第三章氣體探測(cè)器.

1、第三章氣體探測(cè)器氣體探測(cè)器是核科學(xué)技術(shù)中最早使用的探測(cè)器之一，它在早期的核物理發(fā)展中起了很大作用，由于其它探測(cè)器的發(fā)展如半導(dǎo)體探測(cè)器等，因而近二十年來氣體探測(cè)器特別是測(cè)量帶電粒子能量進(jìn)行能譜分析的探測(cè)器，如離子脈沖電離室， 基本已被半導(dǎo)體探測(cè)器所替代，但由于它具有結(jié)構(gòu)簡單， 使用方便，可制備成各種各樣較大型的電離室，因此在工業(yè)上的應(yīng)用如料位計(jì)，核子秤、厚度計(jì)等等，仍得到廣泛應(yīng)用。而有的氣體探測(cè)器，如氣體閃爍正比計(jì) 數(shù)器(GSPC還有新的發(fā)展，用于安裝在火箭和人造衛(wèi)星上用來探測(cè)宇宙X射線。另外還可應(yīng)用于穆斯堡爾譜儀、 熒光X射線譜儀測(cè)量元素特征 X射線，環(huán)境放射性測(cè)量，核醫(yī)學(xué)等方 面的應(yīng)用。此外

2、，球形電離室、重離子電離室等新產(chǎn)品相繼研制成功，倍受人們重視。氣體探測(cè)器種類很多，這在第1章第2節(jié)核輻射探測(cè)器的發(fā)展中已經(jīng)作了詳細(xì)的介紹，本章節(jié)主要介紹氣體探測(cè)器的基本原理和目前仍在廣泛應(yīng)用的三種氣體探測(cè)器：電離室、正比計(jì)算管、GM計(jì)數(shù)管的特點(diǎn)、性能及應(yīng)用。3.1 基本原理1、氣體的電離氣體探測(cè)器是內(nèi)部充有氣體， 兩極加有一定電壓的小室， 根據(jù)不同的氣體探測(cè)器這加有 一定電壓的小室其形狀結(jié)構(gòu)有較大差別。入射帶電粒子通過氣體時(shí)， 使氣體分子電離或激發(fā)， 在通過的路徑上生成大量的離子對(duì) 電子和正離子。入射粒子直接產(chǎn)生的電離叫做初電離或直接電離。電離后產(chǎn)生的電子和 正離子叫做次級(jí)粒子， 如果它們具有

3、的能量較大， 足以使氣體產(chǎn)生電離， 這種電離叫做次電 離。電子只要有很小的能量就能產(chǎn)生電離。所以引起次電離的主要是電子。通常把能夠引起次電離的初電離電子叫“:.”電子。帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一對(duì)離子， 所需的平均能量稱平均電離能， 以3表示。若能量為 Eo的入射粒子在氣體中總共產(chǎn)生了 NO對(duì)離子對(duì)，則產(chǎn)生一對(duì)電子正離子所需的平均能量 (電 離能)為：EcNc對(duì)混合氣體平均電離能乙RZjPjj ZiR ZjPj3i, P , Z ; 3j, Fj, Z分別為第i和j種氣體粒子的平均電離能、分氣壓和有效原子序數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于不同能量的同種粒子，或不同類的粒子在同一種氣體中的電離，其粒子電離能都很相

4、似，大多在 30eV左右，大于原子的電離電位一倍左右。這是因?yàn)橐徊糠帜芰?消耗僅使氣體分子激發(fā)而沒有產(chǎn)生電離的緣故。在電離碰撞中被激發(fā)的原子，受激原子有三種可能的退激方式：(1) 輻射光子。發(fā)射波長接近紫外光的光子，這些光子可能在周圍介質(zhì)中打出光電子 或被某些氣體分子吸收而使分子離解。(2) 發(fā)射俄歇電子，原子退激的能量直接轉(zhuǎn)移給自身的內(nèi)層電子，使電子脫出，這種電子稱為俄歇電子。內(nèi)層電子的空位在很短時(shí)間內(nèi)(10-13S)被外層電子所填充，在填充過程中發(fā)射X射線。(3) 亞穩(wěn)態(tài)原子，以上兩種輻射方式受激后，在10-9S內(nèi)完成，但某些受激原子處于禁戒的激發(fā)態(tài)，不能自發(fā)地退回基態(tài)， 只有當(dāng)它與其它粒

