氣體探測器的介紹

對于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于輻射探測器探測各種輻射，給出輻射的類型、強度(數(shù)量)、能量及時間等特性。即對輻射進行測量。

輻射探測器的定義：利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應或其它物理、化學變化進行輻射探測的器件稱為輻射探測器。

為什么需要輻射探測器？輻射探測器1輻射探測的基本過程：

輻射粒子射入探測器的靈敏體積；入射粒子通過電離、激發(fā)等效應而在探測器中沉積能量；

探測器通過各種機制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號。

探測器按探測介質(zhì)類型及作用機制主要分為：

氣體探測器；

閃爍探測器；

半導體探測器;其他探測器2輻射探測器學習要點（研究問題）：探測器的工作機制；探測器的輸出回路與輸出信號；探測器的主要性能指標；探測器的典型應用。3第八章

氣體探測器4歷史最悠久的探測器居里夫人釙及鐳的提??；宇宙射線及中子的發(fā)現(xiàn)；Charpak多絲氣體正比室；粒子物理實驗；核工程與核技術應用；探測器的靈敏體積大小和形狀幾乎不受限制；沒有輻射損傷或極易恢復；經(jīng)濟可靠。58.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律1、氣體的電離與激發(fā)電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過程

入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。

電離——核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。激發(fā)——使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。入射粒子直接產(chǎn)生的離子對稱為原電離。原電離產(chǎn)生的高速電子足以使氣體產(chǎn)生的電離稱為次電離?？傠婋x=原電離+次電離6

電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一個電子離子對所需的平均能量。對不同的氣體，W大約為30eV

若入射粒子的能量為E0，當其能量全部損失在氣體介質(zhì)中時，產(chǎn)生的平均離子對數(shù)為：A.NumberofIonPairsFormed7電子從入射粒子處獲得的最大能量入射粒子能夠產(chǎn)生電離的最小能量8B.TheFanoFactor電離產(chǎn)生的離子對數(shù)N是隨機變量.它服從什么分布？法諾分布離子對數(shù)的方差

實驗測量不同氣體的法諾因子介于0.2～0.5之間。9C、光致電離（光電效應）Cs原子的電離電位最低，3.88eV；相應的光子波長為3184?

，在紫外區(qū)；

紫外光或能量更高的光才能產(chǎn)生光致電離。

介質(zhì)中原子吸收一個光子，放出一個電子而電離。

紫外光子能量較低，光致電離產(chǎn)生的電子動能很低，一般不能再引起新的電離或激發(fā)。10上述兩過程均在10-9秒內(nèi)完成。亞穩(wěn)態(tài)原子壽命較長，一般為10-2~10-4秒

D.被激發(fā)原子的退激方式：1)輻射光子。發(fā)射波長接近紫外光的光子，這些光子又可能在周圍介質(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。3)亞穩(wěn)態(tài)原子的退激。受激原子處于亞穩(wěn)態(tài)，僅當它與其它粒子發(fā)生非彈性碰撞時才能退激。112、電子與離子在氣體中的運動

當不存在外加電場的情況下，電離產(chǎn)生的電子和正離子在氣體中運動，并和氣體分子或原子不斷地碰撞，處于平衡狀態(tài)。其結果會發(fā)生以下物理過程：

擴散；電子吸附；復合；漂移；電荷轉(zhuǎn)移；12A.擴散(Diffusion)

在氣體中電離粒子的密度是不均勻的，原電離處密度大。由于其密度梯度而造成的離子、電子的定向運動叫擴散。由氣體動力學，可得到擴散方程：電子或離子粒子流密度電子或離子的擴散系數(shù)電子或離子密度13若電離粒子的速度遵守麥克斯韋分布，則擴散系數(shù)

D

與電離粒子的雜亂運動的平均速度之間的關系為：平均自由程

電子的平均自由程和亂運動的平均速度都比離子的大，因此其擴散系數(shù)比離子的大，因而電子的擴散效應比離子的嚴重。14B.電子的吸附和負離子的形成

電子在運動過程中與氣體分子碰撞時可能被氣體分子俘獲，形成負離子，這種現(xiàn)象稱之為吸附效應。Electronattachmente-Negativeion15例如O2、H2O，的，鹵素達

每次碰撞中電子被俘獲的概率稱為吸附系數(shù)h。h大(h>10-5)的氣體稱為負電性氣體。電子的吸附現(xiàn)象對氣體探測器產(chǎn)生的是正面or負面影響？

氣體探測器的工作氣體應盡量選擇吸附系數(shù)小的氣體，在不得已采用時，將會影響探測器的性能。16C.復合(Recombination)

有兩個過程：電子與正離子，或負離子與正離子，相遇時可能復合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋17為復合系數(shù)

復合的結果是損失了離子對數(shù)目，使產(chǎn)生信號的離子對數(shù)目減少，破壞了原入射粒子電離效應與輸出信號之間的對應關系。因此，復合現(xiàn)象在探測器正常工作中應盡量避免。

復合引起的離子對數(shù)目的損失率：

一旦形成了負離子，其運動速度遠小于電子，正離子與負離子的復合系數(shù)要比正離子與電子的復合系數(shù)大得多。18D.離子和電子在外加電場中的漂移

離子和電子除了與作熱運動的氣體分子碰撞而雜亂運動和因空間分布不均勻造成的擴散運動外，還有由于外加電場的作用沿電場方向定向漂移。

這種運動稱為“漂移運動”，定向運動的速度為“漂移速度”。19對于離子：存在電場的情況下，兩次碰撞之間離子從電場獲得的能量又會在碰撞中損失，離子的能量積累不起來。離子的平均動能與沒有電場的情況相似，為：離子漂移速度離子的遷移率電場強度氣體壓強約化場強20離子的遷移率可表示為：M為離子質(zhì)量；0為離子在氣體中單位氣壓下的自由程；亂運動的平均速度。由于離子的平均動能基本上不隨電場而變化，則近似為常數(shù)，這樣離子的遷移率近似為常數(shù)。21對于自由電子：電子與氣體分子發(fā)生彈性碰撞時，每次損失的能量很小，因此，電子在兩次碰撞中由外電場加速的能量可積累起來。直到使它的彈性碰撞能量損失和碰撞間從電場獲得的能量相等，或發(fā)生非彈性碰撞為止。達到平衡狀態(tài)時，即損失能量等于從電場獲得的能量時，電子的平均能量為:稱為電子溫度，是場強的函數(shù)。22電子的漂移速度與約化場強不成正比，可用函數(shù)表示：這個函數(shù)關系均由試驗測定。一般給出的是實驗曲線。

