核辐射三大探测器气体.pptx

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1、辐射探测器辐射探测器学习要点学习要点（研究问题）：（研究问题）：探测器探测器的的工作机制工作机制工作机制工作机制；探测器探测器的的输出回路输出回路输出回路输出回路与与输出信号输出信号输出信号输出信号；探测器探测器的的主要性能指标主要性能指标主要性能指标主要性能指标；探测器探测器的的典型应用典型应用典型应用典型应用。辐射探测的基本过程：辐射探测的基本过程：辐射粒子辐射粒子射入射入探测器探测器的的灵敏体积灵敏体积灵敏体积灵敏体积；入射粒子入射粒子通过通过电离电离电离电离、激发激发激发激发等效应而在等效应而在探测器中探测器中沉积沉积沉积沉积能量能量能量能量；探测器探测器通过通过各种机制各种机制将将沉

2、积能量沉积能量沉积能量沉积能量转换成转换成某种形式的某种形式的输出信号输出信号输出信号输出信号。第1页/共167页第八章第八章 气体探测器气体探测器Gasfilled Detector第2页/共167页电离损失电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程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入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用库仑作用，使电子获得能量而引起使电子获得能量而引起原子的原子的电离电离或或激发激发。8.1 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1、气体气体的的电离电离与与激发激发入射粒子入射粒子直接产生的直接产生的离子对离子对称为称为原电离原电离。初

3、电离初电离产生的产生的高速电子高速电子足以使足以使气体气体产生的电离称为产生的电离称为次电离次电离。总电离总电离=原电离原电离+次电离次电离第3页/共167页 电离能电离能W：带电粒子带电粒子在气体中产生在气体中产生一一电子离子对电子离子对所需的所需的平均能量平均能量。对不同的气体，对不同的气体，W大约为大约为30eV 若若入入射射粒粒子子的的能能量量为为E0，当当其其能能量量全全部部损损失失在在气气体体介介质质中中时时，产产生生的的平平均均离离子子对对数数为：为：A.Number of Ion Pairs Formed第4页/共167页B.The Fano Factor离子对数离子对数N是是

4、随机变量随机变量.它服从什么它服从什么分布分布？法诺分布法诺分布离子对数离子对数的的方差方差 过过去去实实验验测测量量不不同同气气体体的的法法诺诺因因子子介介于于1/31/2之之间间，但但目目前前实实际际可可以以做做到到不不大大于于0.2。第5页/共167页C、光致电离光致电离 Cs原子的电离电位最低，原子的电离电位最低，3.88eV；相应的光子波长为相应的光子波长为3184，在紫外区；，在紫外区；紫外光紫外光或或能量更高的光能量更高的光才能产生光致电才能产生光致电离。离。介质中原子介质中原子吸收一个光子吸收一个光子，放出一个放出一个电子而电离电子而电离。紫外光子能量较低，光致电离产生的电紫外

5、光子能量较低，光致电离产生的电子动能很低，一般不能再引起新的电离或子动能很低，一般不能再引起新的电离或激发。激发。第6页/共167页上述两过程均在上述两过程均在1010-9-9秒秒内完成。内完成。亚稳态原子寿命较长，一般为亚稳态原子寿命较长，一般为1010-2-2 10 10-4-4秒秒 D.被激发被激发原子的退激方式：原子的退激方式：1)辐辐射射光光子子。发发射射波波长长接接近近紫紫外外光光的的光光子子，这这些些光光子子又又可可能能在在周周围围介介质质中中打打出出光光电电子子，或或被某些被某些气体分子气体分子吸收而使吸收而使分子分子离解离解。2)发射俄歇电子发射俄歇电子。3)亚亚稳稳态态原原

6、子子的的退退激激。受受激激原原子子处处于于亚亚稳稳态态，仅仅当当它它与与其其它它粒粒子子发发生生非非弹弹性性碰碰撞撞时时才能才能退激退激。第7页/共167页2、电子与离子在气体中的运动、电子与离子在气体中的运动 当当不不存存在在外外加加电电场场的的情情况况下下，电电离离产产生生的的电电子子和和正正离离子子在在气气体体中中运运动动，并并和和气气体体分分子子或或原原子子不不断断地地碰碰撞撞，处处于于平平衡衡状状态态。其结果会发生以下其结果会发生以下物理过程物理过程：u Diffusion；u Electron Attachment；u Recombination；第8页/共167页A.扩散扩散(D

7、iffusion)在在气气体体中中电电离离粒粒子子的的密密度度是是不不均均匀匀的的，原原电电离离处处密密度度大大。由由于于其其密密度度梯梯度度而而造造成成的的离子、电子离子、电子的的定向运动定向运动叫叫扩散扩散。由气体动力学，可得到由气体动力学，可得到扩散方程扩散方程：电子或离子电子或离子粒子流密度粒子流密度电子或离子电子或离子的的扩散系数扩散系数电子或离电子或离子子密度密度第9页/共167页若电离粒子的速度遵守麦克斯韦分布，则若电离粒子的速度遵守麦克斯韦分布，则扩散系数扩散系数 D 与电离粒子的杂乱运动的与电离粒子的杂乱运动的平均平均速度速度 之间的关系为：之间的关系为：平均自由程平均自由程

