【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(4)-气体电离探测器.ppt

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1、【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(4)-气体电离探测器为什么要讨论探测器？射线射线射线射线是普遍存在、应用广泛的；是普遍存在、应用广泛的；是普遍存在、应用广泛的；是普遍存在、应用广泛的；类型不同：类型不同：类型不同：类型不同：，中子，中子，中子，中子来源不同：来源不同：来源不同：来源不同：人工射线人工射线人工射线人工射线 反应堆反应堆反应堆反应堆 加速器加速器加速器加速器 同位素源同位素源同位素源同位素源 天然射线天然射线天然射线天然射线 4040K K：1.46MeV1.46MeV 208208TlTl：2.61MeV2.61MeV 能量不同：能量不同：能量不同：能量不同：1

2、37137CsCs：0.662MeV0.662MeV 6060CoCo：1.17MeV,1.33MeV1.17MeV,1.33MeV那么，我们是如何感知射线的存那么，我们是如何感知射线的存那么，我们是如何感知射线的存那么，我们是如何感知射线的存在，并知道射线的在，并知道射线的在，并知道射线的在，并知道射线的种类种类种类种类、能量能量能量能量、强度、时间强度、时间强度、时间强度、时间等信息呢？等信息呢？等信息呢？等信息呢？我们感兴趣的是：我们感兴趣的是：我们感兴趣的是：我们感兴趣的是：射线射线射线射线电信号电信号电信号电信号的探测器：的探测器：的探测器：的探测器：需要探测器需要探测器需要探测器需

3、要探测器气体电离室气体电离室气体电离室气体电离室闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器半导体探测器半导体探测器半导体探测器半导体探测器2 2气体电离探测器：气体电离探测器：气体电离探测器：气体电离探测器：u以以气体为工作介质气体为工作介质气体为工作介质气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的，由入射粒子在其中产生的电离效应电离效应电离效应电离效应引起输引起输出出电信号电信号电信号电信号的探测器。的探测器。u按照产生信号的工作机制，可分为：按照产生信号的工作机制，可分为：电离室电离室电离室电离室、正比计数器正比计数器正比计数器正比计数器、G-MG-MG-MG-M计数器计数器计数器计数器以及以及S

4、QSSQSSQSSQS计数器计数器计数器计数器等。等。不断发展不断发展不断发展不断发展19921992年，法国科学家年，法国科学家G.CharpakG.Charpak因发明因发明多丝气体正比室多丝气体正比室获得诺贝尔物理奖获得诺贝尔物理奖19971997年，年，CernCern的科学家的科学家SauliSauli发明发明GEMGEM探测器探测器BNLBNL的的RHIC-STARRHIC-STAR实验：实验：MRPCMRPC历史悠久历史悠久历史悠久历史悠久u是最早被使用的射线探测器是最早被使用的射线探测器u居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时，居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时，用到了电离室用到了电离

5、室uChadwick Chadwick 发现中子时，用发现中子时，用G-MG-M计数器计数器来测量质子来测量质子仍在使用仍在使用仍在使用仍在使用u剂量仪中的剂量仪中的G-MG-M计数器计数器u测量中子的测量中子的BFBF3 3、3 3HeHe正比计数正比计数器器u集装箱检测系统的气体电离室集装箱检测系统的气体电离室探测器探测器6 64.1 4.1 4.1 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 电离室的工作机制和输出回路电离室的工作机制和输出回路4.3 4.3 脉冲电离室脉冲电离室4.4 4.4 累计电离室

6、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7 74.1 气体中离子与电子的运动规律1 1气体的电离与激发气体的电离与激发气体的电离与激发气体的电离与激发1 1载流子的产生载流子的产生载流子的产生载流子的产生2 2气体中离子、电子的漂移与扩散运动气体中离子、电子的漂移与扩散运动气体中离子、电子的漂移与扩散运动气体中离子、电子的漂移与扩散运动1 1载流子的移动载流子的移动载流子的移动载流子的移动3 3气体放电气体放电气体放电气体放电载流子的载流子的载流子的载流子的“增多增多增多增多”8 8一一一一.气体的电离与激发气体的电离与激发气体的电离与激发气体的电

