清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程气体电离探测器学习教案.pptx

会计学1清华大学清华大学(qn hu d xu)工物系电离辐工物系电离辐射探测工程硕士课程气体电离探测器射探测工程硕士课程气体电离探测器第一页，共188页。2/189为什么要讨论为什么要讨论(toln)探测器？探测器？射线是普遍存在、应用广泛射线是普遍存在、应用广泛(gungfn)(gungfn)的；的；类型不同：类型不同：，中子，中子来源不同：来源不同：人工射线人工射线反应堆反应堆加速器加速器同位素源同位素源天然射线天然射线40K40K：1.46MeV1.46MeV208Tl208Tl：2.61MeV2.61MeV能量不同：能量不同：137Cs137Cs：0.662MeV0.662MeV60Co60Co：1.17MeV,1.33MeV1.17MeV,1.33MeV那么，我们是如何感知射线的存在，并那么，我们是如何感知射线的存在，并知道射线的种类、能量知道射线的种类、能量(nngling)(nngling)、强度、强度、时间等信息呢？时间等信息呢？我们感兴趣的是：我们感兴趣的是：射线射线电信号电信号的探测器：的探测器：需要探测器需要探测器气体电离室气体电离室闪烁探测器闪烁探测器半导体探测器半导体探测器第1页/共188页第二页，共188页。3/189什么什么(shn me)(shn me)是电离辐射探是电离辐射探测器？测器？将被测的射线转换为可观测(gunc)信号的特殊器件，称之为电离辐射探测器，简称探测器。探测器是怎样探测器是怎样(znyng)(znyng)形成信号形成信号的？的？辐射粒子射入“灵敏体积灵敏体积”入射粒子与灵敏体积内的工作介质相互作相互作用用，损失能量并形成电电离或激发离或激发探测器通过自身特有的工作工作机制机制将入射粒子的电离或激发效果转化为某种输出信号某种输出信号。各类探各类探测器研测器研究的主究的主要内容要内容第2页/共188页第三页，共188页。4/189在学习各种在学习各种(zhn)(zhn)探测器时，应掌握四方面的探测器时，应掌握四方面的内容：内容：探测器的工作机制入射粒子的能量转换为输出信号的物理(wl)过程是怎样的？谁、如何携带了我们需要的关于射线的信息？探测器输出信号的特点，包括对信号的估算及涨落(zhn lu)分析探测器的主要性能主要性能探测器的典型应用典型应用第3页/共188页第四页，共188页。5/189“主角主角主角主角”载流子：各种探测器关注的核心载流子：各种探测器关注的核心载流子：各种探测器关注的核心载流子：各种探测器关注的核心(hxn)(hxn)问题问题问题问题按探测介质和作用机制，探测器可分为按探测介质和作用机制，探测器可分为(fn wi)(fn wi)三类：三类：气体气体(qt)(qt)电离探测电离探测器器闪烁体探测器闪烁体探测器半导体探测器半导体探测器Charge CarrierCharge Carrier（信息）载流子（信息）载流子电子离子对电子离子对第一打拿极收集到的光电子第一打拿极收集到的光电子电子空穴对电子空穴对今天，我们来讨论气体探测器气体探测器第4页/共188页第五页，共188页。6/189气体电离探测器：气体电离探测器：以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起效应引起(ynq)(ynq)输出电信号的探测器。输出电信号的探测器。按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比计数器、计数器、G-MG-M计数器以及计数器以及SQSSQS计数器等。计数器等。不断发展不断发展不断发展不断发展1992199219921992年，法国科学家年，法国科学家年，法国科学家年，法国科学家G.CharpakG.CharpakG.CharpakG.Charpak因发明多丝气体正比室获得因发明多丝气体正比室获得因发明多丝气体正比室获得因发明多丝气体正比室获得(hud)(hud)(hud)(hud)诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖1997199719971997年，年，年，年，CernCernCernCern的科学家的科学家的科学家的科学家SauliSauliSauliSauli发明发明发明发明GEMGEMGEMGEM探测器探测器探测器探测器BNLBNLBNLBNL的的的的RHIC-STARRHIC-STARRHIC-STARRHIC-STAR实验：实验：实验：实验：MRPCMRPCMRPCMRPC历史悠久历史悠久是最早被使用是最早被使用(shyng)(shyng)的射线探测的射线探测器器居里夫妇发现放射性同位素钋和居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时，用到了电离室镭时，用到了电离室Chadwick Chadwick 发现中子时，用发现中子时，用G-MG-M计计数器来测量质子数器来测量质子仍在使用仍在使用u剂量仪中的G-M计数器u测量中子的BF3、3He正比计数器u集装箱检测系统的气体电离室探测器第5页/共188页第六页，共188页。