8、 电子电子的的平均自由程平均自由程和乱运动的和乱运动的平均速平均速度度都比都比离子离子的的大大，因此其，因此其扩散系数扩散系数比比离子离子的大，因而的大，因而电子电子的的扩散效应扩散效应比比离子离子的的严重严重。第10页/共167页B.电子的吸附和负离子的形成电子的吸附和负离子的形成 电子电子在在运动过程中运动过程中与气体分子与气体分子碰撞碰撞时可时可能被能被气体分子气体分子俘获俘获，形成，形成负离子负离子，这种现，这种现象称之为象称之为吸附效应吸附效应。Electron attachmente-Negative ion第11页/共167页例如例如O2 2、H2 2O，的，的 ，卤素卤素达达

9、每次碰撞每次碰撞中被中被电子俘获电子俘获的的概率概率称为称为吸附吸附系数系数 h。h大大(h 10-5)的的气体气体称为称为负电性气体负电性气体。电子电子的的吸附现象吸附现象对对气体探测器气体探测器产生的是产生的是正面正面 or 负面影响负面影响？气体探测器的工作气体应气体探测器的工作气体应尽量选择吸尽量选择吸附系数小附系数小的气体，在不得已采用时，将的气体，在不得已采用时，将会影响探测器的性能。会影响探测器的性能。第12页/共167页C.复合复合(Recombination)有有两两个个过过程程：电电子子与与正正离离子子，或或负负离离子子与与正正离离子子，相相遇遇时时可可能能复复合合成成中中

10、性性的的原原子子或分子。或分子。Recombinatione-第13页/共167页 为为复合系数复合系数 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给给复复合合掉掉，使使有有用用的的信信号号减减少少。因因此此，复复合合现现象象在探测器正常工作中应尽量避免在探测器正常工作中应尽量避免。复合引起的复合引起的离子对数目离子对数目的的损失率损失率：一一旦旦形形成成了了负负离离子子，其其运运动动速速度度远远小小于于电电子子，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离子与电子的正离子与电子的复合系数复合系数大得多大得多。第14页/共167页D.离子和电子在离子和电子在外加电场外

11、加电场中的漂移中的漂移 离子和电子除了与作离子和电子除了与作热运动热运动的的气体分气体分子子碰撞碰撞而而杂乱运动杂乱运动和因和因空间分布不均匀空间分布不均匀造造成的成的扩散运动扩散运动外，还有由于外，还有由于外加电场外加电场的的作作用用沿沿电场方向电场方向定向漂移定向漂移。这种运动称为这种运动称为“漂移运动漂移运动”，定向运，定向运动的速度为动的速度为“漂移速度漂移速度”。第15页/共167页对于对于离子：离子：在在存在存在电场的情况下电场的情况下，两次碰撞之间离子，两次碰撞之间离子从电场获得的能量从电场获得的能量又会在碰撞中损失，离又会在碰撞中损失，离子的能量子的能量积累不起来积累不起来。离

12、子离子的的平均动能平均动能与与没有电场没有电场的情况的情况相似相似，为：，为：离子离子漂移速度漂移速度离子离子的的迁移率迁移率电场强度电场强度气体压强气体压强约化场强约化场强第16页/共167页离子的离子的迁移率迁移率可表示为：可表示为：M为为离子质量离子质量；0为离子在气体中为离子在气体中单位气压下的自由程单位气压下的自由程；乱运动的乱运动的平均速度平均速度。由于离子的平均动能基本上不随电场而变化，由于离子的平均动能基本上不随电场而变化，则则 近似为常数，这样近似为常数，这样离子的迁移率离子的迁移率近似为近似为常数常数。第17页/共167页对于对于自由电子：自由电子：电子与气体分子发生电子与

13、气体分子发生弹性碰撞弹性碰撞时，每次时，每次损损失失的能量的能量很小很小，因此，电子因此，电子在在两次碰撞两次碰撞中中由由外电场加速外电场加速的的能量能量可可积累起来积累起来。直到使直到使它的它的弹性碰撞能量损失弹性碰撞能量损失和和碰撞间从电场获碰撞间从电场获得的能量得的能量相等相等，或发生，或发生非弹性碰撞非弹性碰撞为止。为止。达到达到平衡状态平衡状态时，即时，即损失能量损失能量等于等于从电场从电场获得的能量获得的能量时，电子的时，电子的平均能量平均能量为为:称为电子温度，是场强的函数。称为电子温度，是场强的函数。第18页/共167页电子的漂移速度电子的漂移速度与与约化场强约化场强不成正比不