7、离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”，请大家思考，请大家思考，请大家思考，请大家思考两个问题两个问题两个问题两个问题：1.它们如何它们如何它们如何它们如何形成形成形成形成？“电子离子对电子离子对电子离子对电子离子对”是怎样形是怎样形是怎样形是怎样形成的？成的？成的？成的？2.2.如何携带如何携带如何携带如何携带信息信息信息信息何以胜任何以胜任何以胜任何以胜任“主角主角主角主角”？为什么为什么为什么为什么“电子离子对电子离子对电子离子对电子离子对”可以作为可以作为可以作为可以作为“信使信使信使信使”，在射，在射，在射

8、，在射线和我们（观察者）之间架起认知的线和我们（观察者）之间架起认知的线和我们（观察者）之间架起认知的线和我们（观察者）之间架起认知的“桥梁桥梁桥梁桥梁”？带电粒子带电粒子带电粒子带电粒子不带电粒子不带电粒子不带电粒子不带电粒子，中子，中子，中子，中子射射射射线线线线快电子、重离快电子、重离快电子、重离快电子、重离子、裂变碎片子、裂变碎片子、裂变碎片子、裂变碎片等等等等荷电粒子荷电粒子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：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：光电效应、康普顿散射、电

9、子对效应：光电效应、康普顿散射、电子对效应中子中子中子中子：俘获、反冲、裂变：俘获、反冲、裂变：俘获、反冲、裂变：俘获、反冲、裂变仅在低能仅在低能仅在低能仅在低能时考虑时考虑时考虑时考虑对载流子无贡献对载流子无贡献对载流子无贡献对载流子无贡献在在在在探探探探测测测测器器器器的的的的介介介介质质质质中中中中轫致辐射轫致辐射轫致辐射轫致辐射核阻止核阻止核阻止核阻止核外电子弹性核外电子弹性核外电子弹性核外电子弹性碰撞碰撞碰撞碰撞电离与激发电离与激发电离与激发电离与激发形成载流子形成载流子形成载流子形成载流子9 9气体中的平均电离能若若能能量量为为E E0 0的的入入射射粒粒子子将将能能量量全全部部损

10、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电子离子对数电子离子对数为：平均电离能平均电离能平均电离能平均电离能WW：带电粒子在带电粒子在气体中产生一个气体中产生一个“电子离电子离子对子对”所需的所需的平均能量平均能量平均能量平均能量。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

11、.2空气空气34.98 0.0533.73 0.1536.0 0.4最低电最低电最低电最低电离电位离电位离电位离电位WW大约都为大约都为3030eVeV对对同种气体同种气体同种气体同种气体，不同种类或能量不同种类或能量不同种类或能量不同种类或能量的带电的带电粒子的粒子的平均电离能平均电离能平均电离能平均电离能基本不变基本不变基本不变基本不变。可以据此来测量入射带电粒子的可以据此来测量入射带电粒子的能量能量能量能量。重要特性能量为能量为能量为能量为E E0 0的射线进的射线进的射线进的射线进入探测器灵敏体积入探测器灵敏体积入探测器灵敏体积入探测器灵敏体积损失能量，通过损失能量，通过损失能量，通过

12、损失能量，通过电离产生电离产生电离产生电离产生“电子电子电子电子离子对离子对离子对离子对”平均电离能平均电离能平均电离能平均电离能WW基本为常数基本为常数基本为常数基本为常数电子离子对的电子离子对的电子离子对的电子离子对的数目数目数目数目N N（服从法（服从法（服从法（服从法诺分布）诺分布）诺分布）诺分布）问题问题问题问题2 2 2 2：信息：信息：信息：信息携带者携带者携带者携带者1010二二二二.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当不不存存在在外外加加电电场场的的情情况况下下，电