5、子發(fā)生非彈性碰撞才能退激，這種原子的壽命較長，一般約為 10-410-2S,稱為亞穩(wěn)態(tài)原子。2、電離生成的電子和正離子在氣體中的運(yùn)動(dòng)電離產(chǎn)生的電子和正離子從入射粒子俘獲動(dòng)能，它們?cè)跉怏w中運(yùn)行并和氣體分子碰撞， 其結(jié)果會(huì)發(fā)生如下的物理過程。(1) 擴(kuò)散在氣體中電離粒子的密度是不均勻的， 電離處密度大。電子和正離子從密度大的地方移 向密度小的地方，這種現(xiàn)象叫擴(kuò)散，由氣體動(dòng)力學(xué)可知道，若電離粒子的速度遵循麥克斯韋 分布，則擴(kuò)散系數(shù) D與電離粒子的雜亂運(yùn)動(dòng)速度 U之間的關(guān)系為：1D,入為平均自由程，即連接兩次碰撞之間所經(jīng)過的路程的平均值，溫度越低，3氣壓越高，擴(kuò)散進(jìn)行得越慢。電子的質(zhì)量小，所以它的V比

6、正離子的大，電子的平均自由程比正離子的大，所以電子擴(kuò)散的影響比正離子的擴(kuò)散要大得多。(2) 吸附電子在運(yùn)動(dòng)過程中與氣體分子碰撞時(shí)可能被分子俘獲形成負(fù)離子，這種現(xiàn)象稱為電子吸附效應(yīng)。每次碰撞中電子被吸附的概率稱為吸附系數(shù)，用h表示，h大(hx 10-5)的氣體稱為負(fù)電性氣體，例如Q和水蒸汽h為10-4,鹵素氣體h為10-3,負(fù)離子的速度比電子慢得多， 這增加了復(fù)合的可能性。 從而導(dǎo)致電子數(shù)減少。 所以氣體探測(cè)器應(yīng)使用 h值小的氣體，并使 負(fù)電性氣體的含量減到最低。(3) 復(fù)合電子與正電離子相遇或負(fù)離子與正離子相遇能復(fù)合成中性原子或中性分子，電子和正離子復(fù)合稱為電子復(fù)合，負(fù)離子與正離子復(fù)合稱為離子

7、復(fù)合，復(fù)合概率與電子(負(fù)離子)、正離子的密度n-,成正比。單位體積單位時(shí)間內(nèi)，正負(fù)離子的復(fù)合數(shù)為：dn-dn_dT = dt式中：為復(fù)合系數(shù)，它與氣體的性質(zhì)、壓力、溫度、正負(fù)離子的相對(duì)速度等因素有關(guān),(4)漂移表3-1在一般情況下，只要不含負(fù)電性氣體，復(fù)合效應(yīng)是很小的。氣體tXo)(X ,耳國(P)丨0He46.0 H0.541.5).429：24.5Ne35.7 d2.636.2 如.428.6d821.6Ar26.3H0.126.2 如.226.4如.815.8Kr24.0 H2.524.3 如.314.0Xe22.8 *.921.9 如.312.1H236.2 *.236.6).315.

8、6N236.39 也.0434.6).336.6如.515.50232.3 也.131.8 也.331.5也12.5C0234.1 J0.132.9JD.334.9 勺.514.4C2H227.3 也.725.7 曲.411.6C2H428.03 也.0526.3 曲.312.2C2H626.624.6JD.412.8幾種氣體的電離能- (eV)和最低電離電位10 (eV)1CH429.H0.127.3 翌314.5BF335.6嘗.3空氣34.98 翌.0533.73妲.151 , 2, 3表3-2氣體的平均電離能和法諾因子值氣體電離電位第一激電位平均電離能3 0(eV)法諾因子F5.3Me

9、Va 粒子B電子氫出15.411.536.336.30.34氦He24.619.842.742.30.17氮n215.56.136.635.00.28氧。212.2632.530.90.37氖Ne21.616.536.836.60.17氬Ar15.811.524.426.40.17氟Kr14.09.924.124.2氙Xe12.18.321.922.0水出012.6二氧化碳CO213.734.532.90.32空氣35.534.0甲烷CH413.129.227.30.26乙炔C2H211.427.525.90.27酒精C2H5OH10.732.6乙烯C2H410.828.026.2乙烷C2H6

10、11.826.624.8丁烷 C4H 1010.823.0氯Cl213.223.5三氟化硼B(yǎng)F31736.035.3Ar+CH 413.026.0Ar+C2H211.420.30.17Ne+Ar15.825.30.050He+Ar15.830.10.055He+Xe12.128.70.060He+CH413.030.30.075由于探測(cè)器外加有一定的電壓，在探測(cè)器氣體空間形成了電場，電子和正離子在電場作用下分別向正負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)，這種定向運(yùn)動(dòng)叫做漂移運(yùn)動(dòng)。電子在電場作用下，一方面會(huì)和氣體分子碰撞損失能量，另一方面又能從電場獲取能量，電子的能量低于氣體分子的最低激發(fā)能時(shí)，每次碰撞損失的能量較小，