14、成正比，可用可用函数函数表示：表示：这个函数关系均由这个函数关系均由试验测定试验测定。一般给出。一般给出的是的是实验曲线实验曲线(如图如图8.2、8.3、8.4)。电电子子漂漂移移速速度度对对气气体体成成分分很很敏敏感感，少少量量某某种种气气体体的的混混入入就就可可显显著著提提高高电电子子漂移速度漂移速度。第19页/共167页(1)电子漂移速度电子漂移速度一般为：一般为：离子漂移速度离子漂移速度一般为：一般为：(2)电子电子的的漂移速度漂移速度对对组成气体组成气体的的组分组分极为极为灵敏灵敏在在单原子单原子分子气体中（如分子气体中（如卤素卤素）加入）加入少量少量多原子多原子分子气体分子气体（如

15、（如CO2、H2O等）时，等）时，电子电子的的漂移速度漂移速度有有很大的增加很大的增加。电子电子与与离子离子在气体中在气体中在外电场作用在外电场作用下的下的漂移速度漂移速度的的主要区别主要区别为：为：第20页/共167页E E、电荷转移效应、电荷转移效应 正正离离子子与与中中性性的的气气体体分分子子碰碰撞撞时时，正正离离子子与与分分子子中中的的一一个个电电子子结结合合成成中中性性分分子子，中性气体分子成为正离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，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。降低离

16、子的漂移速度。复合效应复合效应、电子吸附效应电子吸附效应、电荷转移效电荷转移效应应等，都不利于电荷收集。等，都不利于电荷收集。第21页/共167页3 3气体放电气体放电A、雪崩雪崩 电子在气体中的电子在气体中的电离碰撞电离碰撞过程。过程。发生雪崩的阈值电场：发生雪崩的阈值电场：ET 106V/m。第22页/共167页能引起雪崩的其他因素：能引起雪崩的其他因素：光子与气体和器壁作用，打出光子与气体和器壁作用，打出光电子光电子，10 7sec；光电子又可以引起新的雪崩。光电子又可以引起新的雪崩。二次电子发射二次电子发射：雪崩区产生的雪崩区产生的正离子正离子经过经过10 3sec到达到达器壁器壁，并

17、可能在器壁上打出并可能在器壁上打出二次电子二次电子。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，雪崩形成大量的电离和大量的激发，10 6sec;伴随着雪崩过程，伴随着雪崩过程，退激退激产生大量的产生大量的光子光子。二次电子又可以引起新的雪崩。二次电子又可以引起新的雪崩。第23页/共167页B、气体放大气体放大自持雪崩自持雪崩：通过光子的作用和二次电子发射，雪崩通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。持续发展。也叫自持放电。也叫自持放电。非自持放电非自持放电：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24页/共167页I:复合区复合区II:饱和区饱和区III:正

18、比区正比区IV:有限正比区有限正比区V:G-M工作区工作区VI:连续放电区连续放电区第25页/共167页8.2 电离室的工作机制与输出回路电离室的工作机制与输出回路电离室的电离室的工作方式工作方式可分为：可分为：1)脉冲型工作状态脉冲型工作状态2)累计型工作状态累计型工作状态 记录记录单个单个入射粒子入射粒子的电离效应，处于的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：这种工作状态的电离室称为：脉冲电离脉冲电离室室 记录记录大量大量入射粒子入射粒子平均电离效应平均电离效应，处，处于这种工作状态的电离室称为：于这种工作状态的电离室称为：累计电累计电离室。离室。第26页/共167页1、电离室的基本结构

19、、电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同不同类型的电离室在结构上基本相同.典型结构有典型结构有平板型平板型和和圆柱型圆柱型。高压极高压极(K)：正高压或负高压；：正高压或负高压；均包括：均包括：收集极收集极(C)：与测量仪器相联的电极，：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；处于与地接近的电位；保护极保护极(G)：又称保护环，处于与收集：又称保护环，处于与收集极相同的电位；极相同的电位；负负载载电电阻阻(RL)：电电流流流流过过时时形形成成电电压压信号。信号。第27页/共167页高压极高压极收集极收集极保护极保护极高压高压负载电阻负载电阻外壳外壳灵敏灵敏体积体积绝缘子绝缘子平板型

20、电离室平板型电离室第28页/共167页圆柱型电离室圆柱型电离室第29页/共167页灵敏体积灵敏体积：由通过由通过收集级收集级边缘的边缘的电力线电力线所包围的所包围的两两电极间电极间的的区域区域。保护环保护环G的作用：的作用：1)使使灵敏体积灵敏体积边缘处的边缘处的电场电场保持均匀保持均匀；2)若若无无G，当当高压高压很大很大时，会有时，会有电流电流通过通过绝缘子绝缘子从从负载电阻负载电阻RL上通过，从而产生上通过，从而产生噪声噪声，即，即绝缘子绝缘子的的漏电流漏电流。第30页/共167页 气体压力气体压力：从：从10-110大气压大气压。2、工作气体、工作气体 充满电离室内部空间，是电离室充满