電子漂移速度對氣體成分很敏感，少量某種氣體的混入就可顯著提高電子漂移速度。23這些氣體一般是甲烷、二氧化碳及氮等多原子或雙原子分子氣體。這些氣體分子有很多低能級，有它們存在，電子能量不用積累到很高，就可能發(fā)生非彈性碰撞而大量損失能量了。這樣，少量多原子分子的加入使氣體中電子的平均動能顯著下降，也就可以使亂運動的平均速度下降，這將會提高漂移速度。這一效應在氣體探測器的研制中經(jīng)常要用到。24(1)電子漂移速度一般為：離子漂移速度一般為：(2)電子的漂移速度對組成氣體的組分極為靈敏在單原子分子氣體中（如Ar）加入少量多原子分子氣體（如CO2、H2O等）時，電子的漂移速度有很大的增加。

電子與離子在氣體中在外電場作用下的漂移速度的主要區(qū)別為：25E、電荷轉(zhuǎn)移效應

正離子與中性的氣體分子碰撞時，正離子與分子中的一個電子結合成中性分子，中性氣體分子成為正離子。

電荷轉(zhuǎn)移效應在混合氣體中比較明顯。

電荷轉(zhuǎn)移效應可以減小離子的遷移率，降低離子的漂移速度。

復合效應、電子吸附效應、電荷轉(zhuǎn)移效應等，都不利于電荷收集。263．氣體放電A、雪崩

電子在氣體中的碰撞電離過程。

發(fā)生雪崩的閾值電場：ET~106V/m。27能引起雪崩的其他因素：

光子與氣體和器壁作用，打出光電子，~107sec；

光電子又可以引起新的雪崩。二次電子發(fā)射：雪崩區(qū)產(chǎn)生的正離子經(jīng)過~103sec到達器壁，并可能在器壁上打出二次電子。光子的作用：雪崩形成大量的電離和大量的激發(fā)，~106sec;

伴隨著雪崩過程，退激產(chǎn)生大量的光子。

二次電子又可以引起新的雪崩。28B、氣體放大自持雪崩：通過光子的作用和二次電子發(fā)射，雪崩持續(xù)發(fā)展。也叫自持放電。非自持放電：雪崩從產(chǎn)生到結束，只發(fā)生一次。29I:復合區(qū)II:飽和區(qū)III:正比區(qū)IV:

有限正比區(qū)V:G-M工作區(qū)VI:

連續(xù)放電區(qū)308.2電離室的工作機制與輸出回路電離室的工作方式可分為：1)脈沖型工作狀態(tài)2)累計型工作狀態(tài)

記錄單個入射粒子的電離效應，處于這種工作狀態(tài)的電離室稱為：脈沖電離室。

記錄大量入射粒子平均電離效應，處于這種工作狀態(tài)的電離室稱為：累計電離室。311、電離室的基本結構不同類型的電離室在結構上基本相同.典型結構有平板型和圓柱型。高壓極(K)：正高壓或負高壓；均包括：收集極(C)：與測量儀器相聯(lián)的電極，處于與地接近的電位；保護極(G)：又稱保護環(huán)，處于與收集極相同的電位；負載電阻(RL)：電流流過時形成電壓信號。32高壓極收集極保護極高壓負載電阻外殼靈敏體積絕緣子平板型電離室33圓柱型電離室34靈敏體積：

由通過收集極邊緣的電力線所包圍的兩電極間的區(qū)域。保護環(huán)G的作用：1)使靈敏體積邊緣處的電場保持均勻；2)若無G，當高壓很大時，會有電流通過絕緣子從負載電阻RL上通過，從而產(chǎn)生噪聲，即絕緣子的漏電流。35

氣體壓力：從0.1~10大氣壓。2、工作氣體

充滿電離室內(nèi)部空間，是電離室的工作介質(zhì)；

如Ar

加少量多原子分子氣體CH4。

需要保證氣體的成份和壓力，所以一般電離室均需要一個密封外殼將電極系統(tǒng)包起來。36第一步：假設回路中沒有負載電阻

極板a上加高壓V0，極板ab

間電容量為C1，則兩極板的電荷量：3、輸出信號產(chǎn)生的物理過程

即電離室的工作機制。37第二步：在電離室內(nèi)某一點引入一單位正電荷e+它將在兩極板上分別感應出一定的負電荷，設分別為-q1、-q2高斯定律：38

即正電荷靠哪個極板近，那個極板上產(chǎn)生的感應電荷就多。

這就相當于感應電荷從外回路流過，即在外回路流過電流i+(t)。第三步：當電荷沿電場向下極板運動，則上極板a上感應電荷

減少，下極板b上感應電荷

增加。且39

正離子漂移所引起的負感應電荷在回路中流過的電荷量為：40第四步：當正電荷快到達極板的前一瞬間，-q1全部由a極板經(jīng)外回路流到b極板，b極板上的感應電荷：

當e+到達b極板，e+與b極板上的感應電荷中和。外回路電流結束，流過外回路的總電荷量為：考慮：如果在電極之間引入的是負電荷，解釋一下整個物理過程。產(chǎn)生的結果是否與正電荷有共同之處？41

電子(負離子)漂移所引起的正感應電荷在回路中流過的電荷量為：42即：若在電場中引入一單位負電荷，它將在ab兩極板上分別感應一定的正電荷，分別為和。當負電荷沿電場反方向運動時，則a極板上感應電荷

