電離輻射探測-工程碩士課程4-氣體電離探測器課件

輻射探測學

第四章氣體電離探測器1輻射探測學

第四章氣體電離探測器1為什么要討論探測器？射線是普遍存在、應用廣泛的；類型不同：α，β，γ，中子來源不同：人工射線反應堆加速器同位素源天然射線40K：1.46MeV208Tl：2.61MeV能量不同：137Cs：0.662MeV60Co：1.17MeV,1.33MeV那么，我們是如何感知射線的存在，并知道射線的種類、能量、強度、時間等信息呢？我們感興趣的是：射線→電信號的探測器：需要探測器氣體電離室閃爍探測器半導體探測器……2為什么要討論探測器？射線是普遍存在、應用廣泛的；那么，我們是什么是電離輻射探測器？將被測的射線轉(zhuǎn)換為可觀測信號的特殊器件，稱之為電離輻射探測器，簡稱探測器。探測器是怎樣形成信號的？輻射粒子射入“靈敏體積”入射粒子與靈敏體積內(nèi)的工作介質(zhì)相互作用，損失能量并形成電離或激發(fā)探測器通過自身特有的工作機制將入射粒子的電離或激發(fā)效果轉(zhuǎn)化為某種輸出信號。各類探測器研究的主要內(nèi)容3什么是電離輻射探測器？將被測的射線轉(zhuǎn)換為可觀測信號的特殊器件在學習各種探測器時，應掌握四方面的內(nèi)容：探測器的工作機制入射粒子的能量轉(zhuǎn)換為輸出信號的物理過程是怎樣的？誰、如何攜帶了我們需要的關于射線的信息？探測器輸出信號的特點，包括對信號的估算及漲落分析探測器的主要性能探測器的典型應用4在學習各種探測器時，應掌握四方面的內(nèi)容：探測器的工作機制探測“主角”——載流子：各種探測器關注的核心問題按探測介質(zhì)和作用機制，探測器可分為三類：氣體電離探測器閃爍體探測器半導體探測器ChargeCarrier（信息）載流子電子－離子對第一打拿極收集到的光電子電子－空穴對今天，我們來討論氣體探測器5“主角”——載流子：各種探測器關注的核心問題按探測介質(zhì)和作用氣體電離探測器：以氣體為工作介質(zhì)，由入射粒子在其中產(chǎn)生的電離效應引起輸出電信號的探測器。按照產(chǎn)生信號的工作機制，可分為：電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器以及SQS計數(shù)器等。不斷發(fā)展1992年，法國科學家G.Charpak因發(fā)明多絲氣體正比室獲得諾貝爾物理獎1997年，Cern的科學家Sauli發(fā)明GEM探測器BNL的RHIC-STAR實驗：MRPC歷史悠久是最早被使用的射線探測器居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素釙和鐳時，用到了電離室Chadwick發(fā)現(xiàn)中子時，用G-M計數(shù)器來測量質(zhì)子仍在使用劑量儀中的G-M計數(shù)器測量中子的BF3、3He正比計數(shù)器集裝箱檢測系統(tǒng)的氣體電離室探測器6氣體電離探測器：不斷發(fā)展歷史悠久仍在使用6§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律§4.2電離室的工作機制和輸出回路§4.3脈沖電離室§4.4累計電離室§4.5正比計數(shù)器§4.6G-M計數(shù)管√7§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律√7§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律氣體的電離與激發(fā)——載流子的產(chǎn)生氣體中離子、電子的漂移與擴散運動——載流子的移動氣體放電——載流子的“增多”8§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律氣體的電離與激發(fā)8一.氣體的電離與激發(fā)——載流子的產(chǎn)生關于“電子－離子對”，請大家思考兩個問題：它們?nèi)绾涡纬?？“電子－離子對”是怎樣形成的？如何攜帶信息－何以勝任“主角”？為什么“電子－離子對”可以作為“信使”，在射線和我們（觀察者）之間架起認知的“橋梁”？帶電粒子不帶電粒子γ，中子射線快電子、重離子、裂變碎片等荷電粒子通過某些反應變成帶電粒子：γ：光電效應、康普頓散射、電子對效應中子：俘獲、反沖、裂變……僅在低能時考慮對載流子無貢獻在探測器的介質(zhì)中軔致輻射核阻止核外電子彈性碰撞電離與激發(fā)形成載流子9一.氣體的電離與激發(fā)——載流子的產(chǎn)生關于“電子－離子對”，氣體中的平均電離能若能量為E0的入射粒子將能量全部損失在氣體介質(zhì)中時，產(chǎn)生的平均電子－離子對數(shù)為：平均電離能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。氣體w()w(X,)w()I0(eV)He46.00.541.50.429.9+0.524.5Ne35.72.636.20.428.6821.6Ar26.30.126.20.215.8O232.30.131.80.331.5212.5CH429.10.127.30.312.8C2H428.030.0526.30.312.2空氣34.980.0533.730.1536.00.4最低電離電位W大約都為～30eV對同種氣體，不同種類或能量的帶電粒子的平均電離能基本不變?？梢該?jù)此來測量入射帶電粒子的能量。重要特性能量為E0的射線進入探測器靈敏體積損失能量，通過電離產(chǎn)生“電子－離子對”平均電離能W基本為常數(shù)電子－離子對的數(shù)目N（服從法諾分布）問題2：信息攜帶者10氣體中的平均電離能若能量為E0的入射粒子將能量全部損失在氣體二.電子與離子在氣體中的運動——載流子的移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，會發(fā)生以下物理過程：擴散（Diffusion）電荷轉(zhuǎn)移效應（Chargetransfer）電子吸附（ElectronAttachment）復合（Recombination）1.不存在外加電場的情況分兩種情況來看：沒有外加電場的情況有外加電場的情況11二.電子與離子在氣體中的運動——載流子的移動當不存在外加電(1)擴散(Diffusion)擴散：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)電子或離子的密度梯度12(1)擴散(Diffusion)擴散：在氣體中電離粒子的密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：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擴散效應對電子的收集影響不大，但對電離產(chǎn)生位置信息的確定有一定影響隨著時間的推移，將擴散為空間高斯分布平均自由程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(2)電荷轉(zhuǎn)移效應(Chargetransfer)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(jié)合成中性分子，中性氣體分子成為正離子。電荷轉(zhuǎn)移效應在混合氣體中比較明顯。后面在討論G-M管時會用到。14(2)電荷轉(zhuǎn)移效應(Chargetransfer)電荷轉(zhuǎn)(3)電子的吸附和負離子的形成吸附：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(3)電子的吸附和負離子的形成吸附：電子在運動過程中與氣體負電性氣體：例如O2、H2O的h≈10-4，鹵素達h≈10-3非負電性氣體：h小(h<10-6)的氣體：惰性氣體、H2、N2、CH4、多原子分子氣體。在與氣體分子發(fā)生的每次碰撞中，電子都有可能被俘獲，這個概率稱為該氣體的吸附系數(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？