21、电离室内部空间，是电离室的工作介质；的工作介质；如如Ar 加加少量多原子分子气体少量多原子分子气体CH4。需需要要保保证证气气体体的的成成分分和和压压力力，所所以以一一般般电电离离室室均均需需要要一一个个密密封封外外壳壳将将电电极极系系统包起来。统包起来。第31页/共167页第一步第一步：假设：假设回路回路中中没有没有负载电阻负载电阻 极板极板a上加上加高压高压V0，极板极板a b 间间电容量电容量为为C1，则，则两极板两极板的的电荷量电荷量：3、输出信号产生的物理过程、输出信号产生的物理过程 即电离室的工作机制。即电离室的工作机制。第32页/共167页第二步第二步：在电离室内：在电离室内某一

22、点某一点引入一单位引入一单位正电荷正电荷e+它将在它将在两极板两极板上分别上分别感应出感应出一定的一定的负电负电荷荷，设分别为，设分别为-q1、-q2高斯定律高斯定律：第33页/共167页 即即正电荷正电荷靠靠哪个极板哪个极板近近，那个极板那个极板上上产生的产生的感应电荷感应电荷多多。这就相当于这就相当于感应电荷感应电荷从从外回路外回路流过，流过，即即在在外回路外回路流过流过电流电流 i+(t)。第三步第三步：当：当 电荷电荷沿电场沿电场向向收集极收集极运动，运动，则则上极板上极板a上上感应感应电荷电荷 减少减少，下极板下极板b上上感应感应电荷电荷 增加增加。且。且第34页/共167页 正离子

23、漂移正离子漂移所引起的所引起的负感应电荷负感应电荷在回在回路中流过的电荷量为：路中流过的电荷量为：第35页/共167页第第四四步步：当当正正电电荷荷快快到到达达极极板板的的前前一一瞬瞬间间，-q1 1全全部部由由a极极板板经经外外回回路路流流到到b极极板板，b极极板板上的上的感应电荷感应电荷：当当e+到达到达b极板极板，e+与与b极板极板上的上的感应电感应电荷荷中和中和。外回路外回路电流结束电流结束，流过，流过外回路外回路的的总电荷量总电荷量为：为：考虑考虑：如果在：如果在电极之间电极之间引入的是引入的是负电荷负电荷，解释一下解释一下整个物理过程整个物理过程。产生的结果是否。产生的结果是否与与

24、正电荷正电荷有共同之处？有共同之处？第36页/共167页 电子电子(负离子负离子)漂移漂移所引起的所引起的正感应电荷正感应电荷在回路中流过的电荷量为：在回路中流过的电荷量为：第37页/共167页如果在电场中同一点引入一如果在电场中同一点引入一负电荷负电荷 ，它将在它将在ab两极板上分别感应一定的两极板上分别感应一定的正电正电荷荷，分别为，分别为 和和 。当负电荷沿电场。当负电荷沿电场反方向运动时，则反方向运动时，则a极板上感应电荷极板上感应电荷 增加增加，而，而b极板上感应电荷极板上感应电荷 减少减少。整。整个过程中，流过外回路的总电荷量为：个过程中，流过外回路的总电荷量为：相应在外回路流过电

25、流为相应在外回路流过电流为 ，电流，电流方向与方向与 相同。相同。第38页/共167页同一点引入正负电荷：同一点引入正负电荷：当当同时同时在在同一位置同一位置引入引入一离子对一离子对，则，则在在外回路外回路流经的流经的电流电流：i(t)=i+(t)+i(t)流过流过外回路外回路的的总电荷量总电荷量：q+q-=e第39页/共167页(1)(1)只只有有当当空空间间电电荷荷在在极极板板间间移移动动时时，在在外外回回路路才才有有电电流流流流过过，此此时时i(t)=i+(t)+i(t)，正正、负负电电荷荷的的感感应应电电流流方方向向相相同同，在在探探测测器器内内部部从从阳阳极极流流向向阴阴极极。电电荷

26、荷漂漂移移过过程程结结束束，外外回回路路感感应应电电流流消消失失。当当负负电电荷荷被被收收集集后后，外外回回路路中中就就只只有有正电荷的感应电流。正电荷的感应电流。结论：结论：(2)当当+e、e电电荷荷在在同同一一位位置置产产生生时时，它它们们在在极极板上的感应电荷量分别相同；板上的感应电荷量分别相同；+e、e电电荷荷漂漂移移结结束束，流流过过外外回回路路的的总总电电荷荷量量为为e；该电荷量与这一对电荷的产生；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关位置无关。第40页/共167页(1)当当入入射射粒粒子子在在探探测测器器灵灵敏敏体体积积内内产产生生N个个离离子子对对，它它们们均均在在外外加加电电场场