11、只有電子的能量大于分子的激發(fā)能時(shí)，發(fā)生非彈性碰撞，才能引起較大的能量損失，當(dāng)它損失的能量和它從電場獲得能量相等時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)，這電子的平均能量為：丄mv 2二3 kT2 e 23ve為電子在電場中的運(yùn)動(dòng)速度(漂移運(yùn)動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng))kT為熱運(yùn)動(dòng)能量，K為常數(shù)，T2為氣體的絕對(duì)溫度，為電子溫度，它是電子在電場中運(yùn)動(dòng)能量和熱運(yùn)動(dòng)能量的比值。3、被收集的離子對(duì)數(shù)與外加電場的關(guān)系査牛亠舟*込計(jì)ft骨電壓（V）圖3-1收集的電荷數(shù)與外加電壓的關(guān)系2氣體探測(cè)器是利用收集核輻射 在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來探測(cè)核 輻射的，為了有效地收集電荷，必 須在氣體電離空間加電場，即在探 測(cè)器上設(shè)置二個(gè)電極，在電極上加 電壓形成

12、電場使電子，正離子沿電 場方向向兩極漂移。設(shè)帶電粒子在氣體探測(cè)器的有 效氣體空間形成 N0個(gè)離子對(duì)（電子 正離子）（初電離）收集的離子對(duì) 數(shù)N和外加電壓的關(guān)系如圖 5-1，圖 中劃分為五個(gè)區(qū)域。區(qū)域I是復(fù)合區(qū)，外加電壓 V 很小，離子漂移速率很小，擴(kuò)散和 復(fù)合效應(yīng)起主要作用，由于復(fù)合， 電極上收集到的離子對(duì)數(shù)小于初電 離數(shù)N0，就是說在這個(gè)區(qū)域，收集到的只是部分電離粒子，因此電荷數(shù)少，：粒子曲線2能量大于粒子曲線1它所產(chǎn)生的初電離粒子多，所以曲線2高于曲線1。區(qū)域II，飽和區(qū)隨著外加電壓的增加，被收集到的初電離數(shù)N值也增加，當(dāng)外加電壓到某一定值 Va時(shí)，復(fù)合效應(yīng)消失，初總電離數(shù)N0被全部收集并

13、達(dá)到飽和，而且在電壓Va和Vb這一范圍被稱為飽和區(qū)，在這一區(qū)域內(nèi)被收集到的電荷飽和值Q=Nbe，它只與入射粒子的種類和能量有關(guān)。電離室工作在這飽和區(qū)。區(qū)域IIIa正比區(qū)，外加電壓超過 Vb后，這時(shí)外加電場使電子獲得很大能量，電子能使 氣體氣分子電離，即可產(chǎn)生次級(jí)離子對(duì)， 使總離子對(duì)數(shù)大于初電離數(shù) Nb,因而收集到的電荷日 NQ（ Ne）Q（Noe），這種現(xiàn)象叫做氣體放大，其比值M叫做氣體放大倍數(shù)，電極弘No上收到的電荷數(shù) Q=N=MI0fe，正比于初電離數(shù) N0,也就是正比于入射粒子的能量，隨著外加 電壓增加，M值變大，保持這一關(guān)系的區(qū)域叫正比區(qū)，工作在這一區(qū)域的探測(cè)器稱正比計(jì)數(shù) 管。區(qū)域II

14、Ib :有限正比區(qū)。次級(jí)離子對(duì)數(shù)目的增加， 并不是無止境的，當(dāng)氣體放大倍數(shù)M較大時(shí)，由于產(chǎn)生的大量離子對(duì)中的正離子漂移速度很慢，滯留在氣體空間而形成空間電荷，它們所產(chǎn)生的電場部分地抵消了外電場，限制了次級(jí)電離的增長， 這就是所謂的空間電荷效應(yīng)。該效應(yīng)使氣體放大倍數(shù) M隨N0而變化，收集到的電離數(shù) N,偏離與N0成正比的關(guān)系，這 個(gè)區(qū)域稱為有限正比區(qū)。區(qū)域IV，G-M計(jì)數(shù)區(qū)：蓋革一彌勒區(qū)。外加電壓繼續(xù)增高到某個(gè)值，次電離的作用越來 越大，到正離子形成的空間電荷區(qū)足以把整個(gè)探測(cè)器有效區(qū)的電場降低到不能再產(chǎn)生電離 時(shí)，這時(shí)倍增過程自抑， 而初電離僅起一個(gè)點(diǎn)火的作用，電流在電壓加到某一值后開始激增形成