7/1894.1 4.1 气体中离子与电子的运动规律气体中离子与电子的运动规律4.2 4.2 电离室的工作电离室的工作(gngzu)(gngzu)机制和机制和输出回路输出回路4.3 4.3 脉冲电离室脉冲电离室4.4 4.4 累计电离室累计电离室4.5 4.5 正比计数器正比计数器4.6 G-M4.6 G-M计数管计数管 第6页/共188页第七页，共188页。8/1894.1 4.1 气体中离子与电子气体中离子与电子气体中离子与电子气体中离子与电子(dinz(dinz)的运动规律的运动规律的运动规律的运动规律1 1气体的电离与激发气体的电离与激发2 2载流子的产生载流子的产生3 3气体中离子、电子的漂移与扩散气体中离子、电子的漂移与扩散(kusn)(kusn)运动运动4 4载流子的移动载流子的移动5 5气体放电气体放电6 6载流子的载流子的“增多增多”第7页/共188页第八页，共188页。9/189一一一一.气体的电离气体的电离气体的电离气体的电离(dinl)(dinl)与激发与激发与激发与激发载流子的产生载流子的产生载流子的产生载流子的产生关于关于关于关于“电子离子对电子离子对电子离子对电子离子对”，请大家，请大家，请大家，请大家(dji)(dji)思考两个问思考两个问思考两个问思考两个问题：题：题：题：1.1.它们如何形成它们如何形成(xngchng)(xngchng)？2.2.“电子离子对电子离子对”是是怎样形成怎样形成(xngchng)(xngchng)的？的？2.2.如何携带如何携带信息信息何以胜任何以胜任“主角主角”？为什么为什么“电子离子对电子离子对”可以作为可以作为“信使信使”，在射线和我们（观察者）之间架起认知的，在射线和我们（观察者）之间架起认知的“桥梁桥梁”？带电粒子带电粒子不带电粒子不带电粒子，中子，中子射射线线快电子、重离快电子、重离子、裂变碎片子、裂变碎片等等荷电粒子荷电粒子通过某些反应变成带电粒子：通过某些反应变成带电粒子：光电效应、康普顿散射、电子对效应：光电效应、康普顿散射、电子对效应中子中子：俘获、反冲、裂变：俘获、反冲、裂变仅在低仅在低能时考能时考虑虑对载流子无贡献对载流子无贡献在探测器的介质中在探测器的介质中轫致辐射轫致辐射核阻止核阻止核外电子弹性碰撞核外电子弹性碰撞电离与激发电离与激发形成载流子形成载流子第8页/共188页第九页，共188页。10/189气体气体(qt)中的平均电离能中的平均电离能若能量为E0的入射粒子将能量全部损失在气体介质中时，产生的平均电子(dinz)离子对数为：平均电离能平均电离能WW：带电粒子：带电粒子在气体中产生在气体中产生(chnshng)(chnshng)一个一个“电电子离子对子离子对”所需的平所需的平均能量。均能量。气体气体w()w(X,)w()I0(eV)He46.0 0.541.5 0.429.9+0.524.5Ne35.7 2.636.2 0.428.6 821.6Ar26.3 0.126.2 0.215.8O232.3 0.131.8 0.331.5 212.5CH429.1 0.127.3 0.312.8C2H428.03 0.0526.3 0.312.2空气空气34.98 0.0533.73 0.1536.0 0.4最低电最低电离电位离电位WW大约都为3030eVeV对同种气体同种气体，不同种类或能量不同种类或能量的带电粒子的 平均电离能平均电离能基本不变基本不变。可以据此来测量入射带电粒子的 能量能量。重要特性能量为能量为E E00的射线进入探测器灵敏体积的射线进入探测器灵敏体积损失能量，通过电离产生损失能量，通过电离产生“电子离子对电子离子对”平均电离能平均电离能WW基本为常数基本为常数电子离子对的数目电子离子对的数目 NN（服从法诺分布）（服从法诺分布）问题问题2 2：信息携带者：信息携带者第9页/共188页第十页，共188页。11/189二二二二.