增加，而b極板上感應電荷

減少。整個過程中，流過外回路的總電荷量為：

相應在外回路流過電流為，電流方向與相同。43在電離室中同一點引入正負電荷：

當同時在同一位置引入一離子對，則在外回路流經(jīng)的電流：i(t)=i+(t)+i

–(t)

流過外回路的總電荷量：△q++△q-

=e44(1)只有當空間電荷在極板間移動時，在外回路才有感應電流流過，此時i(t)=i+(t)+i–(t)，正、負電荷的感應電流方向相同，在探測器內(nèi)部從陽極流向陰極。電荷漂移過程結束，外回路感應電流消失。當負電荷被收集后，外回路中就只有正電荷的感應電流。結論：(2)當+e、e電荷在同一位置產(chǎn)生時，它們在極板上的感應電荷量分別相同；

+e、e電荷漂移結束，流過外回路的總電荷量為e；該電荷量與這一對電荷的產(chǎn)生位置無關。

位置無關45(1)當入射粒子在探測器靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N個離子對，它們均在外加電場作用下漂移，這時，產(chǎn)生的總電流信號是：引伸結論：(2)當N個離子對全部被收集時，流過外電路的總電荷量為：Q只與離子對數(shù)量N有關，而與各離子對產(chǎn)生的位置無關。46

輸出回路的定義：輸出信號電流所有流過的回路都包括在輸出回路中。①感應電荷在外回路上形成的電流，在負載電阻RL上形成電壓，有信號輸出；②測量儀器有內(nèi)阻、電容；③探測器電容C1。輸出回路的簡化過程：4、電離室的輸出回路④

線路的雜散電容C′。47測量儀器總電阻總電容RL

：負載電阻；C1：探測器電容；R入

：測量儀器輸入電阻；C入

：測量儀器輸入電容；：雜散電容；如,電纜電容~100pF/m。48

電離室處于脈沖工作狀態(tài)，電離室的輸出信號僅反映單個入射粒子的電離效應?？梢詼y量每個入射粒子的能量、時間、強度等。8.3脈沖電離室

以下討論假設入射粒子在靈敏體積中產(chǎn)生N個離子對，并忽略擴散和復合的影響，而且在信號結束前，探測器靈敏體積內(nèi)不再有其它入射粒子產(chǎn)生電離。

脈沖電離室的輸出信號：電荷信號，電流信號，電壓信號。

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電離室是一個理想的電荷源（其外回路對輸出電荷量無影響）。1)

脈沖電離室的總輸出電荷量1、脈沖電離室的輸出信號

電離室靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N個離子對并全部被極板收集后的總輸出電荷量：

這一結果與極板形狀、電場分布、輸出回路參數(shù)無關。50(1)負載電阻RL=0的情況2)

脈沖電離室的輸出電流信號

相當于用輸入阻抗極小的電流計測量電離室輸出信號的情況。51下面來計算電流的大?。弘娫刺峁┕β剩赫x子、電子在t時刻的空間位置；

正離子、電子在該點的場強；

正離子、電子在該點的漂移速度。

能量守恒電子－正離子在電場中漂移的過程，實際上是電場對電子和正離子做功的過程：52求解得到t

時刻流經(jīng)外回路的電流在t時刻，靈敏體積中有N+(t)個正離子和N–(t)個電子，則輸出電流：電離室的本征電流（IntrinsicCurrent）53以平板電離室為例，設離子和電子的漂移速度是常數(shù)，并且電子的漂移速度是離子漂移速度的1000倍，均勻電場t2為開始有正離子到達負極板的時間；幾個重要時刻：t1為開始有電子到達正極板的時間；T–

為電子全部到達正極板的時間；T+為正離子全部到達負極板的時間。離子和電子的初始數(shù)目為：54N=1時：5556(2)負載電阻RL≠0的情況

采用一般的具有輸入阻抗的測量裝置，輸出電壓信號V(t)?？傠娮杩傠娙茛匐娫醋龅墓β蔠(t)

④輸出回路中消耗的功率WO(t)②靈敏體積內(nèi)電子和正離子在電場作用下漂移所消耗的功率We(t)③C1的儲能發(fā)生變化(消耗功率)WC1(t)57推導過程的物理基礎：①電源電動勢所做的功率W(t)

④輸出回路中消耗的功率WO(t)③C1的儲能發(fā)生變化(消耗功率)WC1(t)②靈敏體積內(nèi)電子－正離子在電場中漂移所消耗的功率We(t)能量守恒根據(jù)能量守恒：58①電源功率W(t)

②靈敏體積內(nèi)電子－正離子在電場中漂移所消耗的功率59a極板的電位不再為常數(shù)而為V(t)電容C1的儲能為能量變化率為：③電容C1的儲能發(fā)生變化④輸出回路功率WO(t)60能量守恒令：61把電離室看成理想的內(nèi)阻無限大的電流源，但這是有條件的。而電荷源則是無條件的。(A)由于V(t)<<V0為電離室的本征電流。結論：62(B)電離室可以用電流源I0(t)和C1并聯(lián)等效。并可得到其輸出回路的等效電路633)電離室的輸出電壓信號解微分方程：64(1)當時，即全部電子和正離子對輸出信號都有貢獻。在t<T+時當t=T+時當t>T+時6566A、在t=T+時，輸出電壓脈沖幅度B、C0越小，h越大。為此須降低工作在這種狀態(tài)的電離室稱之為離子脈沖電離室。存在問題——輸出電壓脈沖寬度非常大(T＋是ms量級)，這樣入射粒子的強度不能太大，并且要求放大器電路頻帶非常寬，噪聲大而不實用。結論：當，電子和離子的定向漂移對輸出電壓信號都有貢獻67(2)

