外光打不到阴极上而阻断了光子反馈过程；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，阻断了离子反馈过程。第134页，课件共158页，创作于2023年2月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。放电贴着阳极丝向两端传播，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。第135页，课件共158页，创作于2023年2月③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,

发生电荷交换过程的先决条件是惰性气体的电离能要比有机分子的大。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； 酒精的电离电位第136页，课件共158页，创作于2023年2月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。第137页，课件共158页，创作于2023年2月有机管存在的问题：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。第138页，课件共158页，创作于2023年2月3)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。第139页，课件共158页，创作于2023年2月3)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。第140页，课件共158页，创作于2023年2月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。第141页，课件共158页，创作于2023年2月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。第142页，课件共158页，创作于2023年2月卤素管的特点：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