27、作作用用下下漂移漂移，这时，产生的，这时，产生的总电流信号总电流信号是：是：引伸结论引伸结论：(2)当当N个个离子对离子对全部全部被被收集收集时，流过时，流过外外电路电路的的总电荷量总电荷量为：为：第41页/共167页 输出回路的输出回路的定义定义：输出信号电流输出信号电流所有所有流过的流过的回路回路都包括在输出回路中。都包括在输出回路中。感应电荷感应电荷在在外回路外回路上形成的上形成的电流电流，在，在负载电阻负载电阻RL上形成上形成电压电压，有，有信号输出信号输出；测量仪器测量仪器有有内阻、电容内阻、电容；探测器探测器电容电容C1。输出回路输出回路的简化过程：的简化过程：4、电离室的输出回路

28、、电离室的输出回路 线路的杂散线路的杂散电容电容C。第42页/共167页测测量量仪仪器器总电阻总电阻总电容总电容RL：负载电阻；：负载电阻；C1：探测器电容；：探测器电容；R入入：测量仪测量仪器输入电阻；器输入电阻；C入入：测量仪测量仪器输入电容；器输入电容；：杂散电容；：杂散电容；如如,电缆电容电缆电容100pF/m。第43页/共167页 电离室处于电离室处于脉冲工作状态脉冲工作状态，电离室的，电离室的输出输出信号信号仅反映仅反映单个单个入射粒子入射粒子的电离效应。的电离效应。可以测可以测量每个入射粒子的量每个入射粒子的能量能量、时间时间、强度强度等。等。8.3 脉冲电离室脉冲电离室 以下讨

29、论假设入射离子在灵敏体积中产以下讨论假设入射离子在灵敏体积中产生生N 个个离子对离子对，并，并忽略忽略扩散扩散和和复合复合的影响，的影响，而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有其它入射粒子产生电离。有其它入射粒子产生电离。脉冲电离室的输出信号：脉冲电离室的输出信号：电荷信号电荷信号，电流信号电流信号，电压信号电压信号。第44页/共167页 电离室电离室是一个是一个理想理想的的电荷源电荷源（其（其外回外回路路对对输出量输出量无影响无影响）。）。1)脉冲电离室脉冲电离室的的总输出电荷量总输出电荷量1、脉冲电离室的输出信号、脉冲电离室的输出信号 电离室电离室灵

30、敏体积灵敏体积内产生内产生N个离子对并个离子对并全部为全部为极板极板收集后的收集后的总输出电荷量总输出电荷量：这一结果与这一结果与极板形状极板形状、电场分布电场分布、输输出回路参数出回路参数无关。无关。第45页/共167页(1)负载电阻负载电阻RL=0=0的情况的情况2)脉冲电离室脉冲电离室的的输出电流信号输出电流信号 相当于用输入阻抗极小的电流计测量相当于用输入阻抗极小的电流计测量电离室输出信号的情况。电离室输出信号的情况。第46页/共167页下面来计算电流的大小：下面来计算电流的大小：电源电源提供提供功率功率：电场对电场对电子正离子对电子正离子对漂移所做的漂移所做的功功：离子、电子离子、电

31、子在在t时刻的时刻的空间位置空间位置；正离子、电子正离子、电子在该点的在该点的场强场强；正离子、电子正离子、电子在该点的在该点的漂移速度漂移速度。能量守恒能量守恒第47页/共167页求解得到求解得到 t 时刻流经时刻流经外回路外回路的的电流电流在在 t 时刻，时刻，灵敏体积灵敏体积中有中有N+(t)个个正离子正离子和和N(t)个个电子电子，则，则输出电流输出电流：电离室电离室的的本征电流本征电流（Intrinsic Current）第48页/共167页以以平板电离室平板电离室为例，为例，设设离子离子和和电子电子的的漂移速度漂移速度是是常数常数，并且，并且电子电子的的漂移速度漂移速度是是离子离子

32、漂移速度漂移速度的的10001000倍倍，均匀电场均匀电场t2 为开始有为开始有正离子正离子到达到达b极板极板的时间；的时间；几个重要时刻：几个重要时刻：t1 为开始有为开始有电子电子到达到达a极板极板的时间；的时间；T 为为电子电子全部全部到达到达a极板极板的时间；的时间；T+为为正离子正离子全部全部到达到达b极板极板的时间。的时间。离子离子和和电子电子的初始数目为：的初始数目为：第49页/共167页第50页/共167页(2)负载电阻负载电阻RL00的情况的情况 采用一般的具有输入阻抗的测量装置，输采用一般的具有输入阻抗的测量装置，输出出电压信号电压信号。总电阻总电阻总电容总电容 电源电源做