15、自激放電，收集到的總電荷將成為一個(gè)與初電離N0完全無關(guān)的一個(gè)常數(shù)，即與入射粒子的能量無關(guān)。區(qū)域V連續(xù)放電區(qū)。外加電壓繼續(xù)增加，電極收集到的電離數(shù)N再次急劇增長，這就是氣體連續(xù)放電區(qū)，這個(gè)區(qū)域有光的產(chǎn)生，是閃爍室，火花室，流光室的工作區(qū)。綜上所述，在不同區(qū)域內(nèi)的探測(cè)器，電離粒子與氣體分子的作用機(jī)制不同，輸出信號(hào)的性質(zhì)也不同，從而可將它們分為電離室，正比計(jì)數(shù)器，G-M和連續(xù)放電型探測(cè)器等四類的氣體電離探測(cè)器。3.2 電離室電離室是工作在飽和區(qū)的氣體探測(cè)器，原則上它既不存在復(fù)合也沒有氣體放大，入射粒子電離產(chǎn)生的全部電子和正離子都被收集到正負(fù)電極上，它的工作電壓必須在圖中 Va和Vb之間，對(duì)于不同大小

16、，不同結(jié)構(gòu)和它不同氣體的電離室，為了達(dá)到收集電荷的飽和狀態(tài)，外加電壓值的差別很大，可以從幾十伏到上千伏不等。按工作方式，電離室可分為兩類， 一類是記錄單個(gè)核輻射粒子的脈沖電離室，主要用于測(cè)量帶電粒子的輻射量和能量。這類電離室按輸出電路的時(shí)間常數(shù)大小又可分為離子脈沖電 離室和電子脈沖電離室， 另一類是記錄大量粒子平均電離效應(yīng)的電流電離室，其中包括測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)入射粒子所產(chǎn)生的平均電離電流的電流電離室和測(cè)量相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)大量入射粒 子的積累電荷的累計(jì)電離室。常見的電離室結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)處于不同電位的電極和保護(hù)環(huán)等組成。兩個(gè)電極中的一個(gè)和高壓電源直接連接，加上所需電壓稱為負(fù)高壓電極(或陰極)用K表示。另

17、一個(gè)電極和記錄電子儀器的連接并通過負(fù)載電阻Rl接地稱為收集電極，或陽極，以A表示，兩電極之間用絕緣體隔開，兩電極之間的保護(hù)環(huán)以 P表示，它的主要作用是使收集極邊緣的電場保持均 勻，這就可使電離室有確定的靈敏體積(入射核輻射與氣體相互作用的有效體積)也可使高壓電極到地的漏電流不通過收集電極。保護(hù)環(huán)保證了靈敏體積內(nèi)形成的離子對(duì)被收集電極全部收集。1脈沖電離室脈沖電離室是記錄單個(gè)入射粒子的電離室，一定能量的帶電粒子進(jìn)入電離室靈敏體積 后，將產(chǎn)生一定數(shù)量的離子對(duì)，當(dāng)電離室兩電極加上工作電壓V0后，電子和正離子在電場作用下向兩極漂移，從而在收集電極上產(chǎn)生電流脈沖I (t)，如果在電離室的輸出電路中接入負(fù)

18、載Rl則電流脈沖在負(fù)載電阻上使形成一個(gè)電壓脈沖V( t)，脈沖幅度正比于入射粒子在電離室靈敏體積中損失的能量，通過測(cè)量脈沖數(shù)目可以求得入射粒子數(shù)，通過分析脈沖幅度可以知道入射粒子的能量。輸出電壓脈沖的形成和脈沖幅度的大小，以平行極電離室為例來討論脈沖的形成，假定所加電壓 Vo足夠高，可忽略電子和正離子的復(fù)合，輸出回路的時(shí)間常數(shù)，比正離子的收集 時(shí)間長得多。采用負(fù)高壓，陰極為 K接負(fù)高壓，而電極 A陽極通過-負(fù)載電阻Rl接地，收集極對(duì)地的 電容為C (包括電離室兩極之間的電容和分布電容)，工作電壓Vo恒定不變(穩(wěn)壓電源)。t=0時(shí)，沒有粒子入射時(shí)，輸出端的電位為地電位，當(dāng)有一個(gè)粒子進(jìn)入電離室，并

19、在距 陰極K為Xo處產(chǎn)生若干離子對(duì)時(shí)，由于電子和正離子相距很近，它們?cè)趦蓚€(gè)電極板上感生 電荷相互抵消，輸出端電位無變化，t=ti0時(shí)，在電場作用下，電子和正離子分別以速度Ve和V+向A極和K極漂移，由于 VeV,在漂移過程中，電子在 A電極上感生的正電荷， 比正離子在A極上感生的負(fù)電荷增加的快的多，因而在A極內(nèi)側(cè)出現(xiàn)正的感生電荷，同時(shí)，在電容上出現(xiàn)數(shù)目與之相同的負(fù)電荷，這是形成脈沖的開始階段，電子越靠近A極，感生正電荷越多，電容C上積累的負(fù)電荷越多，脈沖繼續(xù)上升，當(dāng)電子到達(dá)極 A時(shí)與電子自身感應(yīng)的正電荷中和。這時(shí)，正離子還在漂移， 收集極內(nèi)側(cè)還有部分正離子感生的負(fù)電荷。當(dāng)正離 子逐漸漂移靠近

