南华大学《核辐射探测学》教学课件 第二章 气体探测器

第二章 气体探测器,常用的气体探测器有电离室、正比计数管和盖革弥勒(GM)计数管。火花室和流光室主要用于高能物理。气体探测器是内部充有气体(称为探测介质)，两个电极之间加有工作电压的小室。,入射带粒子进入探测器后与气体相互作用，使气体原子或分子电离或激发。在入射带电粒子的路径上形成大量的离子对(电子和正离子)。所以首先讨论在气体中电离产生的电和正离子的运动规律。,第一节 气体中电子和离子对的运动规律,一气体的电离： 入射带电粒子进入气体探测器后可以直接使气体原子或分子电离，电离产生的电子也可能会使气体,电离。若入射带电粒子在气体中产生一个离子对所需能量为(称为平均电离能)，而探测器的气体空间又大于入射带电粒子的射程，则入射带电粒子的能量E0全部损失到气体探测器中， 产生的离子对(初电离)为；,(2.1),对于纯化学混合气体(一般是单原子分子气体和多原子分气体混合)，平均电离能可用下式计算：,(2.2),对于一束能量相同的带电粒子，由于每个带电粒子在探测介质中碰撞次数不同，每次碰撞损失的能量不同，所以总电离会有统计涨落，涨落的大小用方差2表示，即,(2.3),式中F1为法诺因子(可查表得到)。,二电子和离子在气体中的运动 电离产生的电子和正离子从入射带电粒子得到动能，在气体中运动，除了由于和作热运动的气体分子碰撞而作杂乱无章的运动外，还可以在外电场的作用下沿电场方向作漂移运动和由密度大的地方向密度小的地方作扩散运动。,电子和正离子在运动过程中相遇会发生复合，电与气体分子碰撞还可能被气体分子俘获而形成负离子。,1漂移 (1)离子漂移 漂移速度,式中 约为103cm/s 为迁移率，是离子运动的特征量 之一，可查表得到，在很大的/P 范围内，为常数。 0平均自由程 u杂乱运动平均速度 电场强度 P气体压力 /P约化场强,(2)电子漂移 电子的漂移速度约为106cm/s量级。,电子在气体中，一方面不断和气体分子碰撞而损失能量，弹性碰撞时，一次碰撞损失能量较小(最大为 M为气体分子质量)，另一方面电子还不断地从电场获得能量，当损失能量等于获得能量时，漂移速度不再变化，这时电子的平均能量为：,(2.4),式中，ue电子在电场中的运动速度(包括漂移运动 和热运动。 热运动能量。 k波尔兹曼常数。 T气体的绝对温度。 电子温度，它是电子在、有电场时与无 电场时(绝热运动)动量之比。,2扩散 在入射带电粒子在气体中产生的电子和离子对(称为电离粒子)的密度是不均匀的，电子和正离子从密度大的地方向密度小的地方扩散的扩散系数为,(2.5),式中：电离粒子杂乱运动速度 电离粒子杂乱运动平均自由程 单位时间内通过空间某一点一单位面积的电离粒子流 正比于粒子的密度梯度：,(2.6),式中负号表示粒子流方向与密度梯度方向相反。,若粒子漂移的平均距离为S，扩散的平均距离为SD，在室温下有,(2.7),式中V为漂移路程两端的电位差。实际上希望扩散的影响小一些，显然工作电压高些，而且在单原子分子气体中加入少量多原子分子气体可以降低扩散影响。,电子在一次碰撞中被吸附的概率称为吸咐系数，用h表示。h10-5的气体称为负电性气体，如O2，水蒸汽和卤素气体。而惰性气体和N2、CH4、H2等的吸附系数 。吸效效应可以使电离电子减少，且形成负离子，,3电子吸附负离子形成和复合 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而形成负离子的现象称为电子吸附。,负离子由于速度慢又容易和正离子复合。吸附和复合都影响探测器的性能。因此探测器应使用h值小的气体作探测介质。在单原子分子气体中添加少量的多原子分子气体能使电子表漂移速度加快并减少电吸附。