电子与离子在气体中的运动电子与离子在气体中的运动电子与离子在气体中的运动电子与离子在气体中的运动(yndng)(yndng)载流子的移动载流子的移动载流子的移动载流子的移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，会发生以下物理(wl)过程：扩散(kusn)（Diffusion）电荷转移效应（Charge transfer）电子吸附（Electron Attachment）复合（Recombination）1.不存在外加电场的情况不存在外加电场的情况分两种情况来看：1.1.没有外加电场的情况没有外加电场的情况2.2.有外加电场的情况有外加电场的情况第10页/共188页第十一页，共188页。12/189(1)扩散扩散(kusn)(Diffusion)扩散：在气体中电离粒子(lz)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。由气体动力学，可得到扩散(kusn)方程：电子或离子粒子流密度粒子流密度电子或离子的扩散系数扩散系数电子或离子的密度梯度密度梯度第11页/共188页第十二页，共188页。13/189若电离粒子的速度遵守麦克斯韦麦克斯韦分布，则扩散系数 D D 与电离粒子的杂乱运动的平均速度平均速度 之间的关系为：电子的平均自由程和乱运动的平均速度都比离子的大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因而电子的扩散效应比离子的严重 扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离(dinl)(dinl)产生位产生位置信息的确定有一定影响置信息的确定有一定影响随着时间随着时间(shjin)(shjin)的推移，的推移，将扩散为空间高斯分布将扩散为空间高斯分布平均自由程第12页/共188页第十三页，共188页。14/189(2)(2)电荷转移效应电荷转移效应电荷转移效应电荷转移效应(xioyng)(Charge transfer)(xioyng)(Charge transfer)电荷转移效应(xioyng)：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。后面在讨论(toln)G-M管时会用到。第13页/共188页第十四页，共188页。15/189(3)电子的吸附电子的吸附(xf)和负离子的和负离子的形成形成吸吸附附：电电子子(dinz)(dinz)在在运运动动过过程程中中与与气气体体分分子子碰碰撞撞时时可可能能被被气气体体分分子子俘俘获获，形形成成负负离离子子，这这种种现象称之为吸附效应。现象称之为吸附效应。Electron attachmente-Negative ion第14页/共188页第十五页，共188页。16/189负电性气体负电性气体(qt)(qt)：例如例如O2O2、H2OH2O的的h10-4h10-4，卤素达，卤素达h10-3h10-3非负电性气体非负电性气体(qt)(qt)：h h小小(h 10-6)(h 10-5)(h 10-5)的气体的气体(qt)(qt)称为负电性气称为负电性气体体(qt)(qt)。电子的吸附现象对电子的吸附现象对气体探测器产生的是气体探测器产生的是正面正面 or or 负面负面影响？影响？电子被俘获形成负离子，很容易和正离子发生复合效应复合效应，减弱电离的减弱电离的效果效果，因此是不利不利的。气体探测器的工作气体应尽量选择选择吸附系数小吸附系数小的气体。第15页/共188页第十六页，共188页。17/189(4)复合复合(fh)(Recombination)有两个过程：电子与正离子负离子与正离子它们相遇时可能复合成中性的原子(yunz)或分子。Recombinatione-第16页/共188页第十七页，共188页。18/189一旦一旦(ydn)(ydn)形成了负离子，其运动速度远小于电子形成了负离子，其运动速度远小于电子正正离离子子与与负负离离子子的的复复合合系系数数要要比比正正离离子子与与电电子子的的复复合合系系数数大大得得多（大多（大2 23 3个量级）。个量级）。