33、的做的功率功率W(t)输出回路输出回路中中消消耗的功率耗的功率WO(t)灵敏体积灵敏体积内电子和内电子和正离子在正离子在电场电场作用下作用下漂漂移移所所消耗的功率消耗的功率We(t)C1的的储能储能发生变发生变化化(消耗功率消耗功率)WC1(t)第51页/共167页推导过程的物理基础推导过程的物理基础：电源电动势电源电动势所所做的功率做的功率W(t)输出回路输出回路中中消耗的功率消耗的功率WO(t)C1的的储能储能发生变化发生变化(消耗功率消耗功率)WC1(t)灵敏体积灵敏体积内电子正离子在内电子正离子在电场电场下下漂移漂移所所消耗的功率消耗的功率We(t)能量守恒能量守恒根据能量守恒：根据能

34、量守恒：第52页/共167页电源功率电源功率W(t)灵敏体积灵敏体积内内电子正离子电子正离子在电场下在电场下漂移漂移所所消耗消耗的功率的功率第53页/共167页a极板极板的的电位电位不再为不再为常数常数而为而为V(t)电容电容C1的的储能为储能为能量变化率能量变化率为：为：电容电容C1的的储能储能发生变化发生变化输出回路功率输出回路功率WO(t)第54页/共167页能量守恒能量守恒令：令：第55页/共167页(A)由于由于V(t)V0为为电离室电离室的的本征电流本征电流。把把电离室电离室看成看成理想理想的的内阻无限大内阻无限大的的电流源电流源，但这是但这是有条件的有条件的。而。而电荷源电荷源则

35、是则是无条件的无条件的。结论：结论：第56页/共167页(B)电离室电离室可以用可以用电流源电流源I0(t)和和C1并联并联等效。等效。并可得到其输出回路的并可得到其输出回路的等效电路等效电路第57页/共167页3)电离室的输出电压信号电离室的输出电压信号解微分方程：解微分方程：第58页/共167页(1)(1)当当 时，即时，即全部全部电子电子和和正离子正离子对对输出信号输出信号都有都有贡献。贡献。在在t T+时时第59页/共167页第60页/共167页A、在在t=T+时，输出时，输出电压脉冲电压脉冲幅度幅度B、C0越小越小，h越大越大。为此须。为此须降低降低工作在这种状态的工作在这种状态的电

36、离室电离室称之为称之为离子离子脉脉冲电离室冲电离室。存在问题存在问题输出输出电压脉冲宽度电压脉冲宽度非常大非常大(T是是ms量级量级)，这样，这样入射粒子的强度入射粒子的强度不能不能太大太大，并且要求，并且要求放大器电路放大器电路频带非常宽频带非常宽，噪声大噪声大而而非实用非实用。结论：结论：第61页/共167页(2)当当 ，正离子漂移正离子漂移的贡的贡献献可以忽略可以忽略，在在t T时时第62页/共167页第63页/共167页A、输出输出脉冲幅度脉冲幅度 ，仅取决于，仅取决于电子漂移电子漂移在在外回路外回路中流过的中流过的电荷量电荷量。B、由于由于 ，大约是，大约是微秒微秒量级量级，将，将大

37、大大大降低降低电压输出脉冲电压输出脉冲的的宽度宽度，得到，得到快的快的响应时间响应时间。结论：结论：工作于这种状态的工作于这种状态的电离室电离室称为称为电子电子脉冲电脉冲电离室离室。存在问题存在问题：输出电压脉冲输出电压脉冲幅度幅度h-与与初始初始电离电离的的位置位置有关，有关，也就是也就是Q-与与初始电离位初始电离位置置有关。有关。第64页/共167页即即Q与与第第j个电子个电子被收集时被收集时最终电位最终电位和和最初最初产生处产生处(初电离位置初电离位置)电位电位之差之差有关。有关。这样，这样，电子脉冲电离室电子脉冲电离室的的输出电压脉冲输出电压脉冲幅幅度度不仅不仅与与产生的产生的离子对数

38、离子对数有关，而且，与有关，而且，与离子对生成的位置离子对生成的位置有关。有关。第65页/共167页(3)影响输出信号形状的因素影响输出信号形状的因素第66页/共167页第67页/共167页(C)(C)电电子子或或正正离离子子漂漂移移对对输输出出电电压压脉脉冲冲信信号号的的贡贡献献，取取决决于于电电子子或或正正离离子子扫扫过过的的电电位差位差。关于电离室输出电压信号的一些重要结论关于电离室输出电压信号的一些重要结论：(A)(A)电电子子离离子子对对一一旦旦形形成成，立立即即就就有有输输出出电电流流信信号号；电电压压脉脉冲冲的的上上升升时时间间为为电电流流脉脉冲冲的的持续时间持续时间。与。与R0

