3气体探测器_08

第三章气体探测器§3-1气体探测器的基本原理§3-2电离室§3-3正比计数器§3-4G-M计数器§3-5气体探测器的工作寿命2020/3/18中国科大汪晓莲2气体探测器工作介质是气体，入射带电粒子引起气体电离。气体探测器的特点：1)物质密度小。2）探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；3)没有辐射损伤或极易恢复；4)经济可靠。2020/3/18中国科大汪晓莲3§3-1气体探测器的基本原理•气体电离：当带电粒子通过气体时，与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止在探测器中。碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的电子－离子对。上述电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离，以及由碰撞打出的高速电子（电子）引起的电离。•入射粒子能产生电离的最小能量：•原初电离：入射粒子和气体分子直接作用产生的电离对数目。•次级电离：电离的次级粒子再次和气体分子作用产生的电离对数目。•总电离N0：等于原初电离＋次级电离•平均电离能：带电粒子在气体中产生一对电离粒子所需的平均能量。)2min04eemMEImM气体原子的电离电位入射粒子质量一、气体的电离2020/3/18中国科大汪晓莲4•入射粒子的能量在气体探测器中的能量损失可分为三部分1）用于产生电离离子对数2）用于使气体原子激发3）转化为气体原子和离子对的动能因此，产生一对电离粒子所需要的平均能量W比电离电位I0要大，称为平均电离能。00EN总电离入射粒子在气体中损失的能量平均电离能2020/3/18中国科大汪晓莲5IonizationofgasesTheactualnumberofprimaryelectron/ionpairsisPoissondistributed.!nem)n(PmniLNLmaveragenumbermDetectionefficiencymdete)(P101Forexamplefor1mmlayerofAr:mprimary=2.5→εdet=0.92100electron/ionpairscreatedduringionizationprocessisnoteasytodetect.Typicalnoiseoftheamplifier≈1000e-(ENC)→gasamplification.2020/3/18中国科大汪晓莲6•混合气体的平均电离功•平均电离功与气体种类有关（p54表3－1）•总电离与入射粒子在气体中损失能量成正比，这是我们由总电离的测量来确定入射粒子能量的依据。•实验测得平均电离功是统计平均值，其统计涨落会使单能谱展宽，形成能量测量的固有分辨。111112201211221122ZPZPZPZPZPZP－－－Z：原子序数P：气体比分02.354FE2020/3/18中国科大汪晓莲72020/3/18中国科大汪晓莲8二、电子和离子在气体中的运动•不加外电场时，电子和离子与气体分子不断碰撞，三种运动状况：扩散：从密度大的区域向密度小的区域扩散运动电子吸附：电子被中性气体原子俘获形成负离子复合：电子和正离子复合形成中性原子•加外电场时，电子和离子沿电场方向分别向正负电极做漂移运动。•漂移运动有利于总电离的收集，是我们需要的。前三种运动不利于总电离的收集，造成能量测量误差，应设法减小它们的影响。2020/3/18中国科大汪晓莲91.离子的漂移运动•稳定状态下离子的漂移速度•迁移率与气体性质和电离粒子质量有关。•对重离子就每一种气体而言，其迁移率在相当宽范围内与E/P无关（E/P3103V.cm-1.atm-1），近于常数。当E/P很高时，值不再是与E/P无关的常数。•负离子的值和正离子的值是同数量级的，绝大部分－比＋大一些，这与气体纯度有关。