電子被俘獲形成負離子，很容易和正離子發(fā)生復合效應，減弱電離的效果，因此是不利的。氣體探測器的工作氣體應盡量選擇吸附系數(shù)小的氣體。16負電性氣體：在與氣體分子發(fā)生的每次碰撞中，電子都有可能被俘獲(4)復合(Recombination)有兩個過程：電子與正離子負離子與正離子它們相遇時可能復合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋17(4)復合(Recombination)有兩個過程：Rec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（大2～3個量級）。電子和離子的復合系數(shù)氣體電子復合系數(shù)e(cm3/s)離子復合系數(shù)i(cm3/s)H25.910111.5106He1.7108N21.4106O22.71071.6106Ar8.8107CO21.6106空氣1.5106復合的結(jié)果是把許多有用信號給復合掉（載流子減少）使有用的信號減少（幅度降低、統(tǒng)計性變差）因此，復合現(xiàn)象在探測器正常工作中應盡量避免18一旦形成了負離子，其運動速度遠小于電子電子和離子的復合系數(shù)氣離子和電子在外加電場中的漂移離子和電子，由于熱運動和空間分布不均勻：擴散在外加電場下：沿電場方向發(fā)生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”存在外加電場的情況19離子和電子在外加電場中的漂移離子和電子，由于熱運動和空間分布對于離子：離子漂移速度離子的遷移率約化場強電場強度氣體壓強離子的遷移率近似為常數(shù)。20對于離子：離子漂移速度離子的遷移率約化場強電場強度氣體壓強離對于自由電子：電子與氣體原子發(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)。21對于自由電子：電子與氣體原子發(fā)生彈性碰撞時，每次損失的能量很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)關系均由實驗測定，一般給出的是實驗曲線。ue(cm/s)30%20%10%5.3%2.1%66ppm純Ar22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(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敏感在單原子分子氣體中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。重要特點：電子與離子漂移的區(qū)別23(1)電子漂移速度一般為：離子漂移速度一般為：(2)電子的漂三.氣體放電——載流子“增多”雪崩(avalanche)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。電離產(chǎn)生的電子（除了δ電子）能量較低，無法再形成電離。當存在外加電場時，電子將從電場中不斷地獲得能量。隨著電場強度的增加，電子獲得的能量也在增加。彈性碰撞→激發(fā)→電離。24三.氣體放電——載流子“增多”雪崩(avalanche)電能“觸發(fā)”雪崩的其它因素要實現(xiàn)雪崩效應，需要具備哪些條件？1.足夠強的電場2.自由電子電離產(chǎn)生的電子二次電子發(fā)射：雪崩區(qū)產(chǎn)生的正離子經(jīng)過~103s到達器壁，并可能在器壁上打出二次電子。二次電子又可以引起新的雪崩。光子的作用：雪崩形成大量的電離和大量的激發(fā)，~106s;伴隨著雪崩過程，退激產(chǎn)生大量的光子。光子與氣體和器壁作用，打出光電子，~107s；光電子又可以引起新的雪崩。25能“觸發(fā)”雪崩的其它因素要實現(xiàn)雪崩效應，需要具備哪些條件？1氣體放大自持放電：通過光子的作用和二次電子發(fā)射，雪崩持續(xù)發(fā)展。非自持放電：雪崩從產(chǎn)生到結(jié)束，只發(fā)生一次。26氣體放大自持放電：非自持放電：26小結(jié)：氣體中離子與電子的運動統(tǒng)計性1.沒有外加電場2.有外加電場電場強度增大統(tǒng)計性統(tǒng)計性？統(tǒng)計性？or光致電離二次電子發(fā)射重帶電粒子擴散電子復合吸附離子復合如果電壓繼續(xù)提高，電場強度再增大，會怎樣……？雪崩法諾分布27小結(jié)：氣體中離子與電子的運動統(tǒng)計性1.沒有外加電場2.I復合區(qū)II飽和區(qū)III正比區(qū)IV有限正比區(qū)VG-M工作區(qū)VI連續(xù)放電區(qū)28IIIIIIIVVVI28§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律§4.2電離室的工作機制和輸出回路§4.3脈沖電離室§4.4累計電離室§4.5正比計數(shù)器§4.6G-M計數(shù)管√29§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律√29§4.2電離室的工作機制與輸出回路電離室的基本結(jié)構工作氣體輸出信號產(chǎn)生的物理過程電離室的輸出回路30§4.2電離室的工作機制與輸出回路電離室的基本結(jié)構30一.電離室的基本結(jié)構不同類型的電離室在結(jié)構上基本相同。典型結(jié)構有平板型和圓柱型。高壓極(K)：正高壓或負高壓；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。均包括：31一.電離室的基本結(jié)構不同類型的電離室在結(jié)構上基本相同。高壓平板型電離室高壓極收集極保護極高壓負載電阻外殼絕緣子α射線靈敏體積靈敏體積：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：使靈敏體積邊緣處的電場保持均勻；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。32平板型電離室高壓極收集極保護極高壓負載電阻外殼絕緣子α射線靈圓柱型電離室33圓柱型電離室33二.工作氣體氣體壓力：從10-1~10大氣壓。充滿電離室內(nèi)部空間，是電離室的工作介質(zhì)應選用電子吸附系數(shù)小的氣體如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。但也可以是流氣的。34二.工作氣體氣體壓力：從10-1~10大氣壓。充滿電離室內(nèi)三.輸出信號產(chǎn)生的物理過程——怎樣數(shù)清楚N？第一步：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：讓我們以氣體探測器的簡化結(jié)構入手：35三.輸出信號產(chǎn)生的物理過程——怎樣數(shù)清楚N？第一步：極板a第二步：在電離室內(nèi)某一點引入一單位正電荷+e奧-高定律：它將在兩極板上分別感應出一定的負電荷，設分別為：-q1、-q2dx并且36第二步：在電離室內(nèi)某一點引入一單位正電荷+e奧-高定律：它將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+e電荷沿電場向收集極b運動，則上極板a上感應電荷q1減少，下極板b上感應電荷q2增加。37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+(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極板上的感應電荷為-e當+e到達b極板，+e與b極板上的感應電荷-e中和。外回路電流結(jié)束，流過外回路的總電荷量為：38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)外類比考慮：+e→-e，又該當如何？請同學們自行推導過程電子(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：相應在外回路流過電流為i-(t)