20、K極時(shí)，A極上感生的負(fù)電荷逐漸釋放，因而電容上的積累的電荷繼續(xù)增加，當(dāng)正離子到達(dá) K極，A極上的電荷達(dá)到最大值，則在 t時(shí)刻產(chǎn)生的電壓脈沖為：V(t)= Q(t)C由靜電學(xué)基本定理給出，在距收集極Ad-Xo處的電荷Q在收集極上感應(yīng)出并積累在電容C的電荷為：Q(t)=QoVU(x)Q=N）e, U（x）是電離室內(nèi) X處的電位。所以我們可以認(rèn)為，在 t=0時(shí)，相應(yīng)于一個(gè)入射帶電粒子在離陰極K X=Xo處產(chǎn)生Nb個(gè)離子對(duì)，電荷為N0e和-N0e分別以速V+和V向負(fù)高壓極（陰極K）和收集極邙日極A）漂移，在t時(shí)刻正離子和電子分別到達(dá)x =xo-v t， x =xo +W位置，（Xo是指離陰極的位置）在

21、 C上感生出的電壓為：Noe+V(t)=vC(Ux -Ux-)平行極電離室二極間距離 d小于電極板的尺度且極間距離均勻，電離室就被認(rèn)為是一個(gè)孤立的電容器。所以得出:E(x)二VodU(x) =do xdx 二-x)我們便可得到電離室的脈沖電壓的表達(dá)式:r M和嚴(yán):Fkfi階譏)_ ai 坷召(d x) -Hx _ 血 （te為電子的收集時(shí)間，t+為正離子的收集時(shí)間），Xo是指離負(fù)高壓電極（陰極 K）的位置。I = _ ,上.=滄分別是對(duì)正離子和電子的收集時(shí)間，它們分別是ms和卩s量級(jí)。VeV +tVt，主要是電子對(duì)脈沖的貢獻(xiàn)。teW t+,正離子也漂移到高壓電極，電子和正離子全部被收集輸出脈沖

22、幅度達(dá)到飽 和值：若為圓柱型電離室，電極為中心位置（中心電極）（“先r I n a則我們可得到:t tJ t t+t N q rI In /In b/a:C rrV(t) =vt, Ve=106cm/s, Vt=103cm/s。因此電子漂移構(gòu)成脈沖的快成份，正離子漂移構(gòu)成脈沖的慢成份，前者稱為電子脈沖， 后者稱為離子脈沖，電子和正離子對(duì)輸出脈沖的貢獻(xiàn)與電離室結(jié)構(gòu)及電離地點(diǎn)有關(guān)。對(duì)于平板電離室。電子對(duì)脈沖幅度的貢獻(xiàn)為 V飽和=Ne d XoC d對(duì)圓柱型電離室電子對(duì)輸出脈沖輻度的貢獻(xiàn)V飽和二學(xué)1 n也/In b/ac a在X0=d時(shí)，即電離發(fā)生在靠近收集極(陽極)，電子對(duì)脈沖的貢獻(xiàn)很小，脈沖主要

23、是正離子的貢獻(xiàn)，電離發(fā)生在 X0=0 (陰極位置)脈沖主要是電子的貢獻(xiàn)，正離子的貢獻(xiàn)很小。(4) 脈沖對(duì)一個(gè)入射粒子而言，無論是電壓脈沖還是電流脈沖，均是電子和離子脈沖的總和，脈沖開始于離子對(duì)生成并向各自的電極漂移時(shí)，終結(jié)于離子對(duì)的全部被收集，但不能認(rèn)為電子和離子對(duì)脈沖的貢獻(xiàn)各占一半。2、幾種常用的脈沖電離室(1) 離子脈沖電離室：用于測(cè)量入射粒子的能量，因?yàn)檩敵雒}沖幅度(飽和值)與初電離N0成正比，且與離子對(duì)產(chǎn)生地點(diǎn)xo無關(guān)，入射粒子損耗在電離室內(nèi)的能量產(chǎn)生的正負(fù)離子全部被收集，使電壓脈沖達(dá)到飽和。缺點(diǎn)：脈沖較寬， RC常數(shù)較大（110）x 10-3s （ 110） ms。當(dāng)計(jì)數(shù)率達(dá)到102