电子和离子的复合(fh)系数气体气体电子复合系数电子复合系数 e e(cm(cm3 3/s)/s)离子复合系数离子复合系数 i i(cm(cm3 3/s)/s)H H2 25.95.9 1010 11111.51.5 1010 6 6HeHe1.71.7 1010 8 8N N2 21.41.4 1010 6 6O O2 22.72.7 1010 7 71.61.6 1010 6 6ArAr8.88.8 1010 7 7COCO2 21.61.6 1010 6 6空气空气1.51.5 1010 6 6复复合合的的结结果果是是把把许许多多有有用用信信号号(xnho)(xnho)给给复复合合掉掉（载载流流子减少）子减少）使有用的信号使有用的信号(xnho)(xnho)减少（幅度降低、统计性变差）减少（幅度降低、统计性变差）因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免第17页/共188页第十八页，共188页。19/189离子和电子在外加电场离子和电子在外加电场离子和电子在外加电场离子和电子在外加电场(din(din chch ng)ng)中的漂移中的漂移中的漂移中的漂移离子和电子，由于热运动和空间分布不均匀：扩散在外加电场下：沿电场方向发生定向(dn xin)漂移这种运动称为“漂移(pio y)运动”定向运动的速度为“漂移(pio y)速度”2.2.存在外加电场的情况第18页/共188页第十九页，共188页。20/189对于(duy)离子：离子漂移速度离子的迁移率约化场强电场强度气体压强离子离子(lz)(lz)的迁移率近似为常数。的迁移率近似为常数。第19页/共188页第二十页，共188页。21/189对于(duy)自由电子：电子与气体原子发生弹性碰撞时，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(ji s)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。第20页/共188页第二十一页，共188页。22/189电子的漂移速度与约化场强不电子的漂移速度与约化场强不成正比，可用函数成正比，可用函数(hnsh)(hnsh)表示：表示：这个函数关系均由实验测定实验测定，一般给出的是实验曲线。ue(cm/s)30%20%10%5.3%2.1%66ppm纯Ar第21页/共188页第二十二页，共188页。23/189(1)电子漂移速度电子漂移速度一般为：离子漂移速度离子漂移速度一般为：(2)电子的漂移速度对组成(z chn)气体的组分极为敏感在单原子分子气体中加入(jir)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。重要特点(tdin)：电子与离子漂移的区别第22页/共188页第二十三页，共188页。24/189三三三三.气体气体气体气体(qt(qt)放电放电放电放电载流子载流子载流子载流子“增多增多增多增多”雪崩(xubng)(avalanche)电子(dinz)在气体中的碰撞电离过程。发生雪崩的阈值电场：ET 106V/m。电离产生的电子（除了电子）能量较低，无法再形成电离。当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得能量。随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。弹性碰撞激发电离。第23页/共188页第二十四页，共188页。25/189能能“触发触发”雪崩雪崩(xubng)的其的其它因素它因素要实现雪崩(xubng)效应，需要具备哪些条件？1.足够(zgu)强的电场2.自由电子自由电子电离电离产生的电子二次电子发射二次电子发射：雪崩区产生的正离子正离子经过103s到达器壁，并可能在器壁上打出二次电子。二次电子又可以引起新的雪崩。光子的作用光子的作用：雪崩形成大量的电离和大量的激发，106s;伴随着雪崩过程，退激产生大量的光子。光子与气体和器壁作用，打出光电子光电子，107s；光电子又可以引起新的雪崩。第24页/共188页第二十五页，共188页。26/189气体(qt)放大自持自持(zch)(zch)放电：放电：通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。非自持非自持(zch)(zch)放电：放电：雪崩从产生到结束，只发生一次。雪崩从产生到结束，只发生一次。第25页/共188页第二十六页，共188页。27/189小结：气体中离子小结：气体中离子(lz)与电子与电子的运动的运动统计(tngj)性1.没有外加(wiji)电场2.有外加电场电场强度增大统计性统计性？统计性？or光致电离二次电子发射重带电粒子扩扩散散电电子子复复合合吸吸附附离离子子复复合合如果电压继续提高，电场强度再增大，会怎样？雪崩雪崩法诺分布法诺分布第26页/共188页第二十七页，共188页。