，電流方向與i+(t)相同。dxq1和q2的大小分別與正電荷時相同39類比考慮：+e→-e，又該當如何？請同學們自行推導過程電子(這二者什么關系？重要關系：正負電荷“搬運”的電荷——外電路流過電荷量注意：這里有個前提——正負電荷是從同一個點開始運動的。同一點引入正負電荷同一位置的“電子－離子對”，則在外回路流經(jīng)的電流流過外回路的總電荷量先想想，它成立嗎？40這二者什么關系？重要關系：正負電荷“搬運”的電荷——外電路流小結(jié)：關于感應電荷與電流(1)只有當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)(2)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。(3)電荷漂移過程結(jié)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。(4)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；(5)+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。射線電離所產(chǎn)生的任何一個“電子離子對”——+e、e，是來自于同一個中性原子(分子)的，因此，其產(chǎn)生位置當然是同一位置，故前述前提是天然成立的。41小結(jié)：關于感應電荷與電流(1)只有當空間電荷在極板間移動時，射線電離所產(chǎn)生的任何一對載流子——“電子－離子對”，在電場作用下完成漂移后，外電路流過的電荷量為：e這個電荷量是與該“電子—離子對”的位置無關的。結(jié)論1：射線在探測器靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N對載流子，它們均在外加電場作用下漂移，這時，外電路流過的電荷量為：Ne這N個“電子離子對”沒有必要產(chǎn)生在同一個位置。結(jié)論2：測量由Q決定的電壓信號幅度，就可以知道N的大小，進而知道射線的能量。這就是氣體探測器測量射線時形成信號的基本原理!重要結(jié)論：總電流總電量42射線電離所產(chǎn)生的任何一對載流子——“電子－離子對”，在電場作四.電離室的輸出回路輸出回路：輸出信號電流流過的所有回路。43四.電離室的輸出回路輸出回路：輸出信號電流流過的所有回路。4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。44測量儀器總電阻總電容RL：負載電阻；C1：探測器電容；R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45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§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律§4.2電離室的工作機制和輸出回路§4.3脈沖電離室§4.4累計電離室§4.5正比計數(shù)器§4.6G-M計數(shù)管√46§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律√46§4.3脈沖電離室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。可以測量每個入射粒子的能量、時間等信息。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(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47§4.3脈沖電離室電離室處于脈沖工作狀態(tài)，電離室的輸出信號脈沖電離室的輸出信號圓柱形電子脈沖電離室和屏柵電離室脈沖電離室輸出信號的測量脈沖電離室的性能48脈沖電離室的輸出信號48一.脈沖電離室的輸出信號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(jié)果與極板形狀、電場分布、輸出回路參數(shù)無關。49一.脈沖電離室的輸出信號電離室是一個理想的電荷源（其外回路(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。50(1)負載電阻RL=0的情況2.脈沖電離室的輸出電流信號下面來計算電流的大小：電源提供功率：電場對電子－正離子對漂移所做功的功率：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51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）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：53以平板電離室為例：設離子和電子的漂移速度是常數(shù)均勻電場t2外回路的電流54外回路的電流54RL≠0的情況(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)