24、/s時(shí)，脈沖就可能重疊，使脈沖幅度變高，影響能量測(cè)量的 精度。（2） 電子脈沖電離室：工作條件teRC1+脈沖幅度主要由電子漂移貢獻(xiàn)，輸出（脈沖） 幅度與電離產(chǎn)生地點(diǎn)有關(guān)，不能用于測(cè)量粒子的能譜，但可獲得較高的計(jì)數(shù)率。離子脈沖電離室和電子脈沖電離室的主要差別在探測(cè)器的輸出電路的RC常數(shù)。（3） 屏柵電離室：它又叫柵網(wǎng)狀電離室，在電離室的負(fù)高壓電極K和收集電極A之間放置一個(gè)金屬網(wǎng)狀柵電極 G,核輻射在柵極 G和陰極K之間電離產(chǎn)生電子正離子對(duì)，只有電 子通過柵極后才開始形成脈沖，所以輸出脈沖幅度與地點(diǎn)無關(guān)。但要注意脈沖形成起始于第一個(gè)電子穿過柵極的時(shí)刻，因此輸出脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻與發(fā)生電離時(shí)時(shí)刻有一段

25、延時(shí)，延時(shí)與電離地點(diǎn)有關(guān)，所以在符合測(cè)量中，使用屏柵電離室時(shí)必須考慮這個(gè)問題。（4）裂變電離室：用來探測(cè)中子通量密度的涂裂變物質(zhì)的脈沖電離室，處在收集電子的工作狀態(tài)，裂變物質(zhì)涂在電離室板表面，中子入射后與裂變物質(zhì)發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生具有很大能量和電荷量的核裂片。裂變碎片在氣體中產(chǎn)生電離，使電離室輸出較大幅度的脈沖信 號(hào)。3、脈沖電離室的能量分辨FWHhM= V=2.355 r v脈沖幅度與入射能量成正比關(guān)系，所以又可表示為：FWHhM= E=2.355 (自由空氣電離室) 特別適用于這種應(yīng)用。 測(cè)量其電離電荷可以給出照射量，而測(cè)量其 電離電流則給出照射量率。照射量率的定義為單位時(shí)間內(nèi)照射量的增量

26、。(2) 測(cè)量吸收劑量充氣電離室可用于測(cè)量任意物質(zhì)的吸收劑量，吸收劑量定義為在給定物質(zhì)中由電離輻射授予單位質(zhì)量的平均能量，用Dm表示，D=3 Snp ( G)。3為氣體中生成每個(gè)離子對(duì)的平均能量損失，單位J/離子 f 妙吟- - o .o O U I .1 X X5 2-EV*O2C中子能fttMtV圖3-2 中子電離室的能量響應(yīng)對(duì)，&為該物質(zhì)相對(duì)于氣體的相對(duì)質(zhì)量阻止本 領(lǐng)，即單位密度的能量損失；P為單位質(zhì)量氣體生成的離子對(duì)數(shù)，單位為對(duì) /kg。測(cè)量吸收劑量 常用的電離室為空腔電離室。和出口，采用流氣方式引入待測(cè)氣體， 可以很方(3) 測(cè)量放射性氣體一一把放射性氣體作 為電離室填充氣體的一種成

27、份，電離室設(shè)有進(jìn)口 便地對(duì)放射性氣體進(jìn)行測(cè)量。(4) 中子電離室，它的能量響應(yīng)見圖3-26。3.4 正比計(jì)數(shù)管及其應(yīng)用工作在氣體探測(cè)器特性曲線正比區(qū)的氣體探測(cè)器叫正比計(jì)數(shù)管。初電離產(chǎn)生的電子從電場獲得能量足以產(chǎn)生次電離，而且次電離電子還可以使氣體電離，離子對(duì)數(shù)目逐步增加，而且最后形成的總離子對(duì)數(shù)保持與初電離成正比關(guān)系。于是在收集極上感生的脈沖幅度將是原初電離感生的脈沖幅度的M倍。V飽和二MNe/c正比計(jì)數(shù)管大多是陰極半徑 b比陽極半徑a比值較大的圓柱形結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谝话汶妷合耉o(約1kV)圓柱形電極比平行板電極容易獲得引起氣體放大的強(qiáng)電場。圓柱形結(jié)構(gòu)的電場分布為 E(r)二亠 ，電場分布不均勻

28、，電場強(qiáng)度與到中心陽極的.br Ina20eV以上）距離r成反比，在中心陽極附近有很強(qiáng)的電場，電子很容易獲得足夠的能量( 而產(chǎn)生氣體放大。1、放大倍數(shù)在電場作用下分別向陽 因此，電場的加速不 電場越大，到達(dá)某一 產(chǎn)生更多的新離從氣體放大機(jī)制來分析，說明正比計(jì)數(shù)管要采用陽極絲極細(xì)的圓柱筒形結(jié)構(gòu)。當(dāng)射線通過正比計(jì)數(shù)管內(nèi)的氣體時(shí)，電離產(chǎn)生的電子和正離子，極和陰極漂移，正離子的質(zhì)量大，且沿漂移方向的電場又是由強(qiáng)到弱， 足以使它與氣體發(fā)生電離碰撞。而電子不一樣，電子漂移越接近陽極，距離以后，電子在平均自由程內(nèi)獲得的能量足以與氣體氣子發(fā)生電離碰撞， 子對(duì)，電子漂移越接近陽極，電離碰撞的概率越大，于是不斷增