13、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，会会发发生以下物理过程：生以下物理过程：扩散（扩散（Diffusion）电荷转移效应（电荷转移效应（Charge transfer）电子吸附（电子吸附（Electron Attachment）复合（复合（Recombination）1.1.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：分两种情况来看：1.没有外加电场的情况没有外加电场的情况没有外加电场的情况没有外加电场的情况2.有外加电场的情况有外加电场的情况有外加电场的情况有外加电场的情况1111(1)扩散

14、(Diffusion)扩扩散散：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不不均均均均匀匀匀匀的的，原原原原电电电电离离离离处处处处密密密密度度度度大大大大。由由于于其其密密密密度度度度梯梯梯梯度度度度而而造造成成的的离离子子、电子的电子的定向运动叫扩散定向运动叫扩散定向运动叫扩散定向运动叫扩散。由气体动力学，可得到扩散方程：由气体动力学，可得到扩散方程：电子或离子电子或离子粒子流密度粒子流密度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扩散系数扩散系数电子或离子电子或离子的的密度梯度密度梯度密度梯度密度梯度1212若电离粒子的速度遵守若电离粒子的速度遵守麦克斯韦麦克

15、斯韦麦克斯韦麦克斯韦分布，则扩散系分布，则扩散系数数 D 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速度平均速度平均速度平均速度 之间的之间的关系为：关系为：电子电子电子电子的的平均自由程平均自由程平均自由程平均自由程和和乱运动的平均速度乱运动的平均速度乱运动的平均速度乱运动的平均速度都比都比离子离子离子离子的的大大大大因此其因此其扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数比离子的比离子的大大大大因而电子的因而电子的扩散效应扩散效应扩散效应扩散效应比离子的比离子的严重严重严重严重扩散效应对电子的扩散效应对电子的收集收集收集收集影响不大，但对电离产生影响不大，但对电离产生位置信息位置信息位置信息

16、位置信息的确定有一定影响的确定有一定影响随着时间的推移，将随着时间的推移，将随着时间的推移，将随着时间的推移，将扩散为空间高斯分布扩散为空间高斯分布扩散为空间高斯分布扩散为空间高斯分布平均自由程平均自由程1313(2)电荷转移效应(Charge transfer)电电荷荷转转移移效效应应：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中中性性性性分子分子分子分子，中性气体分子成为，中性气体分子成为正离子正离子正离子正离子。电荷转移效应在电荷转移效应在混合气体混合气体混合气体混合气体中比较明显。中比较明显。后面在讨论后面

17、在讨论G-MG-M管管时会用到。时会用到。1414(3)电子的吸附和负离子的形成吸吸附附：电电电电子子子子在在运运动动过过程程中中与与气气气气体体体体分分分分子子子子碰碰碰碰撞撞撞撞时时可可能能被被气气体体分分子子俘俘俘俘获获获获，形形成成负负负负离离离离子子子子，这这种种现现象象称称之之为为吸附效应吸附效应吸附效应吸附效应。Electron attachmente-Negative ion1515负电性气体：负电性气体：负电性气体：负电性气体：例如例如O2、H2O的的h10h10-4-4，卤素达，卤素达h10h10-3-3非负电性气体：非负电性气体：h h小小小小(h 10(h 10 10-

18、5-5)的气体称为的气体称为的气体称为的气体称为负电性气体负电性气体负电性气体负电性气体。电子的吸附现象电子的吸附现象对气体探测器产生对气体探测器产生的是的是正面正面 or or 负面负面影响？影响？电子被俘获形成负离子，很容易电子被俘获形成负离子，很容易和正离子发生和正离子发生复合效应复合效应复合效应复合效应，减弱电减弱电减弱电减弱电离的效果离的效果离的效果离的效果，因此是因此是不利不利不利不利的。的。气体探测器的工作气体应尽量气体探测器的工作气体应尽量选选选选择吸附系数小择吸附系数小择吸附系数小择吸附系数小的气体。的气体。1616(4)复合(Recombination)有两个过程：有两个过