28/189I I复合复合(fh)(fh)区区II II饱和饱和(boh)(boh)区区III III 正比区正比区IVIV有限有限正比区正比区VV G-M G-M工作工作(gngzu)(gngzu)区区VIVI 连续放电区连续放电区第27页/共188页第二十八页，共188页。29/1894.1 气体中离子(lz)与电子的运动规律4.2 电离室的工作机制和输出回路4.3 脉冲电离室4.4 累计电离室4.5 正比计数器4.6 G-M计数管 第28页/共188页第二十九页，共188页。30/1894.2 电离室的工作机制与输出电离室的工作机制与输出(shch)回路回路1 1电离室的基本结构电离室的基本结构电离室的基本结构电离室的基本结构(jigu)(jigu)2 2工作气体工作气体工作气体工作气体3 3输出信号产生的物理过输出信号产生的物理过输出信号产生的物理过输出信号产生的物理过程程程程4 4电离室的输出回路电离室的输出回路电离室的输出回路电离室的输出回路第29页/共188页第三十页，共188页。31/189一一.电离室的基本电离室的基本(jbn)结构结构不同类型的电离室在结构上基本相同。典型(dinxng)结构有平板型和圆柱型。1.1.高压极高压极(K K)：正高压或负高压；2.2.收集极收集极(C C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；3.3.保护极保护极(G G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；4.4.负载电阻负载电阻(R RL L)：电流流过时形成电压信号。均包括：第30页/共188页第三十一页，共188页。32/189平板平板(pngbn)型电离室型电离室高压极收集极保护极高压(goy)负载电阻外壳(wi k)绝缘子 射线射线灵敏体积灵敏体积：由通过收集极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。第31页/共188页第三十二页，共188页。33/189圆柱型电离室圆柱型电离室第32页/共188页第三十三页，共188页。34/189二二.工作工作(gngzu)气体气体气体(qt)压力：从10-110大气压。充满电离室内部空间，是电离室的工作介质充满电离室内部空间，是电离室的工作介质应选应选(yn xun)(yn xun)用电子吸附系数小的气体用电子吸附系数小的气体如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密封外壳将电极系统包起来。但也可以是流气流气的。第33页/共188页第三十四页，共188页。35/189三三.输出信号产生的物理输出信号产生的物理(wl)过程过程怎样数清楚怎样数清楚N？第一步：第一步：极板a上加高压V0，极板a b 间电容量为C1，则两极板的电荷量：让我们以气体让我们以气体探测器的探测器的简化简化结构结构入手：入手：第34页/共188页第三十五页，共188页。36/189第二步第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷+e奥奥-高高定律：定律：它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为：-q1、-q2dx并且并且第35页/共188页第三十六页，共188页。37/189这就相当于感应(gnyng)电荷从外回路流过，即在外回路流过电流 i+(t)。第三步：当第三步：当+e+e电荷沿电场向收集极电荷沿电场向收集极b b运动，则上极板运动，则上极板a a上感上感应电荷应电荷q1q1减少减少(jinsho)(jinsho)，下极板，下极板b b上感应电荷上感应电荷q2q2增加。增加。第36页/共188页第三十七页，共188页。38/189第四步：当正电荷快到达第四步：当正电荷快到达(dod)(dod)极板的前一瞬间，极板的前一瞬间，-q1-q1全部由全部由a a极板经外回路流到极板经外回路流到b b极板，极板，b b极板上的感应电荷极板上的感应电荷为为-e-e当+e到达b极板，+e与b极板上的感应(gnyng)电荷-e中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为：第37页/共188页第三十八页，共188页。39/189类比考虑类比考虑(kol)(kol)：+e-e+e-e，又该当如何？请同学们自行推导过，又该当如何？