（p56表3－2）EWP电场强度气体压力约化场强离子迁移率2020/3/18中国科大汪晓莲102.电子的漂移运动•对于电子，值只在E/P很窄一段范围内近似于常数，在其他范围主要取决于E/P(p56fig.3-2)。•E/P较小时，电子漂移速度比离子漂移速度大三个数量级，约为106cm/s。•电子的漂移速度对气体成分非常灵敏。在惰性气体（如Ar等）中加入多原子分子气体（如CO2和CH4等），可大大增加电子漂移速度。2020/3/18中国科大汪晓莲113.电子和离子的扩散•电子和离子因空间密度不均匀而由密度大的空间向密度小的空间扩散。•根据气体动力学，粒子速度遵从麦克斯韦分布，则扩散常数与气体性质、温度和压强有关。•电子的扩散常数大于离子的扩散常数。dnDndt单位时间内通过空间一点单位面积的粒子流数目扩散常数粒子密度梯度负号表示粒子流方向与粒子密度梯度方向相反。13Du粒子杂乱运动速度平均自由程2020/3/18中国科大汪晓莲12•在扩散过程中，电子和离子与气体分子发生多次碰撞，损失能量，最终达到气体的热运动平衡能量分布。通常条件下并遵从麦克斯韦能量分布规律：•若不存在其他因素的影响，则由于多次碰撞引起的电荷扩散的空间分布遵从高斯分布30.042TKTeV)KTFCe2414xDtdNedxNDt经时间t后在距离原点x处的单元dx中发现电荷的量这个分布的均方根偏差线扩散：体扩散：2xDt6xDt2020/3/18中国科大汪晓莲134.电子的吸附•电子与气体分子碰撞时被捕获而形成负离子的现象称作电子吸附效应。•电子吸附系数用h表示，定义为在一次碰撞时电子被中性分子吸附的几率。它与气体性质有关，不同的气体有不同的h值。•h值较大的气体称作负电性气体。如卤素气体、氧气、水蒸气等。•电子被捕获形成负离子后，其漂移速度大大减小，增加了离子复合的可能性，不利于电离数的收集。•减少电子被捕获的方法：1）使用h值小的气体如惰性气体；2）纯化气体；3）在单原子分子气体中掺加少量的双原子或多原子分子气体，提高电子漂移速度，减少电子被捕获几率。2020/3/18中国科大汪晓莲145.复合•电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞时发生与电离相反的过程，即复合成中性分子或中性原子。电子复合：电子＋正离子复合离子复合：负离子＋正离子•复合几率与正负离子密度成正比，则复合率，即单位时间单位体积内正负离子复合的数目：•离子的复合系数比电子的复合系数大几个量级（p56,表3－2）dndnnndtdt复合系数2020/3/18中国科大汪晓莲15三、外加电场对电离粒子运动的影响0d++++++++---------U0z外加电场使电离产生的电子和离子沿电场方向作漂移运动，有利于电荷的有效收集。2020/3/18中国科大汪晓莲16第一区段：复合区•外加电压很低，离子漂移速度很小，电子吸附效应、扩散效应和复合效应起主要作用。•复合的结果，电子离子数目减少，所以电极收集到的离子对数目小于总电离数目。第二区段：饱和区（电离室区）随着外加电压增大，离子漂移速度增大，电子吸附、扩散效应的影响减小，发生复合的机会减小，被收集的电荷数逐渐增加。当电压达到某一定值Va时，基本不存在复合，总电离数N0全部被电极收集，达到饱和。在一定电压范围内(Va-Vb)，被收集电荷不再增加，达到饱和。2020/3/18中国科大汪晓莲17第三段区：正比区•工作电压大于Vb后，外加电场很强，电离电子在漂移过程中获得的能量很大，使气体分子再电离，又产生次级离子对。次级电子在漂移时又可能加速到足以再产生次级离子对。如此不断继续下去，使电离的离子对数目比原总电离对数目N0增加很多，称作电子雪崩过程。这种现象称作为气体放大。•经气体放大得到的电荷数N与原总电离数N0之比叫做气体放大倍数。•气体放大倍数随电压的增加而增加。•对确定的探测器，外加电压一定时，放大倍数一定。