當，正離子漂移的貢獻可以忽略，在t<T－時當t＝T－時當t>

T－時6869A、輸出電壓脈沖幅度，僅取決于電子漂移在外回路中流過的電荷量。B、由于，約為微秒量級，將大大降低電壓脈沖信號的寬度，得到快的響應時間。

結論：工作在這種狀態(tài)的電離室稱為電子脈沖電離室。當，只有電子的定向漂移對輸出電壓信號有貢獻

存在問題：輸出電壓脈沖幅度h-與初始電離的位置有關，也就是Q-與初始電離位置有關。70即Q－與第j個電子被收集時最終電位和最初產(chǎn)生處(初電離位置)電位之差有關。這樣，電子脈沖電離室的輸出電壓脈沖幅度不僅與產(chǎn)生的離子對數(shù)有關，而且，與離子對生成的位置有關。71(3)影響輸出電壓信號形狀的因素72脈沖電離室輸出電壓脈沖信號為變前沿的脈沖信號，其前沿與電離發(fā)生的位置有關。73(C)電子或正離子漂移對輸出電壓脈沖信號的貢獻，取決于電子或正離子掃過的電位差。關于電離室輸出電壓信號的一些重要結論：(A)電子離子對一旦形成即開始漂移，立即就有輸出電流信號；電壓脈沖的上升時間為電流脈沖的持續(xù)時間。與R0C0有關。(B)電離室輸出電流中包含快成分與慢成分，其比例與電子離子產(chǎn)生位置有關，導致電離室輸出的電壓脈沖為變前沿的脈沖，其上升時間漲落達103sec量級。74

離子脈沖電離室存在問題——輸出電壓脈沖寬度非常大(T＋是ms量級)，這樣入射粒子的強度不能太大，并且要求放大器電路頻帶非常寬，噪聲大而不實用。

電子脈沖電離室存在問題：輸出電壓脈沖幅度h－與初始電離的位置有關，也就是Q—與初始電離位置有關，與沉積能量不成正比。752、圓柱型電子脈沖電離室和屏柵電離室1)圓柱型電子脈沖電離室76設計思想：利用圓柱形電場的特點來減小Q－與入射粒子的初始電離位置的依賴關系，達到利用“電子漂移引起的電壓脈沖幅度”來測量入射粒子能量的目的。距中心位置為r的場強：電位為：設全部離子對在r0處產(chǎn)生，其電位為電子脈沖電離室必定要滿足77輸出脈沖電荷量輸出電壓脈沖幅度

結論：選擇足夠大的b/a值，在r0較大時，h(r0)與r0之間的關系就不顯著了。同時由于圓柱形的幾何條件，r0小的區(qū)域只占很小的一部分體積，大部分入射粒子都在r0較大處產(chǎn)生離子對。注意：這種工作狀態(tài)下，中央絲極必須是陽極。對于大部分入射粒子而言，圓柱形電子脈沖電離室的輸出電壓脈沖幅度均接近于782)屏柵電離室（TheGriddedIonChamber）屏柵電離室的構成：陰極B、陽極A、柵極G、電源和負載電阻。BAG79(1)屏柵電離室信號的形成過程離子對僅在B－G之間產(chǎn)生，要求入射粒子的射程R小于B－G之間的距離a；柵極由網(wǎng)柵構成，要求柵極屏蔽完善。合理選擇電壓分配及網(wǎng)柵的參數(shù)＝r/d，使電子和正離子在B－G之間漂移時，僅在B，G極板上有感應電荷產(chǎn)生，并在B－G回路中流過電流i1；同時電子在穿過柵極時，不被柵極所捕獲。相當于N個電子先后在柵極上產(chǎn)生，然后，掃過G－A電極間的電位差；在輸出回路上輸出電壓脈沖信號：80(2)信號時滯(3)輸出信號的上升時間813、脈沖電離室輸出信號的測量脈沖電離室的輸出信號所包含的信息：1）入射帶電粒子的數(shù)量；2）入射帶電粒子的能量；3）確定入射粒子間的時間關系。通過對輸出脈沖數(shù)進行測量。通過對輸出電壓信號的幅度進行測量。通過對輸出電壓信號的時間進行測量。82脈沖電離室的輸出信號需要用電子儀器來測量。氣體電離室高壓前置放大器放大器單道或多道脈沖分析器834、脈沖電離室的性能1)脈沖幅度譜與能量分辨率脈沖電離室常用來測量帶電粒子的能量。

對單能帶電粒子，若其全部能量都損耗在靈敏體積內(nèi)，則脈沖電離室輸出電壓脈沖的幅度反映了單個入射帶電粒子能量的大小。84能量分辨率：半寬度多道測量的脈沖幅度譜：85

能量分辨率反映了譜儀對不同入射粒子能量的分辨能力。86

由于電離過程的漲落，電離產(chǎn)生的離子對數(shù)目

N的漲落服從法諾分布。由于很大，所以離子對數(shù)所遵循的統(tǒng)計分布可以用高斯分布描述。由關系式：電離室輸出脈沖幅度同樣服從高斯分布(1)統(tǒng)計漲落的影響87幅度平均值：標準偏差：相對標準偏差：且有：能量分辨率為：88(a)能量分辨率反映了譜儀對不同入射粒子能量的分辨能力。能量分辨率越小，則可區(qū)分更小的能量差別。這是譜儀的最主要的指標。關于能量分辨率的小結：(b)能量分辨率的公式是譜儀所達到的分辨率的極限和理論值。并可檢驗譜儀的性能。(c)能量分辨率的數(shù)值是對某一能量而言的，它與入射粒子能量的關系為89

對于電離室譜儀，放大器輸出的脈沖幅度為：

其中，A為放大器的放大倍數(shù)，是一個連續(xù)型隨機變量。則：(2)放大器放大倍數(shù)漲落的影響90

放大器的噪聲對輸出脈沖幅度漲落的影響是疊加的關系，即：電離室輸出脈沖幅度放大器噪聲折合到輸入端的信號幅度幅度平均值為：其相對均方漲落：其中，為放大器的信噪比.(3)放大器噪聲的影響91