,(2.8),式中n- 电子或负离子的密度 n+正离子的密度 复合系数 正负离子由于相对运动速度慢，故离子复合系数大，电子与正离相对运动速度快，电子复合系数小。,所谓复合是指电子与正离子相遇而复合成中性原子(称为电子复合)或负离子与正离子相遇会复合成中性分子(称为离子复合)。单位体积单位时间内的复合数(称为复合率)为：,三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。为了有效收集电荷，采用在气体探测器的两极上加电压形成电场，使电子和正离子在电场作用下向两极漂移而被电极收集。,设入射带电粒子在探测器的灵敏体积(两极间的有效空间)内形成N0个离子对(初电离)，收集的离子对数N与外加电压V的关系如下图所示。,图中曲线分为五段或5个区。在第I区(称为复合区),N随着V的加大而增加，这是因为电离粒子的漂移速度慢，复合效应还起限大的作用，但随着的增大复合逐渐减小，逐渐增加，但N0；当增加到a时，复合效应消失，这就进入了饱合区。在饱合区，初电离可全部被收集，收集的电荷饱和值为 。在饱和区，再继续增加V，不再变化。只与入射粒子的能量和探测介质的种类有关。电离室工作在饱和区。,当V增加到使电子获得较大能量，电子也能使气体电离(即产生次电离)时，NN0,收集的电荷Q=N0eQ0=N0e 这种现象叫做气体放大。 ，M称做气体放大倍数。若V增大，M变大，N与N0保持正比关系N=MN0，这就是第IIIa区(称做正比区）。正比计数管就工作在正比区。,次级离子对数的增加并不是无止境的，继续增大V，当电场强度大到一定程度时，产生的大量离子对中的正离,子由于漂移很慢，滞留在探测器内，形成空间电荷，它们产生的电场会抵消部分外加电场，使气体放大倍数相对减小，限制了次电离，这就是空间电荷效应。显然，初电离越大，空间效应越强，这时气体放大倍数就不是恒定的，而与初电离有关，这就是第IIIb区，称为有限正比区。,再继续增加V，离子对数倍增更加剧烈，到空间电荷足以把探测器的电场降低到倍增过程自抑制，收集的离子对数N是一个常数，只要初电离离子对N01就能起到“点火”作用，每次放电后必须猝灭才能作为探测器，这就是盖革弥勒区，简称GM区，是GM计数管工作区。,当V再继续增加到达连续放电区，就有光产生，这就是高能物理中应用的探测器流光室、火花室工作区。,一电离室的结构和分类 电离室由于处于不同电位的两个电极(阴极和阳极，阳极又叫收集极)和保护环组成。它们之间相互绝缘，密封在一个小室中，小充有工作气体。两电极间的空间称为灵敏体积，保护环与收集极同电位，其作用是使收集极边缘的电场保持均匀。常用的结构型式是平行 板型和圆柱型。,电离室种类按工作方式可分为： 电流电离室 脉冲电离室 累计电离室,第二节 电离室,脉冲电离室记录单个核辐射粒子，即一个带电粒子在探测器产生一个电脉冲。脉冲电离室主要用于测时重带电粒子和强度测量。脉冲电离室按输出电路,的RC时间常数又可分为： 电子脉冲电离室 离子脉冲电离室,1输出脉冲形成的物理过程(以平行板电离室为例) 假设两电极板间电场足够高，复合可以忽略，且RCT+(T+正离子收集时间)。加负高压，收集板到地的电容为C(C=C+C0,C为A到地的分布电容，C0平行板间电容)。,电流电离室记录单位时间内大量入射粒子产生的平均电离电流，探测器输出的是直流电流。,累计室记录一段时间内大量入射粒子产生的累计电荷。,电流电离室和累计电离室主要用于测量X、n的强度或通量密度、剂量或剂量率 。,二脉冲电离室,2.2平行板电离室示意图(a),(a)当t=0时，有一个带电粒子在x=x0 处进入电离室并产生离子对数N0。 在离子对刚形成时，电子和正离子相距很近 (同时产成)，它们在两极板上感应的电荷符号相反，数目相等。 B点电位无变化。,没有核辐射粒子入射到电离室时。B点电位方地电位，电压V0在两极板间。