19、程：电子电子电子电子与与与与正离子正离子正离子正离子负离子负离子负离子负离子与与与与正离子正离子正离子正离子它们相遇时可能它们相遇时可能复合成中性复合成中性复合成中性复合成中性的原子或分子。的原子或分子。Recombinatione-1717一旦形成了负离子，其运动一旦形成了负离子，其运动一旦形成了负离子，其运动一旦形成了负离子，其运动速度远小于电子速度远小于电子速度远小于电子速度远小于电子正正正正离离离离子子子子与与与与负负负负离离离离子子子子的的的的复复复复合合合合系系系系数数数数要要要要比比比比正正正正离离离离子子子子与与与与电电电电子子子子的的的的复复复复合合合合系系系系数数数数大大大

20、大得多得多得多得多（大（大（大（大2 23 3个量级）。个量级）。个量级）。个量级）。电子和离子的复合系数电子和离子的复合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

21、 6复合的结果是把许多有用信号给复合掉（复合的结果是把许多有用信号给复合掉（复合的结果是把许多有用信号给复合掉（复合的结果是把许多有用信号给复合掉（载流子减少载流子减少载流子减少载流子减少）使有用的信号减少（使有用的信号减少（使有用的信号减少（使有用的信号减少（幅度降低、统计性变差幅度降低、统计性变差幅度降低、统计性变差幅度降低、统计性变差）因此，复合现象在探测器正常工作中因此，复合现象在探测器正常工作中因此，复合现象在探测器正常工作中因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免应尽量避免应尽量避免应尽量避免1818离子和电子在外加电场中的漂移离子和电子，由于热运动和空间分布不均匀：离子和电子，

22、由于热运动和空间分布不均匀：扩散扩散扩散扩散在外加电场下：在外加电场下：沿电场方向发生沿电场方向发生定向漂移定向漂移定向漂移定向漂移这种运动称为这种运动称为“漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动”定向运动的速度为定向运动的速度为“漂移速度漂移速度漂移速度漂移速度”2.2.存在外加电场的情况存在外加电场的情况1919对于离子：对于离子：离子漂移速度离子漂移速度离子的迁移率离子的迁移率约化场强约化场强电场强度电场强度气体压强气体压强离子的迁移率近似为常数离子的迁移率近似为常数离子的迁移率近似为常数离子的迁移率近似为常数。2020对于自由电子：对于自由电子：电子与气体原子发生弹性碰撞时，每次电子与气体原

23、子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很小损失的能量很小损失的能量很小损失的能量很小因此，电子在两次碰撞中由外电场加速的因此，电子在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累能量可积累能量可积累能量可积累起来起来直到使它的弹性碰撞能量直到使它的弹性碰撞能量损失损失损失损失和碰撞间从电场和碰撞间从电场获得获得获得获得的能量的能量相等相等相等相等，或发，或发生生非弹性碰撞非弹性碰撞非弹性碰撞非弹性碰撞为止为止达到平衡状态时，即损失能量等于从电达到平衡状态时，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。称为电子温度，是场强的函数。2121电子的电

24、子的电子的电子的漂移速度漂移速度漂移速度漂移速度与与与与约化场强约化场强约化场强约化场强不成正比不成正比不成正比不成正比，可用函数表示：可用函数表示：可用函数表示：可用函数表示：这个函数关系均这个函数关系均由由实验测定实验测定实验测定实验测定，一，一般给出的是实验般给出的是实验曲线。曲线。ue(cm/s)30%20%10%5.3%2.1%66ppm纯纯Ar2222(1)(1)电子漂移速度电子漂移速度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离子漂移速度离子漂移速度一般为：一般为：(2)(2)电子的漂移速度电子的漂移速度电子的漂移速度电子的漂移速度对组成气体的组分对组成气体

25、的组分极为敏感极为敏感极为敏感极为敏感在单原子分子气体中加入在单原子分子气体中加入少量少量少量少量多原子分子气体多原子分子气体（如（如CO2、H2O等）时，电子的漂移速度有很大的等）时，电子的漂移速度有很大的增加。增加。重要特点：电子与离子漂移的区别重要特点：电子与离子漂移的区别2323三三三三.气体放电气体放电气体放电气体放电载流子载流子载流子载流子“增多增多增多增多”雪崩雪崩(avalanche)(avalanche)电子在气体中的碰撞电离过程。电子在气体中的碰撞电离过程。发生雪崩的阈值电场：发生雪崩的阈值电场：ET 106V/m。电离产生的电子（除了电离产生的电子（除了电子电子）能量较低