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)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)55RL≠0的情況(2)負載電阻RL≠0的情況采用一般的具有輸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－正離子在電場下漂移所消耗的功率We(t)能量守恒根據(jù)能量守恒：56推導過程的物理基礎：①電源電動勢所做的功率W(t)④①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57①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)58a極板的電位不再為常數(shù)，而為V(t)電容C1的儲能為能量變化能量守恒令：59能量守恒令：59(A)由于V(t)<<V0稱為電離室的總電流信號。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：60(A)由于V(t)<<V0稱為電離室的總電流信號。把電(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61(B)電離室可以用電流源I0(t)和C1并聯(lián)等效。并可得到3.電離室的輸出電壓信號解微分方程623.電離室的輸出電壓信號解微分方程62(1)當時，即全部電子和正離子對輸出信號都有貢獻。在t<T+時間內(nèi)當t=T+時當t>T+時63(1)當時，即全部電子和正6464結(jié)論（離子脈沖電離室）在t=T+時，輸出電壓脈沖幅度

C0越小，h越大。為此須降低C0(C1,C’,C入)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)，這會導致：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65結(jié)論（離子脈沖電離室）在t=T+時，輸出電壓脈沖幅度C(2)當，正離子漂移的貢獻可以忽略，在t<T－時間內(nèi)當t＝T－時當t>

T－時66(2)當6767結(jié)論（電子脈沖電離室）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。由于，大約是微秒量級，將大大降低電壓輸出脈沖的寬度，得到快的響應時間。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，也就是Q-與初始電離位置有關。68結(jié)論（電子脈沖電離室）輸出脈沖幅度即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。69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)(3)影響輸出信號形狀的因素70(3)影響輸出信號形狀的因素707171關于電離室輸出電壓信號的一些重要結(jié)論(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。(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。(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103s量級。72關于電離室輸出電壓信號的一些重要結(jié)論(C)電子或正離子漂移脈沖電離室小結(jié)：特點與問題？離子脈沖電離室電子脈沖電離室問題？特點R0C0>>T＋，電子和離子信號均對輸出電壓信號有貢獻。T＋>>R0C0>>T－，只有電子信號對輸出電壓信號有貢獻。準確測量入射粒子能量？實現(xiàn)高計數(shù)率？高信噪比？如何兼得？73脈沖電離室小結(jié)：特點與問題？離子脈沖電離室電子脈沖電離室問題二.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74二.圓柱型電子脈沖電離室和屏柵電離室1.圓柱型電子脈沖設計思想：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的場強電位為沿軸向觀察圓柱形電離室電子電壓脈沖幅度與r0的關系75設計思想：利用圓柱形電場的特點來減少Q(mào)－與入射粒子位置的關系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。為什么？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：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76輸出脈沖電荷量輸出電壓脈沖幅度結(jié)論：注意：這種工作狀態(tài)下2.屏柵電離室（TheGriddedIonChamber）屏柵電離室的構成：負極B、正極A、柵極G、電源和負載電阻。772.屏柵電離室（TheGriddedIonChamb入射粒子在a區(qū)產(chǎn)生電子離子對。由于柵極的屏蔽作用，a區(qū)的電子離子不會在陽極A上產(chǎn)生感應電荷。電子在b區(qū)漂移時，在陽極A上形成感應電荷。Q=Ne結(jié)構要求：入射粒子將全部能量損失在a區(qū)，即a>R