电极收集的电荷数N正比于原总电离数N0，正比于入射粒子能量。0NMN2020/3/18中国科大汪晓莲18第四区段：有限正比区•当电场强度大到一定程度时，产生的大量离子对中的正离子，由于漂移速度很慢，滞留在气体空间，形成空间电荷。它们所产生的电场方向与外电场方向相反，从而限制了次级离子继续增加，这就是空间电荷效应。•由于空间电荷效应的影响限制了气体放大倍数的增长。这一区段称为有限正比区。2020/3/18中国科大汪晓莲19第六区段：连续放电区•在该区电压继续增加，收集的离子对数再次急剧增加，气体被击穿，发生连续放电。第五区段：G－M区进入此区后，随着电压的增加，空间电荷效应越来越强，收集到的电荷又一次饱和，与原总电离N0无关。由于空间电荷效应的影响，收集的电荷与入射粒子的种类和能量无关。2020/3/18中国科大汪晓莲20§3-2电离室•在核物理发展早期，电离室曾发挥了重要的作用。1911-1914年Hess和Kolhorster在一系列电离室测量中发现了宇宙射线；1932年Chadwich利用电离室测量反冲质子，从而证实了中子的存在；1939年Frish利用电离室证实了核裂变时释放大量的能量。……•至今仍有广泛的应用。如：测厚、核子秤、集装箱CT等等。•为什么？2020/3/18中国科大汪晓莲21一、电离室的特点•结构比较简单•工作在饱和区，既不存在正负离子复合，也没有气体放大。•入射粒子电离所产生的全部电子和正离子都被电极收集，输出信号与入射粒子的种类和能量有关。•由于输出信号较微弱，对读出电子学有较高要求，对工作电压电源的稳定性要求也较高。•工作稳定可靠。2020/3/18中国科大汪晓莲22脉冲电离室：记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度。电流电离室：记录大量粒子平均效应，主要用于测量X、、和中子的强度或通量。二、电离室的类型2020/3/18中国科大汪晓莲23三、电离室的构造•主体由两个处于不同电位的电极组成。•电极大多是平行板和圆柱形的，也有球形或其他形状的。•平板电离室的两个电极通常是圆形金属板。为了减少电场的边缘效应，应使两电极的间距远小于它们的直径，且两极板精确平行。•圆柱形电离室中心的收集极一般是一个圆棒或一根金属丝。圆柱形外壳是阴极，用不锈钢、铝、黄铜等材料制成。•电极之间用绝缘体隔开，是电离室的关键部件。0d++++++++--------阴极阳极-U0z2020/3/18中国科大汪晓莲24四、电离室的工作气体•电极之间是电离室的有效灵敏体积，充以一定的工作气体。•电流电离室常用的工作气体有纯惰性气体、氮气和空气等，也可用混合气体。•脉冲电离室常用的工作气体大多是惰性气体加少量多原子分子气体。如：Ar+10%CO2，Ar+10%CH4等。•测量中子的电离室，根据中子能量分别充BF3、CH4、H2和3He等，或在电极上覆盖一层浓缩的10B、235U、238U等。2020/3/18中国科大汪晓莲25五、脉冲电离室脉冲形成2020/3/18中国科大汪晓莲26输出脉冲幅度))0QtVtC))00QQtUxV距集电极x处电荷距集电极x处电位)))))000000000000txxNNeNetxxtxxtCQtQtNeVtUxUxCVC＋－设时，带电粒子在处产生对电子和正离子，电荷分别为：和，分别以和向阴极和阳极漂移。在时刻到达：在上产生电压：2020/3/18中国科大汪晓莲27平板电离室的脉冲幅度各点电场强度均匀在c处电位代入电压公式))0()dxVUxExdxdxd))00000000000()tNextCdxtNexdxVttCdNedxtC当当当)0VExd2020/3/18中国科大汪晓莲28圆柱形电离室的脉冲幅度0000000lnlnln()lnxNextTbCaxNeaVttTbCaNetTC-当当T当2020/3/18中国科大汪晓莲29脉冲电离室输出脉冲波形2020/3/18中国科大汪晓莲30几