39、C0有关。有关。(B)(B)电电离离室室输输出出电电流流中中包包含含快快成成分分与与慢慢成成分分，其其比比例例与与电电子子离离子子产产生生位位置置有有关关，导导致致电电离离室室输输出出的的电电压压脉脉冲冲为为变变前前沿沿的的脉脉冲冲，其，其上升时间上升时间涨落达涨落达10 3sec量级。量级。第68页/共167页 离子离子脉冲电离室脉冲电离室存在问题存在问题输出输出电电压脉冲宽度压脉冲宽度非常大非常大(T是是ms量级量级)，这样，这样入射粒子的强度入射粒子的强度不能太大不能太大，并且要求，并且要求放大放大器电路器电路频带非常宽频带非常宽，噪声大噪声大而而非实用非实用。电子电子脉冲电离室脉冲电离

40、室存在问题存在问题：输出电压输出电压脉冲脉冲幅度幅度h-与与初始电离初始电离的的位置位置有关，有关，也就也就是是Q与与初始电离位置初始电离位置有关。有关。第69页/共167页2、圆柱型电子脉冲电离室和屏栅电离室圆柱型电子脉冲电离室和屏栅电离室1)圆柱型电子脉冲电离室圆柱型电子脉冲电离室第70页/共167页 设设计计思思想想：利利用用圆圆柱柱形形电电场场的的特特点点来来减减少少Q与与入入射射粒粒子子位位置置的的关关系系，达达到到利利用用“电子脉冲电子脉冲”来来测量测量能量能量的目的。的目的。距距中心位置中心位置为为r的的场强场强：电位电位为：为：设设全部离子对全部离子对在在r0处产生，其处产生，

41、其电位电位为为电子脉冲电离室电子脉冲电离室必定要必定要满足满足第71页/共167页输出脉冲输出脉冲电荷量电荷量输出电压输出电压脉冲幅度脉冲幅度 结结论论：选选择择足足够够大大的的b/a值值，在在r0较较大大时时，h(r0)与与r0之之间间的的关关系系就就不不显显著著了了。同同时时由由于于圆圆柱柱形形的的几几何何条条件件，r0小小的的区区域域只只占占很很小小的的一一部部分分体体积积，大部分大部分入射粒子入射粒子都在都在r0较大较大处产生处产生离子对离子对。注意注意：这种：这种工作状态工作状态下，下，中央丝极中央丝极必须是必须是阳极阳极。对于大部分对于大部分入射粒子入射粒子而言，而言，圆柱形圆柱形

42、电子脉冲电电子脉冲电离室离室的输出电压的输出电压脉冲幅度脉冲幅度均接近于均接近于第72页/共167页2)屏栅电离室（屏栅电离室（The Gridded Ion Chamber）屏栅电离室的构成：屏栅电离室的构成：负极负极B、正极正极A、栅栅极极G、电源电源和和负载电阻负载电阻。（讲义图。（讲义图8.20）第73页/共167页(1)屏栅电离室信号的形成过程屏栅电离室信号的形成过程离离子子对对仅仅在在BG之之间间产产生生，要要求求入入射射粒粒子子的的射射程程R小小于于BG之之间间的的距距离离a；栅栅极极由由网网栅栅构构成成，要要求求栅栅极极屏屏蔽蔽完完善善。合合理理选选择择电电压压分分配配及及网网

43、栅栅的的参参数数 r/d，使使电电子子和和正正离离子子在在BG之之间间漂漂移移时时，仅仅在在B，G极极板板上上有有感感应应电电荷荷产产生生，并并在在BG回回路路中中流流过过电电流流i1；同同时时电电子子在在穿穿过过栅栅极极时时，不不被被栅栅极极所所捕捕获获。相相当当于于N个个电电子子先先后后在在栅栅极极上上产产生生，然然后后，扫扫过过GA电电极极；在在输输出出回回路路上上输输出出电电压压脉脉冲冲信号信号：(2)信号时滞信号时滞(3)输出信号的上升时间输出信号的上升时间第74页/共167页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脉冲电离室的的输出信号输出信号所包含的所包含的

44、信息信息：1 1）入射带电粒子入射带电粒子的的数量数量；2 2）入射带电粒子入射带电粒子的的能量能量；3 3）确定）确定入射粒子间入射粒子间的的时间关系时间关系。通过对输出脉冲数进行测量。通过对输出脉冲数进行测量。通过对输出电压信号的幅度进行测量。通过对输出电压信号的幅度进行测量。通过对输出电压信号的时间进行测量。通过对输出电压信号的时间进行测量。第75页/共167页脉冲电离室脉冲电离室的的输出信号输出信号需要用需要用电子仪器电子仪器来来测量。测量。气体气体 电离室电离室高压高压前置前置 放大器放大器放大器放大器单道或多道单道或多道脉冲分析器脉冲分析器第76页/共167页4 4、脉冲电离室的性