。78入射粒子在a區(qū)產(chǎn)生電子離子對。由于柵極的屏蔽作用，a區(qū)的電子屏蔽系數(shù)：柵網(wǎng)參數(shù)：時滯：上升時間：79屏蔽系數(shù)：柵網(wǎng)參數(shù)：時滯：上升時間：79三.脈沖電離室輸出信號的測量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。80三.脈沖電離室輸出信號的測量1）入射帶電粒子的數(shù)量；2）入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多道分析器單道分析器定標器81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四.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。82四.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能譜（脈沖幅度譜）是怎樣形成的？例如：1MeVα粒子形成的能譜。每個α粒子電離產(chǎn)生的離子對數(shù)目是隨機的，服從法諾分布，因此外電路形成的電壓信號的幅度也是漲落的，進而通過多道分析器得到的ADC結(jié)果也是一個隨機數(shù)。1MeVα粒子隨機離子對數(shù)隨機電壓幅度ADC結(jié)果(隨機)電離效應電路成型多道分析被探測到的粒子數(shù)編號12100計數(shù)(率)道數(shù)83能譜（脈沖幅度譜）是怎樣形成的？例如：1MeVα粒子形成的能重要定義：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84重要定義：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由關系式：電離室輸出脈沖幅度同樣服從高斯分布電離過程中的多次碰撞之間并非是完全獨立的泊松分布離子對數(shù)目服從高斯分布離子對數(shù)目服從法諾分布高斯分布85由關系式：電離室輸出脈沖幅度同樣服從高斯分布電離過程中的多次幅度平均值：標準偏差：相對標準偏差：且有：能量分辨率為：86幅度平均值：標準偏差：相對標準偏差：且有：能量分辨率為：862.脈沖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。飽和區(qū)斜率的原因：隨工作電壓的升高而使靈敏體積增加復合現(xiàn)象的抑制對擴散的抑制飽和特性曲線V0hV1飽和電壓工作高壓>飽和電壓872.脈沖電離室的飽和特性曲線----脈沖幅度h與電離室工作3.脈沖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，稱為坪特性曲線。入射粒子束流強度不變?nèi)肷淞Ｗ拥哪芰坎蛔僔0nh1h2h3V1----電離室的計數(shù)率與工作電壓的關系h1甄別閾不同h2h3三條曲線不同是觀察不同？還是實際信號不同？飽和特性與坪特性形狀上類似，但意義完全不同。不要混淆。883.脈沖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4.探測效率定義1：絕對探測效率(absolutedetectionefficiency)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。原因：有一部分幅度低于甄別閾的信號脈沖未被記錄下來帶電粒子可能只在靈敏體積內(nèi)損失一部分能量。電離過程是漲落的。對帶電粒子定義2：本征探測效率(intrinsicdetectionefficiency)對γ、中子等中性粒子：894.探測效率定義1：絕對探測效率(absolutedet5.時間特性――常用三種指標分辨時間

——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。時滯

——入射粒子的入射時刻與輸出脈沖產(chǎn)生的時間差。時間分辨本領——由探測器輸出脈沖來確定入射粒子入射時刻的精度。905.時間特性――常用三種指標分辨時間——能分辨開兩個相繼§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律§4.2電離室的工作機制和輸出回路§4.3脈沖電離室§4.4累計電離室§4.5正比計數(shù)器§4.6G-M計數(shù)管√91§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律√91§4.4累計電離室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”。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n0(x,y,z)對離子對。則在靈敏體積內(nèi)單位時間的總離子對數(shù)為恒定狀態(tài)下，輸出直流電流信號：92§4.4累計電離室當電離室的輸出信號是反映大量入射粒子的平累計電離室的輸出信號累計電離室輸出信號的漲落累計電離室的主要性能累計電離室的應用93累計電離室的輸出信號93一.累計電離室的輸出信號輸出信號可以是：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，則電流電離室輸出的：直流電壓信號的平均值電流信號的平均值94一.累計電離室的輸出信號輸出信號可以是：若單位時間內(nèi)射入電二.累計電離室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。95二.累計電離室輸出信號的漲落假設，每一對離子產(chǎn)生后將立即使這樣，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。下面5頁自學96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)。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：這些離子對的信號經(jīng)過時間到達t時刻的信號為：自學97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)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。M平均值為：M方差為：這樣，M顯然是由n及N串級而成的串級型隨機變量。自學98M是t以前的與＋間隔內(nèi)的n個入射粒子分別在探測器M方差為：n遵守泊松分布：N遵守法諾分布：自學99M方差為：n遵守泊松分布：N遵守法諾分布：自學99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：自學100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：自學101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則St的相對均方漲落為：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。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。102則St的相對均方漲落為：累計信號的相對均方漲落主要決定于入當近似用寬度為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：輸出電流信號平均值：輸出電流信號相對均方漲落為：103當近似用寬度為T的矩形脈沖代表一對離子所產(chǎn)生的電流信號f(當RL0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)衰減信號：則：104當RL0時，在輸出端輸出一直流電壓信號，一個離子對漂移在輸則，輸出電壓信號平均值為：輸出電壓信號相對均方漲落為：105則，輸出電壓信號平均值為：輸出電壓信號相對均方漲落為：105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106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或強到在離子收集時間T內(nèi)就有大量粒子入射，即使R0C0=0，I0(t)也反映了大量粒子的平均電離效應。

累計工作狀態(tài)的物理意義為：這兩種情況下，電離室均工作于：累計電離室工作狀態(tài)入射粒子流強度足夠大，以至在R0C0時間內(nèi)的入射粒子數(shù)遠大于1；107或強到在離子收集時間T內(nèi)就有大量粒子入射，即使R0C0小結(jié)(脈沖與累計電離室)“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)構并無本質(zhì)差別。即輸出電流的漲落很小，輸出為直流電流信號；