29、殖，增殖的結(jié)果將產(chǎn)生大量 的電子和正離子，這就是氣體放大過程。有時(shí)也稱氣體放大為雪崩7。V0I n2VoInM In b/a ：V ln kapln b/aV相應(yīng)于電子在相鄰兩次電離事件之間運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過的電位差，k表示能產(chǎn)生倍增的最低的E/P值，實(shí)驗(yàn)上通過對(duì)不同氣體作出一系列壓強(qiáng)和半徑值下的M和Vo的關(guān)系曲線，從而定出.V和k值，充不同的氣體，k和厶V的參數(shù)是不同的。M為氣體倍增數(shù)，V外加電壓，a陽極半徑，b陰極半徑，p氣體壓力要注意的是InM的表示式中這一項(xiàng)實(shí)際上表示著沿著半徑在位置處的電場In b/a強(qiáng)度E(r)。在圓柱形計(jì)數(shù)管陽極半徑為 a，電位為Va,陰極半徑b電位為 V 外加工作電壓

30、V0=Va-Vk的情況下，沿著徑向位置到r處的電場E十 V： ，r為該點(diǎn)與軸心 邙日極中心)()rIn b/ a之間的距離。(1) 氣體倍增要求高的電場強(qiáng)度對(duì)圓柱形結(jié)構(gòu)Eo = 丫， ，V是加在陽極與陰極之間的電壓，a是陽極絲半徑，b為r In b/ a陰極圓柱的內(nèi)半徑，在臨近陽極絲的半徑周圍的一個(gè)很小的圓柱體內(nèi)出現(xiàn)高電場強(qiáng)度，電子被陽極吸引拉向高電場區(qū)， 在進(jìn)入高電場區(qū)以前的電子所具備的能量不足以與其它氣體分子 碰撞產(chǎn)生新的電子，即不能倍增。為了便于說明，假設(shè)在圓柱形計(jì)數(shù)管上加2000伏電壓，a=0.008cm， b=1.0cm，此時(shí)陽6極表面的電場為 5.18 X 10 V/cm。對(duì)平行板

31、結(jié)構(gòu)來說， 平板電極間的電場是均勻的，間距為1.0cm時(shí)要達(dá)到同樣的電場需5.18 X 106伏，使用這樣的高壓，實(shí)際上是很困難，所以正比計(jì)數(shù)管要采用圓柱形結(jié)構(gòu)，或 采用平行板電極，則極間間距縮短到0.5mm甚至0.2mm左右。(2) 為使輻射產(chǎn)生的初電離的電子一離子對(duì)的倍增都一致，就是要使探測(cè)器輸出的飽和脈沖幅度與電離產(chǎn)生的地點(diǎn)無關(guān)。要求把氣體倍增區(qū)限制在比總的氣體體積小得多的區(qū)域內(nèi)，這就要求所有的初級(jí)離子對(duì)都產(chǎn)生在倍增區(qū)以外，只有初電離的電子漂移到倍增區(qū)才能發(fā)生倍增，這樣每一個(gè)電子都經(jīng)歷著相同的倍增過程，與最初的生成位置無關(guān)，從而得到與電離產(chǎn)生的地點(diǎn)無關(guān)的飽和脈沖幅度。例如a=0.008c

32、m, b=1.0cm加2000伏,E=5.18 x 104伏/cm ,若所充氣體的倍增電場的閾 值為104v/cm，則由Er V，我們可計(jì)算得到只有半徑小于0.041cm，即離陽極表面r ln b/a0.041cm處，即為陽極半徑5倍的區(qū)域內(nèi)的電場才達(dá)到這一閾值，這半徑范圍內(nèi)的體積大約 占計(jì)數(shù)管靈敏體積 0.17%2、輸出脈沖正比計(jì)數(shù)管中氣體放大是在陽極絲附近發(fā)生的，所以它的輸出脈沖主要是氣體放大后增殖產(chǎn)生的大量電子和正離子漂移運(yùn)動(dòng)感生電荷形成，初電離電子由電離地點(diǎn)到倍增區(qū)前漂移產(chǎn)生的感生電荷對(duì)脈沖的貢獻(xiàn)很小，這就決定了正比計(jì)數(shù)管輸出脈沖的一些特性。輸出脈沖幅度V蠱鶴vt Pa2 In b/