26、，无法再形成电）能量较低，无法再形成电离。离。当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得能量。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。随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。弹性碰撞弹性碰撞激发激发电离。电离。2424能“触发”雪崩的其它因素要实现雪崩效应，需要实现雪崩效应，需要具备哪些条件？要具备哪些条件？1.1.足够强的足够强的足够强的足够强的电场电场电场电场2.2.自由电子自由电子自由电子自由电子电离电离电离电离产生的电子产生的电子二次电子发射二次电子发射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正离子正离子经过

27、经过1010 3 3s s到达器壁，到达器壁，并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。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。光子的作用光子的作用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，1010 6 6s;s;伴随着雪崩过程，退激产生大量的光子。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，打出光子与气体和器壁作用，打出光电子光电子光电子光电子，1010 7 7s s；光电子又可以引起新的雪崩。光电子又可以引起新的雪崩。2525气体放大气体放大自持放电：自持放电：自持放电：自持放电：通过光子的作用和二次电子

28、发射，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，雪崩通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续持续持续持续发展。发展。发展。发展。非自持放电：非自持放电：非自持放电：非自持放电：雪崩从产生到结束，只发生雪崩从产生到结束，只发生雪崩从产生到结束，只发生雪崩从产生到结束，只发生一次一次一次一次。2626小结：气体中离子与电子的运动统计性统计性1.没有外没有外加电场加电场2.有外加有外加电场电场电场强度电场强度增大增大统计性统计性统计性统计性？统计性统计性？or光致电离光致电离二次电子发射二次电子发射重带电粒子重带电粒子扩散扩散扩散扩散电子电子电子电子复合复合复合复合吸附吸附吸

29、附吸附离子离子离子离子复合复合复合复合如果电压继续提高，电场强如果电压继续提高，电场强度再增大，会怎样度再增大，会怎样？雪崩雪崩雪崩雪崩法诺分布法诺分布法诺分布法诺分布2727I I复复复复合合合合区区区区IIII饱饱饱饱和和和和区区区区III III 正比区正比区正比区正比区IVIV有限有限有限有限正比区正比区正比区正比区V V G-M G-M工作区工作区工作区工作区VIVI 连续放电区连续放电区连续放电区连续放电区28284.1 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 4.2 4.2 电离室的工作机制和输出回路电离室的工作机制和输出回路电离室的工作机制和

30、输出回路电离室的工作机制和输出回路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29294.2 电离室的工作机制与输出回路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2工作气体工作气体工作气体工作气体3输出信号产生的物理过程输出信号产生的物理过程输出信号产生的物理过程输出信号产生的物理过程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3030一.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

31、型平板型平板型平板型和和圆柱型圆柱型圆柱型圆柱型。1.1.高压极高压极高压极高压极(K K)：正高压或负高压；：正高压或负高压；2.2.收集极收集极收集极收集极(C C)：与测量仪器相联的电极，处于与地：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；接近的电位；3.3.保护极保护极保护极保护极(G G)：又称保护环，处于与收集极相同的：又称保护环，处于与收集极相同的电位；电位；4.4.负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻(R RL L)：电流流过时形成电压信号。：电流流过时形成电压信号。均包括：均包括：3131平板型电离室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绝缘子绝缘子

32、 射线射线射线射线灵敏体积灵敏体积灵敏体积：灵敏体积：由通过收集极边缘的电力线由通过收集极边缘的电力线所包围的两电极间的区域。所包围的两电极间的区域。保护环保护环G的作用：的作用：1)使灵敏体积边缘处的电使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；场保持均匀；2)若无若无G，当高压很大时，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从会有电流通过绝缘子从负载电阻负载电阻RL上通过，从上通过，从而产生噪声，即绝缘子而产生噪声，即绝缘子的漏电流。的漏电流。3232圆柱型电离室3333二.工作气体气体压力：从气体压力：从10-110大气压。大气压。充满充满充满充满电离室内部空间，是电离室内部空间，是电离室的工作介质电离室的