请同学们自行推导过程程电子(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：相应在外回路(hul)流过电流为i-(t)，电流方向与i+(t)相同。dxq1q1和和q2q2的大小的大小分别分别(fnbi)(fnbi)与与正电荷时相同正电荷时相同第38页/共188页第三十九页，共188页。40/189这二者什么这二者什么(shn(shn me)me)关系？关系？重要关系重要关系：正负电荷正负电荷“搬运搬运”的电荷的电荷外电路流过电荷量外电路流过电荷量注意：这里有个前提注意：这里有个前提(qint)(qint)正负电荷是正负电荷是从同一个点开始运动的。从同一个点开始运动的。同一点引入正负电荷同一位置的“电子离子对”，则在外回路流经的电流电流流过外回路的总电荷量总电荷量先想想先想想(xin(xin xin)xin)，它，它成立吗？成立吗？第39页/共188页第四十页，共188页。41/189小结：关于小结：关于(guny)感应电荷与感应电荷与电流电流(1)只有当空间电荷在极板(j bn)间移动时，在外回路才有电流流过，此时i(t)=i+(t)+i(t)(2)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。(3)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。(4)当+e、e电荷在同一(tngy)位置产生时，它们在极板上的感应电荷量分别相同；(5)+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。射线电离所产生的任何一个射线电离所产生的任何一个“电子离子对电子离子对”+e e、e e，是来，是来自于自于同一个中性原子同一个中性原子(分子分子)的，因此，其产生位置当然是的，因此，其产生位置当然是同一位置同一位置，故前述前提是故前述前提是天然天然成立的。成立的。第40页/共188页第四十一页，共188页。42/189射线电离所产生的任何一对载流子射线电离所产生的任何一对载流子“电子离子对电子离子对”，在电，在电场作用下完成漂移场作用下完成漂移(pio y)(pio y)后，外电路流过的电荷量为：后，外电路流过的电荷量为：e e这个电荷量是与该这个电荷量是与该“电子电子离子对离子对”的位置无关的。的位置无关的。结论(jiln)1：射线在射线在探测器灵敏体积内产生探测器灵敏体积内产生N N对载流子对载流子，它们均在外加电场，它们均在外加电场作用下漂移，这时，作用下漂移，这时，外电路流过的外电路流过的电荷量电荷量为：为：NeNe这这N N个个“电子电子离子对离子对”没有必要没有必要产生在同一个位置。产生在同一个位置。结论2：测量由测量由Q Q决定的决定的电压信号幅度电压信号幅度，就可以知道，就可以知道N N的的大小大小，进而知道，进而知道射线的能量射线的能量。这就是气体探测器测量射线时形成信号的这就是气体探测器测量射线时形成信号的基本基本原理原理!重要结论：总电流总电量第41页/共188页第四十二页，共188页。43/189四四.电离室的输出电离室的输出(shch)回路回路输出回路：输出信号(xnho)电流流过的所有回路。第42页/共188页第四十三页，共188页。44/189测量仪器总电阻总电阻总电容总电容R RL L：负载电阻；C1 C1：探测器电容：探测器电容(dinrng)(dinrng)；R R入入 ：测量测量(cling)(cling)仪器输仪器输入电阻；入电阻；C C入入 ：测量仪器测量仪器(yq)(yq)输入输入电容；电容；：杂散电容；如,电缆电容100pF/m。第43页/共188页第四十四页，共188页。45/189电离室的工作电离室的工作(gngzu)(gngzu)方式方式可分为：可分为：1)1)脉冲型工作脉冲型工作(gngzu)(gngzu)状态状态2)2)累计型工作累计型工作(gngzu)(gngzu)状态状态记录单个单个入射粒子的电离效应电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：脉冲电离室脉冲电离室记录大量大量入射粒子平均电离效应平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：累计电离室累计电离室第44页/共188页第四十五页，共188页。46/1894.1 气体中离子与电子的运动规律4.2 电离室的工作机制和输出(shch)回路4.3 脉冲电离室4.4 累计电离室4.5 正比计数器4.6 G-M计数管 第45页/共188页第四十六页，共188页。