即輸出電壓的漲落很小，輸出為直流電壓信號。

108小結(jié)(脈沖與累計電離室)“脈沖電離室”與“累計電離室”僅是三.累計電離室的主要性能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)。1.飽和特性飽和電壓：90％放電電壓斜率：靈敏體積的增大復合的抑制漏電流……109三.累計電離室的主要性能與脈沖電離室一樣具有飽和特性曲線，靈敏度影響靈敏度的因素: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：電離室的結(jié)構氣體壓力和組分入射粒子的類型和能量等110靈敏度影響靈敏度的因素:單位入射粒子流強度引起的電離室輸出信3.線性范圍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系，即線性關系。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)。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。1113.線性范圍只要電離室工作在飽和區(qū)，則信號電流與入射粒子流高壓強度112高壓強度1124.響應時間對電流信號，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。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。1134.響應時間對電流信號，其滯后時間將最大為離子收集時間T。5.能量響應一般情況下，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。即靈敏度隨入射粒子能量而變化的關系。1145.能量響應一般情況下，希望靈敏度與輻射能量無關，即相同的四.累計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。115四.累計電離室的應用累計電離室的應用比脈沖電離室更為廣泛，特第四次課結(jié)束116第四次課結(jié)束116對低能粒子測量的問題？使用脈沖電離室對低能粒子測量時，由于放大器噪聲的存在，信噪比很小，測量難于進行。如果能夠?qū)﹄婋x信號進行放大，可以提高信噪比，這樣就可以對低能粒子（如100keV以下的X射線）進行測量了。正比計數(shù)器1MeV的α粒子，若W=30eV，則:117對低能粒子測量的問題？使用脈沖電離室對低能粒子測量時，由于放§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律§4.2電離室的工作機制和輸出回路§4.3脈沖電離室§4.4累計電離室§4.5正比計數(shù)器§4.6G-M計數(shù)管√118§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律√118§4.5正比計數(shù)器利用碰撞電離將入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應進行放大了，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。正比計數(shù)器屬于非自持放電的氣體電離探測器。119§4.5正比計數(shù)器利用碰撞電離將入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應§4.5正比計數(shù)器正比計數(shù)器的工作原理正比計數(shù)器的輸出信號正比計數(shù)器的性能正比計數(shù)器的應用GEM探測器120§4.5正比計數(shù)器正比計數(shù)器的工作原理120一.正比計數(shù)器的工作原理1.正比計數(shù)器的結(jié)構特點結(jié)構上必須滿足實現(xiàn)碰撞電離的需要——存在強電場。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（盤、球亦可）。121一.正比計數(shù)器的工作原理1.正比計數(shù)器的結(jié)構特點結(jié)構上必設計思想：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：例如：V=1000V,a=0.002cm,b=1cm時，

E(r=0.02cm)=8103V/cm;

E(r=0.005cm)=3.23104V/cm。122設計思想：利用圓柱形電場的特點在中央絲極附近會產(chǎn)生小范圍的強由：在r＝b時場強最小，r＝a時場強最大。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)。定義：VT稱為正比計數(shù)器的起始電壓(閾壓)123由：在r＝b時場強最小，r＝a時場強最大。對于一個確定的正比當V0>VT