33、a脈沖達(dá)到飽和的時(shí)間t篤=pa ；：a vnb/a:ft飽和所以使用正比計(jì)數(shù)器應(yīng)取較小的時(shí)間常數(shù)。若取 R(K ti/2時(shí)，雖然脈沖幅度損失一些，但脈沖寬度大大減小。當(dāng)RC確定后輸出脈沖幅度 V( t)仍和初電離 M成正比，所以RC小對(duì)能量測(cè)量沒有影響。初電離對(duì)輸出電壓脈沖幅度貢獻(xiàn)不大，電壓脈沖幅度主要由增殖后的大量離子對(duì)的貢 獻(xiàn)，而這些離子對(duì)又是集中在陽極附近，因此可以認(rèn)為電壓脈沖幅度與初電離產(chǎn)生地點(diǎn)無關(guān)，這對(duì)能量測(cè)量很有利。 另外，上面分析講到，初電離集中在室內(nèi)同樣半徑處電子漂移時(shí)間相 同，實(shí)際上沿入射粒子的徑跡都有離子對(duì)產(chǎn)生，電子到達(dá)陽極的漂移時(shí)間的離散會(huì)引起輸出脈沖上升時(shí)間的離數(shù)，所以

34、實(shí)際觀測(cè)到的脈沖上升時(shí)間，比離子對(duì)在半徑相同地方生成的情況要長得多。3、正比計(jì)數(shù)器的特性(1) 計(jì)數(shù)曲線和坪特性計(jì)數(shù)曲線：在放射源確定的情況下探測(cè)器輸出脈沖計(jì)數(shù)率隨所加工作電壓的變化曲線稱 為探測(cè)器的計(jì)數(shù)曲線，計(jì)數(shù)曲線上具有明顯的計(jì)數(shù)坪區(qū)，故又稱為坪曲線，對(duì)于一個(gè)計(jì)數(shù)管，必須知道它的坪特性，以便確定其工作電壓， 坪特性是衡量計(jì)數(shù)管質(zhì)量好壞的主要參量，坪長越長，坪斜越小，工作電壓越低，則它受工作電壓的影響也就越小，壽命也越長。坪特性有三個(gè)參量：1)坪長，隨著外加工作電壓的升高，計(jì)數(shù)率在一段范圍內(nèi)變化不 大，出現(xiàn)一個(gè)比較平坦的區(qū)域，即所謂坪，坪區(qū)電壓范圍叫坪長，正比計(jì)數(shù)管的坪長一般大于300伏；2

35、)坪斜，在坪區(qū)實(shí)際上計(jì)數(shù)率仍隨工作電壓升高而增加，表現(xiàn)出坪有坡度，稱 為坪斜，指每升高 1伏或100伏時(shí)計(jì)數(shù)率增加的百分比，一般小于0.01%/V ; 3)起始電壓VS和工作電壓Vo, Vs是記錄脈沖的計(jì)數(shù)系統(tǒng)開始計(jì)數(shù)時(shí)計(jì)數(shù)管上所加電壓，V)是計(jì)數(shù)管正常工作時(shí)所加的電壓，一般 V0都選在坪區(qū)前半部這樣既工作在坪區(qū)，又能延長使用壽命。計(jì)數(shù)管的坪特性與所充氣體類型，氣體的混合比，氣壓及管子尺寸有關(guān)，氣體雜質(zhì)含量，清潔處理，封接工藝也影響坪特性， 陽極絲粗細(xì)不均勻， 陰陽極不同心，邊緣效應(yīng)等是造成 坪斜的原因。(2) 能量分辨F是法諾因子，f是修正因子，與氣體性質(zhì)，充氣壓力，計(jì)數(shù)管幾何尺寸及倍增的平

36、均 放大倍數(shù)M有關(guān)，M10時(shí)，f值約為0.60.8。顯然要提高能量分辯，必須設(shè)法減小 F, f , 3,目前正比計(jì)數(shù)管對(duì) 55Fe 5 9keV X射 線的能量分辨率可達(dá) 14%左右826eV，使用 Ar+0.5 C 2H2和Ne+0.5%Ar能量分辨可達(dá)到 12% 左右。同在做能測(cè)量時(shí)，還要求正比計(jì)數(shù)管輸出脈沖幅度與入射粒子的能量成正比關(guān)系（即能量線性）的能量范圍寬，或它的正比工作區(qū)寬。正比計(jì)數(shù)管的能量線性范圍主要受空間電荷的限制，因?yàn)榭臻g電荷會(huì)抵消一部分外電場的作用，從而影響放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。影響正比計(jì)數(shù)管能量分辨的因素有：1）統(tǒng)計(jì)漲落。探測(cè)器輸出的脈沖幅度正比于電荷Q, Q=n）eM no和M都有某種固有的變化，即使入射輻射所積存的能量相等的情況下，脈沖幅度也有漲落：離子對(duì)數(shù)no的漲落2；n0 =Fnv，F(xiàn)值為0.050.2 :雪崩倍增系數(shù)A足夠大，則單電子雪崩的漲落0，b=（ 1+e）一Ae是一個(gè)參數(shù)，與能量越過電離閾能的電子份額有關(guān)，其變化范圍為0e 99.5% （近100%）,空間分辨和時(shí)間分