33、工作介质电离室的工作介质电离室的工作介质应选用应选用电子吸附系数小电子吸附系数小电子吸附系数小电子吸附系数小的气体的气体如如Ar 加少量多原子分子气体加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均需要一个室均需要一个密封外壳密封外壳密封外壳密封外壳将电极系统包起来。将电极系统包起来。但也可以是但也可以是流气流气流气流气的。的。3434三.输出信号产生的物理过程怎样数清楚N？第一步：第一步：第一步：第一步：极板极板a上加高压上加高压V0，极板，极板a b 间电容量间电容量为为C1，则两极板的电荷量：，则两极板的电荷量：让我们以气体让我们

34、以气体让我们以气体让我们以气体探测器的探测器的探测器的探测器的简化简化简化简化结构结构结构结构入手：入手：入手：入手：3535第二步第二步第二步第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷在电离室内某一点引入一单位正电荷+e奥奥奥奥-高高高高定律：定律：定律：定律：它将在两极板上分别感应出它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为：一定的负电荷，设分别为：-q1、-q2dx并且并且并且并且3636这就相当于这就相当于感应电荷感应电荷感应电荷感应电荷从从外回路外回路外回路外回路流过，即在流过，即在外回路流过外回路流过电流电流电流电流 i i+(t t)。第三步第三步第三步第三步：当：当+e电荷沿

35、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上感应电荷上感应电荷q1减少，下极板减少，下极板b上感应电荷上感应电荷q2增加。增加。3737第四步第四步第四步第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由全部由a极板经外回路流到极板经外回路流到b极板，极板，b极板上的感应电荷为极板上的感应电荷为-e当当+e到达到达b极板，极板，+e与与b极板上的感应电荷极板上的感应电荷-e中中和。外回路电流和。外回路电流结束结束结束结束，流过外回路的，流过外回路的总电荷量总电荷量总电荷量总电荷量为：为：3838类比考虑类比考虑类比考虑类比考虑：+e-e，

36、又该当如何？请同学们自行推导过程，又该当如何？请同学们自行推导过程，又该当如何？请同学们自行推导过程，又该当如何？请同学们自行推导过程电子电子(负离子负离子)漂移所引起漂移所引起的正感应电荷在回路中流的正感应电荷在回路中流过的电荷量为：过的电荷量为：相应在外回路流过电相应在外回路流过电流为流为i i-(t t)，电流方向，电流方向与与i i+(t t)相同相同。dxq1和和q2的大小分别与正的大小分别与正电荷时相同电荷时相同3939这二者什么关系？这二者什么关系？重要关系重要关系重要关系重要关系：正负电荷正负电荷正负电荷正负电荷“搬运搬运搬运搬运”的电荷的电荷的电荷的电荷外电路流过电荷量外电路

37、流过电荷量外电路流过电荷量外电路流过电荷量注意注意注意注意：这里有个：这里有个前提前提前提前提正负电荷是从正负电荷是从正负电荷是从正负电荷是从同一个点同一个点同一个点同一个点开始运动的开始运动的开始运动的开始运动的。同一点引入正负电荷同一点引入正负电荷同一位置的同一位置的“电子离子对电子离子对”，则在外回路流经的，则在外回路流经的电流电流电流电流流过外回路的流过外回路的总电荷量总电荷量总电荷量总电荷量先想想，先想想，先想想，先想想，它成立吗它成立吗它成立吗它成立吗？4040小结：关于感应电荷与电流(1)(1)只只有有当当空空空空间间间间电电电电荷荷荷荷在在极极板板间间移移移移动动动动时时，在在