時，僅在r0～a

區(qū)間內(nèi)發(fā)生碰撞電離。r0很小，與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。注意：正比計數(shù)器輸出信號主要由正離子漂移貢獻。雪崩區(qū)域：a~r0電子漂移過的電位差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)。124當V0>VT時，僅在r0～a區(qū)間內(nèi)發(fā)生碰撞電離。r碰撞電離只有電子才能實現(xiàn)（離子為什么不行？）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)125碰撞電離只有電子才能實現(xiàn)（離子為什么不行？）當電子到達距絲極TownsendCoefficientα:thefirstTownsendcoefficient均勻電場圓柱形電場，更陡126TownsendCoefficientα:thefir假定：(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?？傻玫疥P系(1)發(fā)生碰撞電離的截面正比于電子的動能，即當電壓足夠高，即V0/VT>>1時，127假定：(2)近似認為電子的能量就是電子在兩次碰撞間從電場獲結(jié)論（關于氣體放大倍數(shù)）(2)A僅與V0，VT有關，與入射粒子的位置無關。(1)lnA∝V0，在半對數(shù)座標圖上近似為直線。128結(jié)論（關于氣體放大倍數(shù)）(2)A僅與V0，VT有關，與入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紫外光子在陰極打出次電子。次電子可以在電場的加速下發(fā)生碰撞電離。這個過程稱為光子反饋。1293.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，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對于光子反饋的影響，注意兩點：光子反饋很快：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)多原子氣體分子的作用：加入少量的多原子分子氣體M（CO2,CH4），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lnA∝V0曲線的變化平緩。使發(fā)生自持放電的電壓更高，以獲得更大的正比工作區(qū)間131對于光子反饋的影響，注意兩點：光子反饋很快：(2)多原子氣4.氣體放大過程中正離子的作用停止電子倍增過程：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)?，影響電子雪崩過程的進行。再次觸發(fā)電子倍增：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。1324.氣體放大過程中正離子的作用停止電子倍增過程：再次觸發(fā)雪崩放電區(qū)域的大小133雪崩放電區(qū)域的大小133二.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電荷。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。134二.正比計數(shù)器的輸出信號假定：(1)A>>1。即忽得到總電流：其中僅取決于結(jié)構、工作氣體及工作電壓等。則135得到總電流：其中僅取決于結(jié)構、工作氣體及工作電壓等。則13由于很小，所以電流隨時間而迅速下降。136由于很小，所以電流隨時間而迅速下降。136電壓脈沖信號式中f(t)為僅與R0C0和有關的時間函數(shù)與入射粒子的位置無關R0C0高計數(shù)率：分辨時間(μs)能量測量回顧一下：電子脈沖電離室、離子脈沖電離室，圓柱形電子電離室、屏柵電離室的特點？與輸出回路時間常數(shù)的選取有關與粒子入射位置無關137電壓脈沖信號式中f(t)為僅與R0C0和有關的時間函數(shù)與入結(jié)論（輸出信號）(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。(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。138結(jié)論（輸出信號）(1)電流脈沖I(t)的形狀一定，與入射粒三.正比計數(shù)器的性能1.輸出脈沖幅度與能量分辨率輸出脈沖幅度：輸出脈沖幅度的漲落是一個二級串級型隨機變量：實驗表明，所以，能量分辨率載流子入射粒子電離產(chǎn)生的離子對碰撞電離產(chǎn)生的離子對139三.正比計數(shù)器的性能1.輸出脈沖幅度與能量分辨率輸出脈沖影響正比計數(shù)器能量分辨率的其它因素①陽極絲的均勻性使不同區(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。②負電性氣體的存在使一些初級電子消失，影響輸出脈沖幅度。③末端效應和室壁效應入射粒子能量未完全損失在靈敏體積。④電子學系統(tǒng)的影響放大器噪聲等的影響。140影響正比計數(shù)器能量分辨率的其它因素①陽極絲的均勻性使不同2.探測效率和坪特性閾值VthV0增大1412.探測效率和坪特性閾值VthV0增大141連續(xù)狀脈沖幅度分布及其坪特性閾值VthV0增大142連續(xù)狀脈沖幅度分布及其坪特性閾值VthV0增大142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。正比計數(shù)器的死時間屬于可擴展型的。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，仍會有其它雪崩在不同位置產(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。143分辨時間(死時間)主要由輸出脈沖的寬度決定。脈沖越寬，正比計數(shù)器可擴展的死時間入射事件死時間探測器響應144正比計數(shù)器可擴展的死時間入射事件死時間探測器響應144兩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)率為：實際測量到的計數(shù)率為：當：可得到：145兩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4.時滯與時間分辨本領時滯初始電子由產(chǎn)生處漂移到陽極附近所需的時間：～微秒量級時間分辨本領由于初始電子產(chǎn)生位置的隨機性，因此時滯也具有隨機性。從而限制了正比計數(shù)器對時間的測量精度，即時間分辨本領。時間分辨本領～微秒量級。1464.時滯與時間分辨本領時滯時間分辨本領146四.正比計數(shù)器的應用1.能量測量——正比譜儀入射帶電粒子的能量全部損失在正比計數(shù)器的靈敏體積內(nèi)，則輸出脈沖的電荷量正比于入射粒子的能量。適于測量低能粒子：例如氚的β能譜(Eβmax=8.9keV)。樣品可以以氣體形式引入正比計數(shù)器內(nèi)。避免源的自吸收和襯托物的反散射：14C的測量（14CO2）工作介質(zhì)是氣體，阻止本領小，難以確保使高能粒子全部能量損失在靈敏體積中。增加氣體壓力沿陽極絲方向加一縱向磁場正比譜儀示意圖147四.正比計數(shù)器的應用1.能量測量——正比譜儀入射帶電粒子2.正比計數(shù)器在強度測量方面的應用4π正比計數(shù)器的結(jié)構4π立體角內(nèi)的發(fā)出的一切帶電粒子都能在上半或下半部計數(shù)器輸出信號?？捎糜趯疃鹊慕^對測量，精度可達0.5%1482.正比計數(shù)器在強度測量方面的應用4π正比計數(shù)器的結(jié)構43.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。單絲位置靈敏正比計數(shù)器工作原理單絲正比管輸出信號等效線路1493.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4.多絲正比室NobelprizetoG.Charpakawardedin1992"forhisinventionanddevelopmentofparticledetectors,inparticularthemultiwireproportionalchamber''