47/1894.3 脉冲脉冲(michng)电离室电离室电离室处于(chy)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、时间等信息。以下讨论假设：入射粒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(b zi)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第46页/共188页第四十七页，共188页。48/1891 1脉冲电离室的输出信号脉冲电离室的输出信号脉冲电离室的输出信号脉冲电离室的输出信号2 2圆柱形电子圆柱形电子圆柱形电子圆柱形电子(dinz(dinz)脉冲电离室和屏栅电离脉冲电离室和屏栅电离脉冲电离室和屏栅电离脉冲电离室和屏栅电离室室室室3 3脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室输出信号的测量4 4脉冲电离室的性能脉冲电离室的性能脉冲电离室的性能脉冲电离室的性能第47页/共188页第四十八页，共188页。49/189一一.脉冲脉冲(michng)电离室的输电离室的输出信号出信号电离室是一个理想(lxing)的电荷源（其外回路对输出量无影响）。1.1.脉冲脉冲(michng)(michng)电离室的总输出电荷量电离室的总输出电荷量电离室灵敏体积内产生NN个离子对个离子对并全部被极板收集后的总总输出电荷量输出电荷量：这一结果与极板形状、电场分布、输出回路参数无关无关。第48页/共188页第四十九页，共188页。50/189(1)负载电阻RL=0的情况(qngkung)2.2.脉冲电离室的输出电流脉冲电离室的输出电流(dinli)(dinli)信号信号相当于用输入阻抗极小的电流计测量(cling)电离室输出信号的情况。第49页/共188页第五十页，共188页。51/189下面下面下面下面(xi mian)(xi mian)来计算电流的大小：来计算电流的大小：来计算电流的大小：来计算电流的大小：电源电源提供功率：提供功率：电场电场对电子正离子对漂移所对电子正离子对漂移所做功做功的功率：的功率：离子、电子在t时刻的空间位置空间位置；正离子、电子在该点的场强场强；正离子、电子在该点的漂移速度漂移速度。能量守恒第50页/共188页第五十一页，共188页。52/189求解求解求解求解(qi ji)(qi ji)得到得到得到得到 t t 时刻流经外回路的电流时刻流经外回路的电流时刻流经外回路的电流时刻流经外回路的电流在 t 时刻(shk)，灵敏体积中有N+(t)个正离子和N(t)个电子，则输出电流：电离室的本征电流(dinli)（Intrinsic Current）第51页/共188页第五十二页，共188页。53/189以平板(pngbn)电离室为例：设离子(lz)和电子的漂移速度是常数并且电子的漂移速度是离子(lz)漂移速度的1000倍均匀电场t2 t2 为为开开始始有有正正离离子子到到达达(dod)b(dod)b极极板板的的时间；时间；几个重要时刻：t t1 1 为开始有电子到达a a极板的时间；T T 为电子全部到达a a极板的时间；T T+为正离子全部到达b极板的时间。离子和电子的初始数目为：第52页/共188页第五十三页，共188页。54/189外回路外回路(hul)的电流的电流第53页/共188页第五十四页，共188页。55/189RL0的情况的情况(qngkung)(2)负载电阻RL0的情况(qngkung)采用一般的具有输入阻抗的测量装置(zhungzh)，输出电压信号。总电阻总电容 电源电源做的功率W(t)灵敏体积内电子和正离子在电场作用下 漂移漂移所消耗的功率We(t)输出回路中消耗回路中消耗的功率WO(t)C1的储能储能发生变化(消耗功率)WC1(t)第54页/共188页第五十五页，共188页。56/189推导(tudo)过程的物理基础：电源(dinyun)电动势所做的功率W(t)输出回路中消耗(xioho)的功率WO(t)C C1 1的储能发生变化(消耗功率)WWC C1 1(t t)灵敏体积内电子正离子在电场下漂移所消耗的功率WWe e(t t)能量守恒能量守恒根据能量守恒：第55页/共188页第五十六页，共188页。57/189电源(dinyun)功率W(t)灵敏体积内电子正离子在电场下漂移所消耗的功率第56页/共188页第五十七页，共188页。