核辐射探测 第二章

对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。为什么需要辐射探测器？探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：气体探测器；闪烁探测器；半导体探测器。辐射探测器学习要点（研究问题）：探测器的工作机制；探测器的输出回路与输出信号；探测器的主要性能指标；探测器的典型应用。辐射探测的基本过程：辐射粒子射入探测器的灵敏体积；入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。第二章气体探测器Gas－filledDetector气体探测器•气体探测器均以气体作为探测介质。•具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优点，有广泛的应用。•20世纪70年代以来，气体探测器有很大发展，在高能物理和重离子物理实验中获得新的应用，并广泛应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。2.1关键词•总电离，原电离，次电离•平均电离能（功）•电子与离子在气体中的运动•收集的离子对数与外加电压的关系电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。2.1气体中离子与电子的运动规律1、气体的电离与激发入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离的离子对称称为次电离。总电离=原电离+次电离电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量。对不同的气体，W大约为30eV若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的平均离子对数为：WEN0A.NumberofIonPairsFormed几种气体的平均电离能和最低电离电位•注意:单位(eV)例:210Po的α粒子能量为5.3MeV,在空气中的射程为3.8cm,求其总在空气中的总电离为多少?解:结论:通过总电离的测量可以确定待测粒子能量的依据.)(./.个56010561341035WENWEF02B.TheFanoFactor离子对数N是随机变量.它服从什么分布？法诺分布离子对数的方差过去实验测量不同气体的法诺因子介于1/3～1/2之间，但目前实际可以做到不大于0.2。上述两过程均在10-9秒内完成。C.被激发原子的退激方式：1)辐射光子。发射波长接近紫外光的光子，这些光子又可能在周围介质中打出光电子，或被某些气体分子吸收而使分子离解。2)发射俄歇电子。2、电子与离子在气体中的运动当不存在外加电场的情况下，电离产生的电子和正离子在气体中运动，并和气体分子或原子不断地碰撞，处于平衡状态。其结果会发生以下物理过程：Diffusion；ElectronAttachment；Recombination；A.扩散(Diffusion)在气体中电离粒子的密度是不均匀的，原电离处密度大。由于其密度梯度而造成的离子、电子的定向运动叫扩散。电子的平均自由程和乱运动的平均速度都比离子的大，因此其扩散系数比离子的大，因而电子的扩散效应比离子的严重。B.电子的吸附和负离子的形成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，形成负离子，这种现象称之为吸附效应。Electronattachmente-Negativeion例如O2、H2O，的，卤素达410h310h每次碰撞中被电子俘获的概率称为吸附系数h。h大(h10-5)的气体称为负电性气体。电子的吸附现象对气体探测器产生的是正面or负面影响？气体探测器的工作气体应尽量选择吸附系数小的气体，在不得已采用时，将会影响探测器的性能。C.复合(Recombination)有两个过程：电子与正离子，或负离子与正离子，相遇时可能复合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋nntntn为复合系数复合的结果是把许多有用信号给复合掉，使有用的信号减少。因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免。复合引起的离子对数目的损失率：一旦形成了负离子，其运动速度远小于电子，正离子与负离子的复合系数要比正离子与电子的复合系数大得多。D.离子和电子在外加电场中的漂移离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。这种运动称为“漂移运动”，定向运动的速度为“漂移速度”。PEukTMv23212对于正离子：在存在电场的情况下，两次碰撞之间离子从电场获得的能量又会在碰撞中损失，离子的能量积累不起来。离子的平均动能与没有电场的情况相似，为：离子漂移速度离子的迁移率电场强度气体压强约化场强离子的迁移率可表示为：vMe20M为离子质量；0为离子在气体中单位气压下的自由程；乱运动的平均速度。v由于离子的平均动能基本上不随电场而变化，则近似为常数，这样离子的迁移率近似为常数。v对于自由电子：电子与气体分子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很小，因此，电子在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来。直到使它的弹性碰撞能量损失和碰撞间从电场获得的能量相等，或发生非弹性碰撞为止。kTvmee23212达到平衡状态时，即损失能量等于从电场获得的能量时，电子的平均能量为:称为电子温度，是场强的函数。PEfue电子的漂移速度与约化场强不成正比，可用函数表示：这个函数关系均由试验测定。一般给出的是实验曲线。电子漂移速度对气体成分很敏感，少量某种气体的混入就可显著提高电子漂移速度。(1)电子漂移速度一般为：scm610离子漂移速度一般为：scm310(2)电子的漂移速度对组成气体的组分极为灵敏在单原子分子气体中（如卤素）加入少量多原子分子气体（如CO2、H2O等）时，电子的漂移速度有很大的增加。电子与离子在气体中在外电场作用下的漂移速度的主要区别为：电子在气体中的漂移速度E、电荷转移效应正离子与中性的气体分子碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合成中性分子，中性气体分子成为正离子。电荷转移效应在混合气体中比较明显。电荷转移效应可以减小离子的迁移率，降低离子的漂移速度。复合效应、电子吸附效应、电荷转移效应等，都不利于电荷收集。3．