陽極由多根平行的細絲組成，絲距～1mm一組陽極：高阻陽極絲確定X，Y二組正交陽極：低阻陽極絲確定X，Y陰極為兩片平行的平板（也可加工為正交的微條）位置靈敏度達到mm量級，分辨時間～μs，計數(shù)率>105CPS為粒子物理等作出巨大貢獻1504.多絲正比室NobelprizetoG.Char五.GEM探測器GEM：GasElectronMultiplier氣體電子倍增器70μm55μmF.Sauli于1997年提出TYPICALGEM:50μmKapton5μmCopper70μmholesat140μmpitch151五.GEM探測器GEM：70μm55μmF.Saul膜的形狀、大小，GEM的放大倍數(shù)放大倍數(shù)可達105152膜的形狀、大小，GEM的放大倍數(shù)放大倍數(shù)可達105152GEM的應用高分辨率的二維信息獲?。ê糜?00μm）高的計數(shù)率（>106cps/mm2）首先在粒子物理、天體物理實驗中得到了應用。最近幾年，有人開始研究利用GEM探測器來測量熱中子。目前，對這方面的研究還處于初步階段，關于中子探測介質(zhì)的選擇，充氣成分、氣壓與放大過程之間的關系，信號的讀出辦法等環(huán)節(jié)還存在很大的研究空間。153GEM的應用高分辨率的二維信息獲?。ê糜?00μm）首先在?！?.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律§4.2電離室的工作機制和輸出回路§4.3脈沖電離室§4.4累計電離室§4.5正比計數(shù)器§4.6G-M計數(shù)管√154§4.1氣體中離子與電子的運動規(guī)律√154§4.6G-M計數(shù)管G-M計數(shù)管是由蓋革(Geiger)和米勒(Mueller)1928年發(fā)明的一種利用自持放電的氣體電離探測器。G-M管的特點:制造簡單價格便宜使用方便靈敏度高輸出電荷量大（108電子電荷）死時間長僅能用于計數(shù)JohannesWilhelmGeiger(1882-1945)155§4.6G-M計數(shù)管G-M計數(shù)管是由蓋革(Geiger)和§4.6G-M計數(shù)管非自熄G-M管的工作機制有機自熄管的工作機制鹵素自熄管的工作機制自熄G-M管的輸出信號自熄G-M管的性能自熄G-M管的結(jié)構與典型應用156§4.6G-M計數(shù)管非自熄G-M管的工作機制156一.非自熄G-M管的工作機制正離子鞘的形成及自持放電過程由于光子反饋過程的存在，氣體放大倍數(shù)為：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，157一.非自熄G-M管的工作機制正離子鞘的形成及自持放電過程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。②放電傳播：Ar*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”。158G-M管的自持放電過程可以分解為下列環(huán)節(jié)：①初始電離及碰撞過程之一這些過程均發(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;如此周而復始，即自持放電過程。所以稱為非自熄G-M計數(shù)管。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。④正離子在陰極表面的電荷中和過程（離子反饋）：距陰極5×10-8cm以前過程之二159過程之一這些過程均發(fā)生在第一次正離子漂移快結(jié)束時;③正離子怎樣實現(xiàn)自熄？Externalquenching：改變工作高壓在脈沖產(chǎn)生后，降低工作高壓，使倍增條件不具備，持續(xù)時間應該包括：離子由正離子鞘漂移到陰極的時間：～幾百μs陰極產(chǎn)生的自由電子運動到陽極的時間：～μsInternalquenching：增加猝熄氣體有機自熄G-M管鹵素自熄G-M管例如：可以在外電路選用一個大的電阻(R～108Ω)時間常數(shù)：～ms，滿足自熄要求但也需要幾個ms來使陽極恢復到正常工作狀態(tài)：低計數(shù)率160怎樣實現(xiàn)自熄？Externalquenching：改變工作二.有機自熄管的工作機制在工作氣體中加入少量有機氣體M(多原子分子氣體，又稱猝熄氣體)，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。什么是有機自熄管？161二.有機自熄管的工作機制在工作氣體中加入少量有機氣體M(多有機分子起了什么作用？阻斷光子反饋：有機分子氣體M能夠強烈吸收Ar*發(fā)出的紫外光形成M*這使得Ar*發(fā)出的紫外光打不到陰極上，從而阻斷了光子反饋過程；有機分子能夠阻斷反饋過程！阻斷離子反饋：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，阻斷了離子反饋過程。162有機分子起了什么作用？阻斷光子反饋：有機分子能夠阻斷反饋過程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：Ar*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。163有機管的工作機制可歸納為：①初始電離及碰撞電離過程：電子放電的傳播過程164放電的傳播過程164ratioofdoubletosinglepulses165ratioofdoubletosinglepuls③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。酒精的電離電位：例如：Ar的電離電位：Ar的激發(fā)態(tài)能級：166③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)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。167④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有機管的問題是什么？有機氣體具有豐富的激發(fā)能級將發(fā)生大量有機分子的分解1.工作電壓較高：2.壽命較短：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一般為107～108計數(shù)。分解產(chǎn)物增加有機管工作過程中有機管失效使初始充入的有機分子數(shù)目變少管內(nèi)氣壓逐漸增大168有機管的問題是什么？有機氣體具有豐富的激發(fā)能級將發(fā)生大量有機三.鹵素自熄管的工作機制工作氣體組成：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)（1947，Liebson，Br2,Cl2，可以自熄）什么是鹵素自熄管？氟、氯：化學性質(zhì)太活潑碘：蒸汽壓太低微量Br2：過多則不能實現(xiàn)低閾壓Ne的電離能Ne的亞穩(wěn)態(tài)能量Ne的第一激發(fā)態(tài)能量Br2的電離能在純Ne中，雪崩不易實現(xiàn)，需很高電壓！微量亞穩(wěn)態(tài)易于形成：形成之前很少因非彈性碰撞損失能量；可在多個自由程內(nèi)實現(xiàn)，低閾壓電離雪崩，電子潮第一類非彈性碰撞第二類非彈性碰撞169三.鹵素自熄管的工作機制工作氣體組成：氖氣(Ne)為主要工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Ne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。170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Br2+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Br2+④Br