58/189a极板(j bn)的电位不再为常数，而为V(t)电容C1的储能为能量变化率为：电容(dinrng)C1的储能发生变化输出回路功率WO(t)第57页/共188页第五十八页，共188页。59/189能量守恒能量守恒令：第58页/共188页第五十九页，共188页。60/189(A)由于V(t)V0称为(chn wi)电离室的总电流信号。把电离室看成理想的内阻(ni z)无限大的电流源，但这是有条件的。而电荷源则是无条件的。结论(jiln)：第59页/共188页第六十页，共188页。61/189(B)电离室可以(ky)用电流源I0(t)和C1并联等效。并可得到其输出回路的等效电路第60页/共188页第六十一页，共188页。62/1893.3.电离室的输出电离室的输出(shch)(shch)电压信号电压信号解微分方程(wi fn fn chn)第61页/共188页第六十二页，共188页。63/189(1)当 时，即全部电子和正离子对输出信号都有贡献。在t T+时第62页/共188页第六十三页，共188页。64/189第63页/共188页第六十四页，共188页。65/189结论结论(jiln)（离子脉冲电离室）（离子脉冲电离室）在t=T+时，输出(shch)电压脉冲幅度 C0越小，h越大。为此(wi c)须降低C0(C1,C,C入)工作在这种状态的电离室称之为离子离子脉冲电离室。?存在问题存在问题输出电压脉冲宽度非常大(T是ms量级)，这会导致：入射粒子的强度不能太大并且要求放大器电路频带非常宽，噪声大而非实用第64页/共188页第六十五页，共188页。66/189(2)当 ，正离子漂移的贡献(gngxin)可以忽略，在t T时第65页/共188页第六十六页，共188页。67/189第66页/共188页第六十七页，共188页。68/189结论（电子结论（电子(dinz)脉冲电离室）脉冲电离室）输出脉冲幅度 ，仅取决于电仅取决于电子子漂移在外回路中流过的电荷量。由于 ，大约是微秒量级微秒量级，将大大降低电压输出脉冲的宽度，得到快快的响应时间。工作于这种状态的电离室称为电子(dinz)脉冲电离室。？存在问题输出(shch)电压脉冲幅度h-与初始电离的位置有关，也就是Q-与初始电离位置有关。第67页/共188页第六十八页，共188页。69/189即Q与第j个电子被收集时最终电位和最初产生(chnshng)处(初电离位置)电位之差有关。这样，电子脉冲电离室的输出电压脉冲幅度不仅与产生(chnshng)的离子对数有关，而且，与离子对生成的位置有关。第68页/共188页第六十九页，共188页。70/189(3)影响输出信号形状(xngzhun)的因素第69页/共188页第七十页，共188页。71/189第70页/共188页第七十一页，共188页。72/189关于电离室输出电压关于电离室输出电压(diny)信信号的一些重要结论号的一些重要结论(C)电子或正离子漂移对输出电压脉冲(michng)信号的贡献，取决于电子或正离子扫过的电位差。(A)电子离子对一旦形成，立即就有输出(shch)电流信号；电压脉冲的上升时间为电流脉冲的持续时间。(B)电离室输出电流中包含快快成成分分与与慢慢成成分分，其比例与电子离子产生位位置置有有关关，导致电离室输出的电压脉冲为变变前前沿沿的脉冲，其上上升升时时间间涨涨落落达1010 3 3s s量级。第71页/共188页第七十二页，共188页。73/189脉冲电离室小结：特点脉冲电离室小结：特点(tdin)与问题？与问题？离子(lz)脉冲电离室电子(dinz)脉冲电离室问题？特点R0C0T，电子和离子信号均对输出电压信号有贡献。TR0C0T，只有电子信号对输出电压信号有贡献。准确测量入射粒子能量？实现高计数率？高信噪比？如何兼得？第72页/共188页第七十三页，共188页。74/189二二.圆柱型电子圆柱型电子(dinz)脉冲电脉冲电离室和屏栅电离室离室和屏栅电离室1.圆柱型电子(dinz)脉冲电离室第73页/共188页第七十四页，共188页。75/189设计思想(sxing)：利用圆柱形电场的特点来减少Q与入射粒子位置的关系，达到利用“电子脉冲”来测量能量的目的。距中心位置为距中心位置为r r的场强的场强电位为电位为沿轴向观察(gunch)圆柱形电离室电子(dinz)电压脉冲幅度与r0的关系第74页/共188页第七十五页，共188页。76/189输出脉冲电荷量输出电压脉冲幅度 结论：选择足够大的b/a值，在r0较大时，h(r0)与r0之间的关系(gun x)就不显著了。同时由于圆柱形的几何条件，r0小的区域只占很小的一部分体积，大部