45、能、脉冲电离室的性能1)1)脉冲幅度谱脉冲幅度谱与与能量分辨率能量分辨率脉冲电离室脉冲电离室常用来测量常用来测量带电粒子带电粒子的的能量能量。对单能对单能带电粒子带电粒子，若其，若其全部全部能量能量都损都损耗在耗在灵敏体积灵敏体积内，则内，则脉冲电离室脉冲电离室输出输出电压电压脉冲脉冲的的幅度幅度反映了反映了单个入射单个入射带电粒子带电粒子能量能量的大小。的大小。第77页/共167页能量分辨率：能量分辨率：半宽度半宽度多道多道测量的测量的脉冲幅度谱脉冲幅度谱：能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪谱仪对不同对不同入射粒子入射粒子能量能量的的分辨能力分辨能力。第78页/共167页 由于由于电离过程

46、电离过程的的涨落涨落，电离产生的离子，电离产生的离子对数目对数目 N 的涨落服从的涨落服从法诺分布法诺分布。由于由于 很大，所以很大，所以离子对数离子对数所遵循的统计分布可所遵循的统计分布可以用以用高斯分布高斯分布描述。描述。由关系式：由关系式：电离室电离室输出脉冲幅度输出脉冲幅度同样服从同样服从高斯分布高斯分布第79页/共167页幅度平均值：幅度平均值：标准偏差：标准偏差：相对标准偏差：相对标准偏差：且有：且有：能量分辨率为：能量分辨率为：第80页/共167页(1)(1)能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪谱仪对不同对不同入射粒入射粒子子能量能量的的分辨能力分辨能力。能量分辨率能量分辨率越小

47、越小，则则可区分可区分更小的能量差别更小的能量差别。这是。这是谱仪谱仪的的最最主要的指标主要的指标。关于能量分辨率的小结关于能量分辨率的小结：(2)(2)能量分辨率能量分辨率的公式是的公式是谱仪谱仪所达到的所达到的分分辨率辨率的的极限和理论值极限和理论值。并可检验谱仪的。并可检验谱仪的性能。性能。(3)(3)能能量量分分辨辨率率的的数数值值是是对对某某一一能能量量而而言言的，它与的，它与入射粒子入射粒子能量能量的关系为的关系为第81页/共167页 对于对于电离室谱仪电离室谱仪，放大器输出的脉冲幅，放大器输出的脉冲幅度为：度为：其中，其中，A为放大器的为放大器的放大倍数放大倍数，是一个，是一个连

48、续型随机变量连续型随机变量。则：则：第82页/共167页 考虑到考虑到放大器的噪声放大器的噪声对输出幅度涨落的对输出幅度涨落的影响是叠加的关系，即：影响是叠加的关系，即：电离室输出电离室输出脉冲幅度脉冲幅度放大器噪声折合到放大器噪声折合到输入端的信号幅度输入端的信号幅度幅度幅度平均值平均值为：为：其其相对均方涨落相对均方涨落：其中其中 ，为放大器的，为放大器的信噪比信噪比.第83页/共167页 综合考虑综合考虑放大器放大器放大倍数放大倍数A的涨落，的涨落，放大器放大器噪声噪声的影响，则电离室谱仪放大器输出信号的的影响，则电离室谱仪放大器输出信号的相对均方涨落相对均方涨落为：为：要使分析器道宽影

49、响不超过要使分析器道宽影响不超过1/100，FWHM内须不少于内须不少于67道。道。幅度分析器的幅度分析器的道宽道宽对能量分辨率也有影响，对能量分辨率也有影响，第84页/共167页2)2)电离室的电离室的饱和特性饱和特性曲线曲线-脉冲幅度脉冲幅度h与电离室与电离室工作电压工作电压V0 0的关系的关系影响因素影响因素：离子离子和和电子电子的的复合复合或或扩散扩散效应效应。饱和特性曲线形成的物理过程：饱和特性曲线形成的物理过程：饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而使使灵敏体积增加灵敏体积增加及及负离子的释放负离子的释放。V0hV1饱和电压饱和电压第85页/共16

50、7页3)3)电离室电离室的的坪特性坪特性曲线曲线 当当输出脉冲幅度输出脉冲幅度饱和后，饱和后，计数率计数率不再不再随随工作电压工作电压而变化，称而变化，称坪特性曲线坪特性曲线。在在入射粒子束流入射粒子束流不变不变的情况下：的情况下：V0n甄别阈甄别阈h1h2h3h1h2h3入射粒子入射粒子是是单能单能的的V1-电离室的电离室的计数率计数率与与工作电压工作电压的关系的关系第86页/共167页4)4)探测效率探测效率定义定义：原因：原因：A 带电粒子带电粒子可能只在可能只在灵敏体积灵敏体积内损失内损失一部分一部分能量能量；B 电离过程电离过程是是涨落涨落的。的。这样这样必将有必将有一部分一部分幅度