38、外外回回路路才才才才有有有有电电电电流流流流流流过过，此此时时i i(t t)=)=i i+(t t)+)+i i(t t)(2)(2)正、负电荷的感应电流正、负电荷的感应电流方向相同方向相同方向相同方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极。，在探测器内部从阳极流向阴极。(3)(3)电荷电荷漂移漂移漂移漂移过程过程结束结束结束结束，外回路，外回路感应电流消失感应电流消失感应电流消失感应电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流。(4)(4)当当+e e、e e电电荷荷在在同同同同一一一一位位位位置置置置产产产产生生生生时时，它它们们

39、在在极极板板上上的的感感应应电电荷荷量量分分别别相同相同相同相同；(5)(5)+e+e、e e电电荷荷漂漂漂漂移移移移结结结结束束束束，流流过过外外回回路路的的总总总总电电电电荷荷荷荷量量量量为为为为e e；该该电电荷荷量量与这一对电荷的产生与这一对电荷的产生位置无关位置无关位置无关位置无关。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电子离子对电子离子对”+e e、e e，是，是，是，是来自于来自于来自于来自于同一个中性原子同一个中性原子同一个中性原子同一个中性原子(分子分子分子分子)的，因此，其产生位置当然是的，因此

40、，其产生位置当然是的，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同一位置同一位置，故前述前提是，故前述前提是，故前述前提是，故前述前提是天然天然天然天然成立的。成立的。成立的。成立的。4141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电子离子对电子离子对”，在，在，在，在电场作用下完成漂移后，外电路流过的电场作用下完成漂移后，外电路流过的电场作用下完成漂移后，外电路流过的电场作用下完成漂移后，外电路流过的电荷量电荷量电荷量电荷量为：为：为：为：e e这个电荷这个电荷这个电荷

41、这个电荷量是与该量是与该量是与该量是与该“电子电子电子电子离子对离子对离子对离子对”的的的的位置无关位置无关位置无关位置无关的。的。的。的。结论结论1 1：射线在射线在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对载流子对载流子对载流子对载流子，它们均在外加电场，它们均在外加电场，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，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外电路流过的外电路流过的电荷量电荷量电荷量电荷量为：为：为：为：NeNe这这这这N N个个个个“电子电子电子电子离子对离子对离子对离子

42、对”没有必要没有必要没有必要没有必要产生在同一个位置。产生在同一个位置。产生在同一个位置。产生在同一个位置。结论结论2 2：测量由测量由测量由测量由Q Q Q Q决定的决定的决定的决定的电压信号幅度电压信号幅度电压信号幅度电压信号幅度，就可以知道，就可以知道，就可以知道，就可以知道N N N N的的的的大小大小大小大小，进而知道，进而知道，进而知道，进而知道射线的能量射线的能量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基本基本原理原理原理原理!重要重要结论：结论：

43、总电流总电量4242四.电离室的输出回路输出回路输出回路：输出信号电流流过的：输出信号电流流过的所有回路。所有回路。4343测测量量仪仪器器总电阻总电阻总电容总电容R RL L：负载电阻；：负载电阻；C C1 1：探测器电容；：探测器电容；R R入入入入：测量仪器输入电阻；测量仪器输入电阻；C C入入入入：测量仪器输入电容；测量仪器输入电容；：杂散电容；：杂散电容；如如,电缆电容电缆电容100pF/m。4444电离室的工作方式可分为：电离室的工作方式可分为：1)1)1)1)脉冲型工作状态脉冲型工作状态脉冲型工作状态脉冲型工作状态2)2)2)2)累计型工作状态累计型工作状态累计型工作状态累计型工

44、作状态记录记录单个单个单个单个入射粒子的入射粒子的电离效应电离效应电离效应电离效应，处于这种工，处于这种工作状态的电离室称为：作状态的电离室称为：脉冲电离室脉冲电离室脉冲电离室脉冲电离室记录记录大量大量大量大量入射粒子入射粒子平均电离效应平均电离效应平均电离效应平均电离效应，处于这种，处于这种工作状态的电离室称为：工作状态的电离室称为：累计电离室累计电离室累计电离室累计电离室45454.1 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 电离室的工作机制和输出回路电离室的工作机制和输出回路4.3 4.3 4.3 4.3 脉冲电离室脉冲电离室脉冲电离室脉冲电离室4.4

