第八章氣體探測器

第八章氣體探測器第一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五輻射探測器學(xué)習(xí)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(biāo)；探測器的典型應(yīng)用。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(yīng)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。第二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第八章

氣體探測器Gas－filledDetector第三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五電離損失——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)。

8.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律1、氣體的電離與激發(fā)入射粒子直接產(chǎn)生的離子對稱為原電離。初電離產(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+次電離第四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五

電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一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(dāng)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.NumberofIonPairsFormed第五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五B.TheFanoFactor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)的方差過去實驗測量不同氣體的法諾因子介于1/3～1/2之間，但目前實際可以做到不大于0.2。第六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五C、光致電離Cs原子的電離電位最低，3.88eV；相應(yīng)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)。第七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五上述兩過程均在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(dāng)它與其它粒子發(fā)生非彈性碰撞時才能退激。第八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五2、電子與離子在氣體中的運動當(dāng)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(jié)果會發(fā)生以下物理過程：Diffusion；ElectronAttachment；Recombination；第九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五A.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(xué)，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)電子或離子密度第十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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(guān)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(yīng)比離子的嚴(yán)重。第十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五B.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(yīng)。Electronattachmente-Negativeion第十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五例如O2、H2O，的，鹵素達每次碰撞中被電子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(yīng)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。第十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五C.復(fù)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(fù)合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋第十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五為復(fù)合系數(shù)復(fù)合的結(jié)果是把許多有用信號給復(fù)合掉，使有用的信號減少。因此，復(fù)合現(xiàn)象在探測器正常工作中應(yīng)盡量避免。復(fù)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(fù)合系數(shù)要比正離子與電子的復(fù)合系數(shù)大得多。第十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五D.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”。第十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五對于離子：在存在電場的情況下，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第十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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)。第十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五對于自由電子：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)。第十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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(guān)系均由試驗測定。一般給出的是實驗曲線(如圖8.2、8.3、8.4)。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。第二十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(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（如鹵素）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：第二十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五E、電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)

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(jié)合成中性分子，中性氣體分子成為正離子。

電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)在混合氣體中比較明顯。

電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)可以減小離子的遷移率，降低離子的漂移速度。

復(fù)合效應(yīng)、電子吸附效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)等，都不利于電荷收集。第二十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3．氣體放電A、雪崩

電子在氣體中的電離碰撞過程。發(fā)生雪崩的閾值電場：ET~106V/m。第二十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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。第二十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五B、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(jié)束，只發(fā)生一次。第二十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五I:復(fù)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)第二十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五8.2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(yīng)，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(yīng)，處于這種工作狀態(tài)的電離室稱為：累計電離室。第二十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五1、電離室的基本結(jié)構(gòu)不同類型的電離室在結(jié)構(gòu)上基本相同.典型結(jié)構(gòu)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。第二十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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第二十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五圓柱型電離室第三十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五靈敏體積：由通過收集級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(dāng)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。第三十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五氣體壓力：從10-1~10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。需要保證氣體的成分和壓力，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。第三十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第一步：假設(shè)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。第三十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第二步：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(yīng)出一定的負電荷，設(shè)分別為-q1、-q2高斯定律：第三十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五即正電荷靠哪個極板近，那個極板上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷多。這就相當(dāng)于感應(yīng)電荷從外回路流過，即在外回路流過電流i+(t)。第三步：當(dāng)電荷沿電場向收集極運動，則上極板a上感應(yīng)電荷

減少，下極板b上感應(yīng)電荷

增加。且第三十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五正離子漂移所引起的負感應(yīng)電荷在回路中流過的電荷量為：第三十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第四步：當(dāng)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(yīng)電荷：

當(dāng)e+到達b極板，e+與b極板上的感應(yīng)電荷中和。外回路電流結(jié)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(jié)果是否與正電荷有共同之處？第三十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五電子(負離子)漂移所引起的正感應(yīng)電荷在回路中流過的電荷量為：第三十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五如果在電場中同一點引入一負電荷，它將在ab兩極板上分別感應(yīng)一定的正電荷，分別為和。當(dāng)負電荷沿電場反方向運動時，則a極板上感應(yīng)電荷