綜合考慮統(tǒng)計漲落放大器放大倍數(shù)A的漲落，放大器噪聲的影響，則電離室譜儀放大器輸出信號的相對均方漲落為：

要使分析器道寬影響不超過1/100，F(xiàn)WHM內(nèi)須不少于6～7道。幅度分析器的道寬對能量分辨率也有影響：能量分辨率為：922)電離室的飽和特性曲線----脈沖幅度h與電離室工作電壓V0的關系影響因素：離子和電子的復合或擴散效應。飽和特性曲線形成的物理過程：

飽和區(qū)斜率的原因：隨工作電壓的升高而使靈敏體積增加及負離子的釋放。V0hV1V1飽和電壓933)電離室的坪特性曲線

當輸出脈沖幅度飽和后，計數(shù)率不再隨工作電壓而變化，稱坪特性曲線。在入射粒子束流不變的情況下：V0n甄別閾h1>h2>h3h1h2h3入射粒子是單能的V1----電離室的計數(shù)率與工作電壓的關系944)探測效率定義：原因：A帶電粒子可能只在靈敏體積內(nèi)損失一部分能量；B電離過程是漲落的。這樣必將有一部分幅度低于甄別閾的信號脈沖未被記錄下來。γ粒子等中性粒子的探測效率則取決于與介質(zhì)作用產(chǎn)生次級帶電粒子的相互作用截面，以及次級帶電粒子能否進入靈敏體積。對帶電粒子955)時間特性――常用三種指標A：分辨時間——能分辨開兩個相繼入射粒子間的最小時間間隔。

主要取決于輸出回路參數(shù)的選擇和放大器的時間常數(shù)的大小。B：時滯d——入射粒子的入射時刻與輸出脈沖產(chǎn)生的時間差。

C：時間分辨本領——即由探測器輸出脈沖來確定入射粒子入射時刻的精度。

96

當電離室的輸出信號是反映大量入射粒子的平均電離效應時，稱作電流工作狀態(tài)或累計工作狀態(tài)。此時電離室稱作“累計電離室”或“電流電離室”。恒定狀態(tài)下，輸出直流電流信號是：設入射粒子在電離室靈敏體積內(nèi)各處單位時間、單位體積內(nèi)恒定地產(chǎn)生

對離子對。則在靈敏體積A內(nèi)單位時間的總離子對數(shù)為：8.4 累計電離室971、輸出信號及其漲落

輸出信號可以是直流電流(相當于回路中接入內(nèi)阻極小的電流計，即RL=0)或直流電壓(在輸出回路上的積分電壓)信號。

若單位時間內(nèi)射入電離室靈敏體積內(nèi)的帶電粒子的平均值為，每個入射帶電粒子平均在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生個離子對，則電流電離室輸出電流信號的平均值為：（1）輸出信號輸出直流電壓信號98（2）輸出信號的漲落

假設，每一對離子產(chǎn)生后將立即使探測器產(chǎn)生一輸出信號：

若單位時間內(nèi)射入電離室靈敏體積內(nèi)的帶電粒子的平均值為，每個入射帶電粒子平均在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生個離子對，而且這兩個值均不隨時間變化。99

這樣，在任一時刻t

，探測器的總輸出信號是此時刻以前在探測器內(nèi)產(chǎn)生的各個離子對所產(chǎn)生信號在此時的所取值的疊加。100

用M表示在t以前的與＋間隔內(nèi)入射粒子流在探測器內(nèi)產(chǎn)生的離子對數(shù)目。這些離子對的信號經(jīng)過時間到達t時刻的信號值大小為：t時刻的總信號St應當是t以前(由0)產(chǎn)生的離子對在t時刻的信號的總和，即：101M是t以前的與＋間隔內(nèi)的n個入射粒子分別在探測器內(nèi)產(chǎn)生的離子對數(shù)Ni

的總和。這樣，M顯然是由n及N串級而成的串級型隨機變量。M平均值為：M方差為：102M方差為：考慮到n遵守泊松分布：N遵守法諾分布：103由于，而且，不同內(nèi)產(chǎn)生的M是相互獨立的。因此：St的平均值為：令：104下面分析St的相對均方漲落：由于獨立隨機變量和的方差是各方差的和。有：所以：105則St的相對均方漲落為：

從式子可以看出，粒子入射探測器后產(chǎn)生的離子對數(shù)N的漲落對于累計信號的相對均方漲落的影響很小。累計信號的相對均方漲落主要決定于入射粒子數(shù)的漲落。106

近似用寬度為T的矩形脈沖代表一對離子所產(chǎn)生的電流信號f()，求輸出電流信號及其相對均方漲落。則：107則，輸出電流信號平均值為：輸出電流信號相對均方漲落為：108

當R00時，在輸出端輸出一直流電壓信號，

一個離子對漂移在輸出回路所產(chǎn)生的電壓信號近似為一指數(shù)信號：則：109則，輸出電壓信號平均值為：輸出電壓信號相對均方漲落為：110

累計電離室工作狀態(tài)要求其輸出電流或電壓信號的相對均方漲落要遠小于“1”。即：電流脈沖寬度要遠大于入射粒子平均時間間隔輸出回路的時間常數(shù)要遠大于入射粒子平均時間間隔111累計工作狀態(tài)的物理意義為：入射粒子流強度足夠大，以至在時間內(nèi)的入射粒子數(shù)遠大于1；或強到在離子收集時間T內(nèi)就有大量粒子入射，即使，I0(t)也反映了大量粒子的平均電離效應。這兩種情況下，電離室均工作于電流工作狀態(tài)。

112(1)“脈沖電離室”與“累計電離室”僅是電離室的兩種工作狀態(tài)，由入射粒子流的強度及輸出回路的時間常數(shù)決定。電離室結構并無本質(zhì)差別。(2)當時，，即輸出電流的漲落很小，輸出為直流電流信號；