,V(t),(b)在电场作用下，t=t1时，电子和正离子很快向两极漂移。正离子向K漂移，e向A漂移。,在A极外侧有相应的感应负电荷积累在电容C上。这时开始形成脉冲，并且随着电子的漂移C上积累的电荷在增加。故脉冲在上升。当电子到达A极时，与它感应的电荷中和。,(c)t=t2时,电子到达A极，与感应的正电荷中和，但这时正离子还在漂移，正离子越来离K极越近，在K上感应的负电荷通过外回路流到C上。,(3)当t=t3时，正离子到达K极。正离子在A极上感应电荷=0，在K极上感应的电荷在C上积累的电荷达到最大值。,(2.9),2脉冲表达式和脉冲幅度,假设RCT+ C上积累的电荷在积累过程中无释放。在 t时刻产生的电压脉冲为：,(2.10),可以证明，在距离A板处X处时，电荷Q0=N0 e在A极上感生并积累在C上的电荷为：,C上积累的负电荷还在增加，脉冲还在上升。,(2.11),式中：V(x)为电离室内距离A极x处的电位。 t=0时，在x=x0处产生N0个离子对 即电子电荷 正离子电荷,t=t时，电子漂移到 正离子漂移到,这时在A板上感生并在C上积累的电荷数为,电压脉冲为：,(2.12),(2.13),若两电极板间距离d极板的线度，且RL又充分地大，则电离室可看作一个平行板电容器。板间电场强度为：,均匀分布,(2.14),当 时，(电子收集时间) 电子和正离子都在漂移，对输出脉冲都有贡献。这时,代入上式得,显然V(t)随着t而上升。 当 时，,(2.15),(2.16),V(t)随着t而V(t),电子到达A极 正离子还在漂移,当 时，正离子漂移到K极,(2.17),当tT+时 V(t)随t而按RC衰减常数指数衰减：,(2.18),脉冲后沿,图2.3平行板电离室 的电压脉冲,同理，对于圆柱形电离室，若阳极半径为a,阴极半径为b也可以把它看作电容器。则距离中心阳极A半径为r处的电场强度为：,(2.18),a,r,A(-),K(-),距离中心阳极r半径处的电位U(r)为,(2.19),当入射带电粒子在r=r0半径处产生N0个离子对，则 当t=t时，,当 时，电子和正离子都在漂移,(2.20),当 时，,r+a,(2.21),显然t,r+ , V(t)上升。 当 时，r+=b,r-=a 电子和正离子都被收集。,(2.22),当tT+时，V(t)=Vmaxe-t/RC,结论：以上讲的是脉冲电离室输出的电压脉冲 (1)入射粒子在探测器灵敏体积内产生的离子在外电场作用下向两极漂移，使两极上感应电荷的变化机时形成脉冲，且电子和正离子开始漂移就开始开成脉冲。当电子和正离子都被收集后脉冲达到最大值 。不能认为是收集到电极上才开始形成脉冲。,(2)脉冲前沿决定于探测器内的电场强度、电离开始产成的位置(r0,x0);后沿决定于输出电路的RC时间常数(V(t)=Vmaxe-t/RC)。 一般e106cms-1，+103cms-1。 对于几cm尺寸的电离室。T-为s量级，T+为ms量级。,(4)脉冲幅度比较小 例如C=20pf的空气电离室，探测5.3Mev的电离室尺寸R 则,3常用的几种脉冲电离室 (1)离子脉冲电离室输出脉冲主要是离子漂移的贡献 工作条件：RCT+ 输出脉冲：,tT+ 即后沿按 规律下降,显然电子漂移和正离子漂移对脉冲的贡献不一样。,(3)要使V(t)能达到Vmax，则电子和正离子必须全部被收集到电极上。即必须使RCT+。,应用：,缺点：脉冲较宽，约10-3s量级 限制计数速度即限制了所没源强,一般n10-3cps，且用低频(20Hz)的放大器。噪声干扰会造成假计数，并影响能量分辨率。,(2)电子脉冲电离室输出脉冲主要是电子漂移的贡献 工作条件： tmax=T-,平行板电离室,圆柱形电离室,tT-后，按 规律下降 tmax较小 RC较小 脉冲较窄(与RC同量能) 缺点： 与X0(或r0)有关，而X