增加，而b極板上感應(yīng)電荷

減少。整個過程中，流過外回路的總電荷量為：相應(yīng)在外回路流過電流為，電流方向與相同。第三十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五同一點引入正負電荷：當(dāng)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-

=e第四十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(1)只有當(dāng)空間電荷在極板間移動時，在外回路才有電流流過，此時i(t)=i+(t)+i

–(t)，正、負電荷的感應(yīng)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(jié)束，外回路感應(yīng)電流消失。當(dāng)負電荷被收集后，外回路中就只有正電荷的感應(yīng)電流。結(jié)論：(2)當(dāng)+e、e電荷在同一位置產(chǎn)生時，它們在極板上的感應(yīng)電荷量分別相同；+e、e電荷漂移結(jié)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(guān)。第四十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(1)當(dāng)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(jié)論：(2)當(dāng)N個離子對全部被收集時，流過外電路的總電荷量為：第四十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五輸出回路的定義：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(yīng)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′。第四十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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。第四十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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(yīng)。可以測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(shè)入射離子在靈敏體積中產(chǎn)生N個離子對，并忽略擴散和復(fù)合的影響，而且在信號結(jié)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。

第四十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五電離室是一個理想的電荷源（其外回路對輸出量無影響）。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個離子對并全部為極板收集后的總輸出電荷量：這一結(jié)果與極板形狀、電場分布、輸出回路參數(shù)無關(guān)。第四十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(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(dāng)于用輸入阻抗極小的電流計測量電離室輸出信號的情況。第四十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五下面來計算電流的大小：電源提供功率：電場對電子－正離子對漂移所做的功：離子、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。

能量守恒第四十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五求解得到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）第四十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五以平板電離室為例，設(shè)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b極板的時間；幾個重要時刻：t1為開始有電子到達a極板的時間；T–

為電子全部到達a極板的時間；T+為正離子全部到達b極板的時間。離子和電子的初始數(shù)目為：第五十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第五十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(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?？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)第五十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五推導(dǎo)過程的物理基礎(chǔ)：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－正離子在電場下漂移所消耗的功率We(t)能量守恒根據(jù)能量守恒：第五十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五①電源功率W(t)

②靈敏體積內(nèi)電子－正離子在電場下漂移所消耗的功率第五十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五a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)第五十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五能量守恒令：第五十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(A)由于V(t)<<V0為電離室的本征電流。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。結(jié)論：第五十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(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第五十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3)電離室的輸出電壓信號解微分方程：第五十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(1)當(dāng)時，即全部電子和正離子對輸出信號都有貢獻。在t<T+時間內(nèi)當(dāng)t=T+時當(dāng)t>T+時第六十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第六十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五A、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，噪聲大而非實用。結(jié)論：第六十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(2)

當(dāng)，正離子漂移的貢獻可以忽略，在t<T－時間內(nèi)當(dāng)t＝T－時當(dāng)t>

T－時第六十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第六十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五A、輸出脈沖幅度，僅取決于電子漂移在外回路中流過的電荷量。B、由于，大約是微秒量級，將大大降低電壓輸出脈沖的寬度，得到快的響應(yīng)時間。結(jié)論：工作于這種狀態(tài)的電離室稱為電子脈沖電離室。存在問題：輸出電壓脈沖幅度h-與初始電離的位置有關(guān)，也就是Q-與初始電離位置有關(guān)。第六十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五即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(guān)。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(guān)，而且，與離子對生成的位置有關(guān)。第六十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(3)影響輸出信號形狀的因素第六十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第六十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(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(guān)于電離室輸出電壓信號的一些重要結(jié)論：(A)電子離子對一旦形成，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(guān)。(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(guān)，導(dǎo)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。第六十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五