当存在强电场的情况下气体放电A、雪崩电子在气体中的电离碰撞过程。发生雪崩的阈值电场：ET~106V/m。EeB、气体放大自持雪崩：通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。也叫自持放电。非自持放电：雪崩从产生到结束，只发生一次。I:复合区II:饱和区III:正比区0NNMIV:有限正比区0NNV:G-M工作区VI:连续放电区1E2E3E2.2电离室（ionchamber）的工作机制与输出回路电离室的工作方式可分为：1)脉冲型工作状态2)累计型工作状态记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：脉冲电离室,又分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室.记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：累计电离室。1、电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同.典型结构有平板型和圆柱型。高压极(K)：正高压或负高压；均包括：收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。高压极收集极保护极0VKCGLR高压负载电阻外壳灵敏体积绝缘子平板型电离室C0VLRKG圆柱型电离室灵敏体积：由通过收集级边缘的电力线所包围的两电极间的区域。保护环G的作用：1)使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；2)若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL上通过，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流。气体压力：从10-1~10大气压。2、工作气体充满电离室内部空间，是电离室的工作介质；如Ar加少量多原子分子气体CH4。需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。第一步：假设回路中没有负载电阻0LR极板a上加高压V0，极板ab间电容量为C1，则两极板的电荷量：0100VCQQ3、输出信号产生的物理过程即电离室的工作机制。0Vab0Q0Q0Vabe0)()()()(2100qqeQQq第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2高斯定律：40Edsq1q2q12qqe即正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生的感应电荷多。1xqed2dxqed这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流i+(t)。第三步：当电荷沿电场向收集极运动，则上极板a上感应电荷减少，下极板b上感应电荷增加。且e1q2q21qq0Vab)(tie2q1q12qqe正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为：1q第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上的感应电荷：12qqe当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为：1qq考虑：如果在电极之间引入的是负电荷，解释一下整个物理过程。产生的结果是否与正电荷有共同之处？作业：1、设一由二平行金属板构成的电极系统，极间距离2cm，内充氩气1.5大气压，二极板上加了1000伏的电位差。问正离子由正极表面漂移到负极表面所需时间为何？2、气体探测器两端收集到的离子对数和两端外加电压存在一定的关系，具体分为哪几个区？0Vab)(tie2q1q12qqe电子(负离子)漂移所引起的正感应电荷在回路中流过的电荷量为：2q2qq如果在电场中同一点引入一负电荷，它将在ab两极板上分别感应一定的正电荷，分别为和。当负电荷沿电场反方向运动时，则a极板上感应电荷增加，而b极板上感应电荷减少。整个过程中，流过外回路的总电荷量为：e1q2q1q2q相应在外回路流过电流为，电流方向与相同。)(ti)(ti同一点引入正负电荷：1qq2qq当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流：i(t)=i+(t)+i–(t)流过外回路的总电荷量：△q++△q-=e0Vab)(tie2q1qe2q1q12qqe(1)只有当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有电流流过，此时i(t)=i+(t)+i–(t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流。结论：(2)当+e、e电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电荷量分别相同；+e、e电荷漂移结束，流过外回路的总电荷量为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。(1)当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：引伸结论：tititINjjNjj11)()(tItI(2)当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量为：eNQ电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间、强度等。2.3脉冲电离室以下讨论假设入射离子在灵敏体积中产生N个离子对，并忽略扩散和复合的影响，而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有其它入射粒子产生电离。脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电压信号。EQNeeW电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出量无影响）。1)脉冲电离室的总输出电荷量1、脉冲电离室的输出信号电离室灵敏体积内产生N个离子对并全部为极板收集后的总输出电荷量：这一结果与极板形状、电场分布、输出回路参数无关。(1)负载电阻RL=0的情况2)脉冲电离室的输出电流信号相当于用输入阻抗极小的电流计测量电离室