45、 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46464.3 脉冲电离室电离室处于电离室处于脉冲工作状态脉冲工作状态脉冲工作状态脉冲工作状态，电离室，电离室的输出信号仅反映的输出信号仅反映单个单个单个单个入射粒子的入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子电离效应。可以测量每个入射粒子的的能量能量能量能量、时间时间时间时间等信息。等信息。以下讨论假设：以下讨论假设：入射粒子在灵敏体积中产生入射粒子在灵敏体积中产生N N N N 个离子对个离子对并并忽略扩散和复合忽略扩散和复合忽略扩散和复合忽略扩散和复合的影响的影响而且在信号结束前，探测

46、器灵敏体积内而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有不再有不再有不再有其它其它入射入射入射入射粒子产生电离。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47471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圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室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4

47、848一.脉冲电离室的输出信号电离室是一个电离室是一个理想理想理想理想的的的的电荷源电荷源电荷源电荷源（其外回路对输出量无影响）（其外回路对输出量无影响）。1.1.脉冲电离室的脉冲电离室的总输出电荷量总输出电荷量电离室灵敏体积内产生电离室灵敏体积内产生N NN N个离子对个离子对个离子对个离子对并全部被极板收集并全部被极板收集后的后的总输出电荷量总输出电荷量总输出电荷量总输出电荷量：这一结果与极板形状、电场分布、输出回路参数这一结果与极板形状、电场分布、输出回路参数无关无关无关无关。4949(1)负载电阻负载电阻R RL L=0=0的情况的情况2.2.脉冲电离室的脉冲电离室的输出电流信号输出电

48、流信号相当于用相当于用输入阻抗极小输入阻抗极小输入阻抗极小输入阻抗极小的的电流计电流计电流计电流计测量测量电离室输出信号的情况。电离室输出信号的情况。5050下面来计算电流的大小：电源电源电源电源提供功率：提供功率：提供功率：提供功率：电场电场电场电场对电子正离子对漂移所对电子正离子对漂移所对电子正离子对漂移所对电子正离子对漂移所做功做功做功做功的功率：的功率：的功率：的功率：离子、电子在离子、电子在t t时刻的时刻的空间位置空间位置空间位置空间位置；正离子、电子在该点的正离子、电子在该点的场强场强场强场强；正离子、电子在该点的正离子、电子在该点的漂移速度漂移速度漂移速度漂移速度。能量守恒能量

49、守恒5151求解得到 t 时刻流经外回路的电流在在 t t 时刻，灵敏体积中有时刻，灵敏体积中有N N+(t)(t)个正离子和个正离子和N N(t)(t)个个电子，则输出电流：电子，则输出电流：电离室的电离室的本征电流本征电流（Intrinsic Current）5252以以平板电离室平板电离室为例：为例：设离子和电子的设离子和电子的漂移速度漂移速度漂移速度漂移速度是是常数常数常数常数并且电子的漂移速度是离子漂移速度的并且电子的漂移速度是离子漂移速度的1000100010001000倍倍倍倍均匀电场均匀电场t t2 2 为开始有正离子到达为开始有正离子到达b b极板的时间；极板的时间；几个重几

50、个重要时刻：要时刻：t t1 1 为开始有电子到达为开始有电子到达a a极板的时间；极板的时间；T T 为电子全部到达为电子全部到达a a极板的时间；极板的时间；T T+为正离子全部到达为正离子全部到达b极板的时间。极板的时间。离子和电子的离子和电子的初始数目为：初始数目为：5353外回路的电流5454RL0的情况(2)(2)负载电阻负载电阻RL0的情况的情况采用一般的具有采用一般的具有输入阻抗输入阻抗输入阻抗输入阻抗的的测量装置，输出电压信号。测量装置，输出电压信号。总电阻总电阻总电容总电容 电源电源电源电源做做的功率的功率W(t)灵敏体积内电子和灵敏体积内电子和正离子在电场作用下正离子在电