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，噪聲大而非實用。

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(guān)，也就是Q—與初始電離位置有關(guān)。第七十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五2、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第七十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五設(shè)計思想：利用圓柱形電場的特點來減少Q(mào)－與入射粒子位置的關(guān)系，達到利用“電子脈沖”來測量能量的目的。距中心位置為r的場強：電位為：設(shè)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第七十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五輸出脈沖電荷量輸出電壓脈沖幅度結(jié)論：選擇足夠大的b/a值，在r0較大時，h(r0)與r0之間的關(guān)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第七十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五2)屏柵電離室（TheGriddedIonChamber）屏柵電離室的構(gòu)成：負極B、正極A、柵極G、電源和負載電阻。（講義圖8.20）第七十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(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(gòu)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(yīng)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(dāng)于N個電子先后在柵極上產(chǎn)生，然后，掃過G－A電極；在輸出回路上輸出電壓脈沖信號：(2)信號時滯(3)輸出信號的上升時間第七十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3、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(guān)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。第七十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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第七十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五4、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。第七十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五能量分辨率：半寬度多道測量的脈沖幅度譜：能量分辨率反映了譜儀對不同入射粒子能量的分辨能力。第七十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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(guān)系式：電離室輸出脈沖幅度同樣服從高斯分布第八十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五幅度平均值：標(biāo)準(zhǔn)偏差：相對標(biāo)準(zhǔn)偏差：且有：能量分辨率為：第八十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(1)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(biāo)。關(guān)于能量分辨率的小結(jié)：(2)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。(3)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(guān)系為第八十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五對于電離室譜儀，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：第八十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五考慮到放大器的噪聲對輸出幅度漲落的影響是疊加的關(guān)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.第八十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五綜合考慮放大器放大倍數(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，第八十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五2)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(guān)系影響因素：離子和電子的復(fù)合或擴散效應(yīng)。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。V0hV1飽和電壓第八十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3)電離室的坪特性曲線當(dāng)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(guān)系第八十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五4)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。對帶電粒子第八十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五5)時間特性――常用三種指標(biāo)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(lǐng)——即由探測器輸出脈沖來確定入射粒子入射時刻的精度。

第八十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)電離室的輸出信號是反映大量入射粒子的平均電離效應(yīng)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(shè)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。則在靈敏體積內(nèi)單位時間的總離子對數(shù)為8.4 累計電離室第九十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五1、輸出信號及其漲落輸出信號可以是直流電流(相當(dāng)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第九十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五（2）輸出信號的漲落假設(shè)，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。第九十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五這樣，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。第九十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五用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)。這些離子對的信號經(jīng)過時間到達t時刻的信號為：t時刻的總信號St應(yīng)當(dāng)是t以前(由0)產(chǎn)生的離子對在t時刻的信號的總和，即：第九十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五M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：第九十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五M方差為：考慮到n遵守泊松分布：N遵守法諾分布：第九十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五由于，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：第九十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五下面分析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：第九十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五則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。第九十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)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：則，輸出電流信號平均值為：輸出電流信號相對均方漲落為：第一百頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)R0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：第一百零一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五則，輸出電壓信號平均值為：輸出電壓信號相對均方漲落為：第一百零二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五這樣，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第一百零三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五累計工作狀態(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(yīng)。這兩種情況下，電離室均工作于電流工作狀態(tài)。

第一百零四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(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(jié)構(gòu)并無本質(zhì)差別。(2)當(dāng)時，，即輸出電流的漲落很小，輸出為直流電流信號；

當(dāng)時，，即輸出電壓的漲落很小，輸出為直流電壓信號。

結(jié)論：第一百零五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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(jié)構(gòu)、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：第一百零六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五2)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(guān)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一定成正比關(guān)系，即線性關(guān)系。但是，當(dāng)入射粒子流強度增大時，飽和電壓將提高。一旦當(dāng)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(yù)期值小。即出現(xiàn)非線性。第一百零七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第一百零八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3)響應(yīng)時間——反映當(dāng)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(yīng)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(yīng)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。第一百零九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五4)能量響應(yīng)――即靈敏度隨入射粒子能量而變化的關(guān)系。一般情況下，希望靈敏度與輻射能量無關(guān)，即相同的照射量率不因輻射能量不同而造成不同的輸出。第一百一十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3、電流電離室的應(yīng)用累計電離室的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于劑量測量、反應(yīng)堆監(jiān)測等方面。第一百一十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五8.5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(yīng)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(yīng)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。第一百一十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五1、正比計數(shù)器的工作原理1).正比計數(shù)器的結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)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。第一百一十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五設(shè)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(dāng)V0＝1000V，a＝25m，b＝1cm時，在r＝0.02cm處，電場強度相當(dāng)于臨界場強ET。第一百一十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五由：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(dāng)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).第一百一十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)V0>VT