當時，，即輸出電壓的漲落很小，輸出為直流電壓信號。

結論：113

與脈沖電離室一樣具有飽和特性曲線，一般工作于飽和區(qū)。還有一些特性不同于脈沖電離室：

1)靈敏度影響靈敏度的因素有電離室的結構、氣體壓力和組分、入射粒子的類型和能量等。2、電流電離室的主要性能

單位入射粒子流強度引起的電離室輸出信號電流或電壓幅度：1142)線性范圍——一定工作電壓下，輸出信號的幅度與入射粒子流強度的保持線性關系的范圍(一般用輻射強度的范圍表示)

。

只要電離室工作在飽和區(qū)，則信號電流與入射粒子流強度就成正比關系，即線性關系。

但是，當入射粒子流強度增大時，飽和電壓將提高。一旦當入射粒子流強度大到使飽和電壓超過了原來選好的工作電壓V0時，電離室將不再工作于飽和區(qū)，信號電流將比預期值小。即出現(xiàn)非線性。1151163)響應時間——反映當入射粒子流強度發(fā)生變化時，輸出信號的變化規(guī)律。

對電壓信號，它跟隨輻射強度變化的響應時間主要決定于電離室輸出回路的時間常數(shù)R0C0值。

對電流信號，其滯后時間將最大為離子收集時間T。T就是累計電離室電流信號的響應時間。對t=0時的階躍變化，輸出電壓為：一般需要5～7R0C0才能達到平衡。1174)能量響應――即靈敏度隨入射粒子能量而變化的關系。

一般情況下，希望靈敏度與輻射能量無關，即相同的照射量率不因輻射能量不同而造成不同的輸出。1183、電流電離室的應用

累計電離室的應用比脈沖電離室更為廣泛，特別是充入高壓工作氣體的累計電離室，靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長。

由于其具有十分良好的承受惡劣工作環(huán)境影響的能力，所以，在工業(yè)上可應用于核輻射密度計、厚度計、料位計、水分計、核子秤等。

累計電離室還可應用于劑量測量、反應堆監(jiān)測等方面。119脈沖電離室離子脈沖電離室電子脈沖電離室電離室累計電離室脈沖電離室僅反映了入射粒子的直接電離產(chǎn)生的離子對，因此，其輸出信號很小，需要放大倍數(shù)很大的放大器，而放大器的噪聲水平限制了入射粒子的能量下限，為解決這一問題，設計了正比計數(shù)器。120Pulseamplitude(logscale)1218.5正比計數(shù)器（ProportionalCounters）

正比計數(shù)器中，利用碰撞電離將入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應放大了，使得正比計數(shù)器的輸出信號幅度比脈沖電離室顯著增大。

對直接電離效應放大的倍數(shù)稱為“氣體放大倍數(shù)”，以A表示，在一定的工作條件下，A保持為常數(shù)。

正比計數(shù)器屬于非自持放電的氣體電離探測器。1221、正比計數(shù)器的工作原理1).正比計數(shù)器的結構特點

結構上必須滿足實現(xiàn)碰撞電離的需要，而在強電場下才能實現(xiàn)碰撞電離。

在一個大氣壓下，電子在氣體中的自由程約10-3～10-4cm，氣體的電離電位～20eV。要使電子在一個自由程就達到電離電位，場強須>104V/cm。

為達到這一要求，一般采用非均勻電場，以圓柱型為主。123設計思想：利用圓柱形電場的特點在中央絲極附近會產(chǎn)生小范圍的強電場區(qū)域。距中心為r的場強：實例：當V0＝1000V，a＝25m，b＝1cm時，在r＝0.017cm處，電場強度相當于臨界場強ET～104V/cm。124由：在r＝b時場強最小，r＝a時場強最大。定義：

對于一個確定的正比計數(shù)器，只有當工作電壓V>VT

時，才工作于正比計數(shù)器工作區(qū)，否則工作于電離室區(qū)。VT稱為正比計數(shù)器的起始電壓(閾壓).125

當V0>VT

時，僅在a

～

r0

區(qū)間內(nèi)發(fā)生碰撞電離。

一般r0很小，和a是同一量級，這樣入射粒子在r0內(nèi)產(chǎn)生電離的可能性很小，可以忽略。因此，在不同位置射入的入射粒子所產(chǎn)生的電離效應在正比計數(shù)器中都經(jīng)受同樣的氣體放大過程，都有同一個氣體放大倍數(shù)。

正比計數(shù)器輸出信號主要由正離子漂移貢獻。126碰撞電離只有電子才能實現(xiàn)。

當電子到達距絲極一定距離r0

之后，通過碰撞電離過程，電子的數(shù)目不斷增多，這個過程稱為氣體放大過程，又稱電子雪崩(electronavalanche)。2).碰撞電離與氣體放大定義氣體放大倍數(shù)：127假定：(1)發(fā)生碰撞電離的截面正比于電子的動能，即(2)近似認為電子的能量就是電子在兩次碰撞間從電場獲得的能量?？傻玫饺缦玛P系：當電壓足夠高，即V0/VT>>1時，氣體放大倍數(shù)與工作電壓的關系128結論：(2)A僅與V0，VT有關，與入射粒子的位置無關。(1)，在半對數(shù)座標圖上近似為直線。1293).氣體放大過程中光子的作用——光子反饋

在電子與氣體分子的碰撞中，不僅能產(chǎn)生碰撞電離，同時也能產(chǎn)生碰撞激發(fā)。氣體分子在退激時會發(fā)出紫外光子，其能量一般大于陰極材料的表面逸出功，而在陰極打出次電子。次電子可以在電場的加速發(fā)生碰撞電離。這個過程稱為光子反饋。130

定義：光子反饋概率

為每個到達陽極的電子通過光子反饋又在陰極打出一個次電子的概率。

由于光子反饋，使得總放大倍數(shù)增加，為：當時，131對于光子反饋的影響，注意兩點：(1)光子反饋的過程(10-9s)遠快于電子的漂移過程(10-6s)，對信號的形成而言，在時間上是同時事件。(2)加入少量的多原子分子氣體M，它可以強烈吸收氣體分子退激所發(fā)出的紫外光子而處于激發(fā)態(tài)M*，它不再發(fā)出光子而是分解為幾個小分子(超前分解)退激。這樣可以阻止紫外光子打到陰極而減小光子反饋，使曲線的變化平緩。1324).氣體放大過程中正離子的作用

離子漂移速度慢，在電子漂移、碰撞電離等過程中，可以認為正離子基本沒動，形成空間電荷，處于陽極絲附近，會影響附近區(qū)域的電場，使電場強度變?nèi)酰绊戨娮友┍肋^程的進行。

正離子漂移到達陰極，與陰極表面的感應電荷中和時有一定概率產(chǎn)生次電子，發(fā)生新的電子雪崩過程，稱為離子反饋；也可以通過加入少量多原子分子氣體阻斷離子反饋。133正比計數(shù)器的輸出回路2、正比計數(shù)器的輸出信號134假定：(1)

A>>1。即忽略初始電離產(chǎn)生的離子對對輸出信號的貢獻。(2)全部輸出信號均為正離子由陽極表面向陰極漂移而在外回路流過的感應電荷。這時，由于r0很小，以至電子在陰極的感應電荷很小，而可以忽略電子對輸出信號的貢獻。135正比計數(shù)器的本征電流：由于：則：其中，僅取決于結構、工作氣體及工作電壓等。136由于很小，所以電流隨時間而迅速下降。137

電壓脈沖信號與輸出回路時間常數(shù)的選取有關，與粒子入射位置無關。

式中f(t)為僅與R0C0和有關的時間函數(shù)，與入射粒子的位置和能量無關。138(1)電流脈沖I(t)的形狀一定，與入射粒子的位置無關；輸出電壓脈沖為定前沿脈沖。結論：(2)由于～10-8s，即使t～100，也就是輸出電流降為初始的約1/100,也僅需要s量級，可以獲得快的響應時間特性。(3)當R0C0>>T＋時，獲得最大輸出脈沖幅度ANe/C0，但不管選取什么R0C0的值，電壓脈沖幅度均正比于ANe。因此可選擇小的輸出回路時間常數(shù)，獲得好的分辨時間。1391)輸出脈沖幅度與能量分辨率

輸出脈沖幅度的漲落是一個二級串級型隨機變量：輸出脈沖幅度：3、正比計數(shù)器的性能實驗表明，所以，能量分辨率

140影響正比計數(shù)器能量分辨率的其他因素：①陽極絲的均勻性。④電子學系統(tǒng)的影響。③末端效應和室壁效應。②負電性氣體的存在。

使不同區(qū)域A不同，故同樣能量粒子在不同入射位置產(chǎn)生信號的大小不同。

使一些初級電子消失，影響輸出脈沖幅度。

入射粒子能量未完全損失在靈敏體積。

放大器噪聲、高壓的不穩(wěn)定性、放大器放大倍數(shù)的不穩(wěn)定性等的影響。1412)

探測效率和坪特性142143

分辨時間(死時間)

主要由輸出脈沖的寬度決定。脈沖越寬，死時間越大。3)分辨時間(死時間)和計數(shù)率修正

在死時間

內(nèi)再產(chǎn)生的脈沖不會被記錄，從而會造成計數(shù)的損失，為此必須考慮計數(shù)率的修正。144

即正比計數(shù)器的雪崩過程僅在絲極的局部發(fā)生，因此在一個雪崩進行的過程中，仍會有其他雪崩在不同位置產(chǎn)生的可能。這樣，在第一個信號脈沖后內(nèi)又來第二個脈沖，第二個脈沖又將跟隨一個

，在此時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖仍不被記錄。正比計數(shù)器的死時間屬于可擴展型的。正比計數(shù)器的雪崩區(qū)域范圍很小，單個電子形成的雪崩區(qū)寬度~200m，一個入射粒子形成的雪崩區(qū)寬度就是入射粒子徑跡在陽極絲上的投影。145分辨時間的兩種模型：GM管正比計數(shù)器

對正比計數(shù)器，如果輸入脈沖的時間間隔都小于分辨時間，會引起計數(shù)器的堵塞。146

兩個相鄰脈沖的時間間隔是一個連續(xù)型隨機變量。對于平均計數(shù)率為m的相鄰兩脈沖的時間間隔小于

的概率為：

與前一信號之時間間隔小于

的脈沖將不被記錄，由此，單位時間內(nèi)由于分辨時間影響而丟失的計數(shù)為：147正比計數(shù)器實際測量到的計數(shù)率為：當：可得到：當m=1/

時，得到最大計數(shù)率：1484)

時滯

正比計數(shù)器的時滯即初始電子從產(chǎn)生處漂移到陽極附近所需的時間。同樣具有隨機性，限制了時間的測量精度。

測量粒子入射時刻的精確度，稱為探測器的時間分辨本領。

注意時間分辨本領與分辨時間的不同。1494、正比計數(shù)器的應用1）

流氣式4正比計數(shù)器2）低能X射線正比計數(shù)器——鼓形正比計數(shù)器。特點：4立體角，探測效率高；流氣工作方式，換樣品方便，結構密封簡單；陽極絲為環(huán)狀。特點：有入射窗，常用Be(鈹)窗。1503）單絲位置靈敏正比計數(shù)器特點：陽極絲為高阻絲。由分流不同而確定粒子入射位置。1514）多絲正比室152G-M計數(shù)管是由蓋革(Geiger)和彌勒(Mueller)發(fā)明的一種利用自持放電的氣體電離探測器。8.6 G-M計數(shù)管G-M管的特點是：制造簡單、價格便宜、使用方便。靈敏度高、輸出電荷量大。G-M管的缺點是：死時間長，不能測能量僅能用于計數(shù)。1531、G-M管的工作機制

由于光子反饋過程的存在，氣體放大倍數(shù)為：1）正離子鞘的形成及自持放電過程

在正比計數(shù)器中，光子反饋和正離子反饋的作用極微弱，因此，經(jīng)一次雪崩以后增殖過程即行終止，且雪崩只限于局部的區(qū)域，對一個初始電子僅展寬200m左右。154但在G-M計數(shù)管中，光子反饋和離子反饋就成為主要的過程。以光子反饋為例，通常條件下，，當時，G-M管的自持放電過程可以分解為下列環(huán)節(jié)：