時，僅在r0～a

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(yīng)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。第一百一十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五碰撞電離只有電子才能實現(xiàn)。當(dāng)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)目不斷增殖，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)：第一百一十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五假定：(1)發(fā)生碰撞電離的截面正比于電子的動能，即(2)近似認(rèn)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(guān)系：當(dāng)電壓足夠高，即V0/VT>>1時，第一百一十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五結(jié)論：(2)A僅與V0，VT有關(guān)，與入射粒子的位置無關(guān)。(1)，在半對數(shù)座標(biāo)圖上近似為直線。第一百一十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3).氣體放大過程中的光子作用——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。第一百二十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五定義：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(dāng)時，第一百二十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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。第一百二十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五4).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(rèn)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)?，影響電子雪崩過程的進行。正離子漂移到達陰極，與陰極表面的感應(yīng)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。第一百二十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五2、正比計數(shù)器的輸出信號假定：(1)

A>>1。即忽略初始電離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(yīng)電荷。這時，由于r0很小，以至電子在陰極的感應(yīng)電荷很小，而可以忽略電子對輸出信號的貢獻。第一百二十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五得到本征電流：由于：則：其中，僅取決于結(jié)構(gòu)、工作氣體及工作電壓等。第一百二十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五由于很小，所以電流隨時間而迅速下降。第一百二十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五電壓脈沖信號與輸出回路時間常數(shù)的選取有關(guān)，與粒子入射位置無關(guān)。式中f(t)為僅與R0C0和有關(guān)的時間函數(shù)，與入射粒子的位置無關(guān)。第一百二十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五(1)電流脈沖I(t)的形狀一定，與入射粒子的位置無關(guān)；輸出電壓脈沖為定前沿脈沖。結(jié)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(yīng)時間特性。(3)當(dāng)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。第一百二十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五1)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

第一百二十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五影響正比計數(shù)器能量分辨率的其他因素：①陽極絲的均勻性。④電子學(xué)系統(tǒng)的影響。③末端效應(yīng)和室壁效應(yīng)。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。放大器噪聲等的影響。第一百三十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五2)

探測效率和坪特性第一百三十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五第一百三十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五分辨時間(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。由于正比計數(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。第一百三十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五兩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：實際測量到的計數(shù)率為：當(dāng)：可得到：第一百三十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五4)

時滯時滯即初始電子產(chǎn)生處漂移到陽極附近所需的時間。同樣具有隨機性，而限制了時間的測量精度，稱之為時間分辨本領(lǐng)。測量粒子入射時刻的精確度，稱為探測器的時間分辨本領(lǐng)。注意時間分辨本領(lǐng)與分辨時間的不同。第一百三十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五4、正比計數(shù)器的應(yīng)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(jié)構(gòu)密封簡單；陽極絲為環(huán)狀。特點：有入射窗，常用Be(鈹)窗。第一百三十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3）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。4）多絲正比室和漂移室多絲正比室的陰極為平板，陽極由平行的細絲組成多路正比計數(shù)器。位置靈敏度達到mm量級，為粒子物理等作出巨大貢獻，于1992年獲諾貝爾物理獎。漂移室由快探測器確定入射時刻，由正比絲確定漂移時間，位置靈敏度可達0.1mm。第一百三十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五G-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，僅能用于計數(shù)。第一百三十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五1、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。第一百三十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五但在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(dāng)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。第一百四十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五②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。第一百四十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五④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(jié)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(fù)始，即自持放電過程。所以稱為非自熄G-M計數(shù)管。第一百四十二頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五2)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(gòu)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。第一百四十三頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五有機分子氣體M能夠強烈吸收Ar*發(fā)出的紫外光形成M*，使Ar*發(fā)出的紫外光打不到陰極上而阻斷了光子反饋過程；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(dāng)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，阻斷了離子反饋過程。第一百四十四頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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(jié)果是使放電終止。第一百四十五頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五③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； 酒精的電離電位第一百四十六頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五④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。第一百四十七頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五有機管存在的問題：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)。第一百四十八頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五3)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。第一百四十九頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五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。第一百五十頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五②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。第一百五十一頁，共一百六十七頁，編輯于2023年，星期五