①初始電離及碰撞電離過程：電子加速發(fā)生碰撞電離形成電子潮－雪崩過程。155②放電傳播：放出的紫外光子打到陰極上并打出次電子（光子反饋）。

氣體放電迅速遍及整個管子，正離子包圍整個陽極絲，并逐步加厚形成正離子鞘。由于正離子鞘的形成，使陽極絲附近的電場減弱，使放電終止。

電子很快被陽極收集，該過程形成“電子電流”。③正離子鞘向陰極漂移過程：形成“離子電流”，是形成輸出脈沖的主要貢獻。156157④正離子在陰極表面的電荷中和過程（離子反饋）：過程之一：過程之二：

這些過程均發(fā)生在第一次正離子漂移快結束時，在陰極新產(chǎn)生的電子又向陽極漂移，引起新的雪崩，從而在外回路形成第二個脈沖。如此周而復始，即自持放電過程。所以稱為非自熄G-M計數(shù)管。1582)有機自熄G-M計數(shù)管

在工作氣體中加入少量有機氣體M(多原子分子氣體，又稱淬熄氣體)，構成的G-M管。例如，90％的氬氣(Ar)和10％的酒精(C2H5OH).

這樣的G-M管具有自熄能力，稱為有機自熄G-M管，或簡稱為有機管。159

有機分子氣體M能夠強烈吸收Ar*發(fā)出的紫外光形成M*或M＋，使Ar*發(fā)出的紫外光打不到陰極上而阻斷了部分光子反饋過程；在正離子鞘向陰極漂移過程中，氬離子Ar+與有機分子M發(fā)生充分的電荷交換，到達陰極表面時均為有機分子離子M+；當M+與陰極上的電子中和時，除克服電子在中和時需克服的逸出功外，多余能量使有機分子處于激發(fā)態(tài)M*，M*主要以超前離解退激，阻斷了幾乎全部離子反饋過程。160有機管的工作機制可歸納為：①初始電離及碰撞電離過程：電子加速發(fā)生碰撞電離形成電子潮－雪崩過程。②放電傳播：放出的紫外光子被有機氣體分子吸收，即：

有機氣體分子強烈吸收Ar*放出的紫外光子，在沿絲極很小范圍內(nèi)發(fā)生電離過程。放電沿陽極絲向兩端傳播，同時，正離子鞘也沿陽極絲向兩端形成，其結果是使放電終止。161③正離子鞘向陰極漂移過程：在正離子鞘向陰極漂移過程中，實現(xiàn)充分的電荷交換,

到達陰極時正離子均由有機氣體離子M+組成。例如：Ar的電離電位IAr

＝15.7eV；

Ar的激發(fā)態(tài)能級； 酒精的電離電位162④正離子在陰極表面的行為：有機氣體離子在陰極的電荷中和過程為：M*發(fā)生超前離解，抑制了離子反饋過程(處于激發(fā)態(tài)的有機分子的超前離解過程的平均壽命為10-13s，而退激過程的平均壽命為10-8s)，不會再引起新的雪崩，使放電過程熄滅，所以可以稱為自熄G-M計數(shù)管。163有機管存在的問題：工作電壓較高，由于有機氣體具有豐富的激發(fā)能級，電子能量難于積累，為在兩次碰撞中能積累足夠的能量達到氬或有機分子的電離電位，須加足夠高的工作電壓。有機管的壽命較短，有機管工作過程中，將發(fā)生大量有機分子的分解，使初始充入的有機分子數(shù)目變少，分解產(chǎn)物增加，管內(nèi)氣壓逐漸增大，最后將使有機管失效。有機管的壽命一般為107～108計數(shù)。1643)鹵素自熄G-M計數(shù)管

工作氣體組成：氖氣(Ne)為主要工作氣體，并在其中加入微量鹵素氣體(如0.5％～1％的Br2)。由于Ne的電離電位，其亞穩(wěn)態(tài)能級的能量和第一激發(fā)態(tài)能級的能量為，而Br2的電離電位，使電離過程發(fā)生重大變化；處于激發(fā)態(tài)的 極易超前離解，起到有機氣體分子相同的作用。165鹵素管的工作機制可歸納為：①初始電離及碰撞電離過程：電離過程靠氖的亞穩(wěn)態(tài)原子的中介作用形成電子潮。

這類碰撞稱為第二類非彈性碰撞，其碰撞截面很大，即使對微量的Br2，在Ne生成的10-8s內(nèi)就可以與Br2發(fā)生碰撞而產(chǎn)生新的電子。166②放電傳播由處于激發(fā)態(tài)的氖原子退激發(fā)出的光子在陰極打出次電子或被Br2吸收，使之電離而產(chǎn)生新的電子。正離子鞘由組成。③正離子鞘向陰極漂移過程：正離子鞘向陰極漂移，到達陰極的是④在陰極表面與電子中和超前離解而自熄。167鹵素管的特點：②較低閾壓①自動淬熄，的超前離解。碰撞電離中的中介作用。電子能量不需加速到氖的電離電位，在電子能量達到 前很少發(fā)生非彈性碰撞，電子能量容易積累。當含量增加，電子在能量達到前與分子的非彈性碰撞(激發(fā))則變得重要，低閾壓的特點不再存在。168③壽命較長：Br原子的復合。④放電區(qū)域較大

鹵素管可以在較弱的場強下即可發(fā)生雪崩過程，因而電子漂移對輸出脈沖幅度貢獻較大，輸出回路不僅參與輸出信號的形成，還參與放電過程的終止。⑤

鹵素為負電性氣體，影響鹵素計數(shù)管的特性，尤其是坪特性曲線。169

自熄G-M計數(shù)管輸出脈沖形狀與正比計數(shù)管無明顯區(qū)別。初始雪崩和放電過程所需的時間一般短于1s。放電所產(chǎn)生的電子