电子与离子在气体中的运动

2020 4 6 1 第二章电子与离子在气体中的运动 带电能量损失离子对产生漂移和扩散 2020 4 6 2 一 带电粒子在气体中的能量损失及其分布 根据bethe bloch公式 粒子的能量损失随着其能量的增加而下降 即反应截面缩小 能损到达一个稳定的最小值后 由于相对论效应 其后能损又有所上升 但上升的幅度不大 和原低能时相比 这样 粒子的能损在能量坐标上有一个极小值 极小区域 1G 10G 这一点对于粒子探测器的设计是很重要的 因为 探测器的性能必须使得既使最小电离粒子也能够留下足够的痕迹 这样一个特性对于所有的物质都是一样的 在Bethe Bloch公式中使用了约化长度 约化长度等于实际物质长度乘以密度 粒子能损的相对论上升根据其质量不同也略有不同 可以在已知粒子的能量的情况下辨别其种类 对于我们经常探测的稳定粒子来说 其质量差别很大 但是由于下述原因 使粒子的能量越多的沉积下来才越意义 探测器越厚误差越小 2020 4 6 3 带电粒子在气体中的能损来自于激发和电离 但激发所占能损很少 主要由电离引起 电离是大能量传递 而且是量子化的 粒子穿越气体时 可能会和气体原子 相遇 可能一次也遇不到 可能传递小的能量 也可能传递大能量 所有这些过程的发生都有一定的概率 低几率事件的概率分布为泊松分布 随机事件的发生有一定的平均强度 随时间 任意选取一个间隔 发生次数的概率 符合泊松分布 例如 你手机接收电话的事件会发生在从现在往后的任意个时刻 如果任选一个时间间隔 则在这个时间间隔内你手机响铃的次数符合泊松分布 粒子穿过某给定的气体厚度 则各种发生的能损累加起来也符合泊松分布这样薄层气体测得的能损将具有极大的分布范围不足以说明粒子的性质 只有气体越厚 测得的能损才能够以越好的精度反映粒子的性质 2020 4 6 4 综上所述 我们所关心的粒子其一在于其最小电离能量 其二更高能量时能损的差别 既然粒子在气体内能够沉积能量 那么沉积的能量变成了什么呢 2020 4 6 5 二 原电离和总电离 粒子的能损会转化热能 某些实验可通过测量探测器温度的变化来探测该热量的波动也可以是离子 电子对的产生 由入射粒子直接产生的为原电离离子 而由电离电子再次产生的为次级电离 两者之和为总电离 产生的总电离数量和粒子的沉积能量是相关的 原初电离和总电离是粒子探测器的基础 多数探测器的原理均基于该原理 2020 4 6 6 产生的原电离总数和气体原子的原子序数在实验上呈现正比的特性 这一点也印证了我们使用气体约化长度的可行性经过相同气压的相同厚度的气体 粒子所遇到的电子总数和气体的原子序数是成正比的 2020 4 6 7 由上节所述粒子穿过气体的引起的电离次数遵从泊松分布 也就是说 在无论多厚的气体层上穿过 粒子与气体没有发生任何作用的概率都是存在的根据本节电离的讨论 则存在一定的可能性 就是粒子穿过而没有电离出任何电子来 这对于粒子探测器来说就是探测器 失灵 了 这种 规律 使探测器效率永远不能达到100 对所产生的电离粒子的控制将是人们制造探测器的基本要求 2020 4 6 8 三 电子和离子的扩散 无电场 产生的离子和电子在自由状态下没有特定的 任务 将和气体分子发生多次随机的碰撞 最后大于气体分子平均热能的能量损失殆尽 成为气体分子中一个 碌碌无为 者 经过一定的时间后 电子和离子扩散到距离产生点一定的距离处 根据气体不同 这种扩散速度有快有慢 由扩散系数描述 扩散系数越大 电子和离子 游走 的越快 电子和离子的扩散将影响探测器的设计和制造 2020 4 6 9 电子和离子再次相遇可以重新复合成为原来的分子而放出能量电子还可以和负电性分子复合 负电性气体对于探测器来说 有功有罪 他们可以消灭游离的电子阻碍电子进一步电离新的离子 因此阻止探测器内部失控发生大规模的放电 电子和负电性气体分子碰撞而被吸附 两次吸附之间电子运动的平均路径长度称为平均吸附自由程 平均吸附自由程与气体所处的电场强度 电子能量等有关对于不使用负电性气体的探测器 如果有负电性气体混入则可能导致电信号被部分或完全损失 使探测器不能工作 2020 4 6 10 四 加电场的离子扩散 气体中增加电场是探测器对原初电子离子和电子施加影响的有效办法离子和电子在自身随机碰撞和扩散的过程中 由于电场的存在而发生统计性整体上的定向移动 类似于天空中爆开的礼花在互相爆裂四散的时侯 在风的影响下又随风漂浮 2020 4 6 11 离子的整体漂移速度是在随机扩散的基础上形成的 随机扩散速度越大 整体移动的速度也越大 在直到很高的电场强度情况下都是成正比的 这带来离子漂移的一个优良特性 在整体漂移相同的距离后 其扩散程度的大小对于任何气体都是一样的 2020 4 6 12 五 加电场的电子扩散 电子的扩散和漂移则与离子具有不同的性质电子本身的质量很小 能量很小 远小于任何气体分子的质量 电子和气体分子发生碰撞的过程中显示出其波动性 电子和气体分子的碰撞截面由于衍射等效应会随电子能量和气体分子种类的变化而变化 电子的漂移速度由于其碰撞截面的变化而变化电场的增强使得电子在两次碰撞之间 一个自由程 之间获得的能量提高 电子能量的提高则导致电子衍射性降低 从而提高了碰撞截面 增大了单位时间内的碰撞次数 缩短了平均自由程 也抑制了电子的漂移速度 使得在增强电场的情况下 电子的平均漂移速度逐渐趋于饱和 为若干万米每秒 2020 4 6 13 由于电子在电场中这种难以估算的特性 理论计算难以满足实际需要 因而在选择气体时 电子在特定气体中的漂移速度需要实验确定 2020 4 6 14 电子的扩散系数也是电场强度的函数 电子在不同的气体中的扩散程度是不一样的 电场的变化也能带来扩散程度的变化问题 书中所提 虚拟 气体中 电子能量不随电场的变化而改变 如图2 11 为什么电场增强后 1cm的漂移后扩散标差会线性减小 2020 4 6 15 六 磁场中的电子 磁场使电子的能量分布发生了改变 相同自由程内弯曲的路径使电子获得较小的能量 磁场的存在使电子的运动轨迹从原来的直线变成弧线 平均整体漂移的速度下降 而且从沿电力线漂移变为和电力线成一定的夹角漂移 电子平行于磁场方向的运动将不受磁场的影响 而垂直于磁场方向的运动将受到弯曲 当电子从产生点向外快散的过程中 受到阻挠 因而电子在磁场垂直平面内的扩散幅度萎缩 扩散系数变小 2020 4 6 16 但当电子所处的电场也很强时 电子的速度很高 受磁场的影响变小 漂移速度趋于同样的值 但是漂移角仍随磁场变强而增大 2020 4 6 17 七 强电场中的电子 强电场中的电子在两次碰撞之间的一个自由程内能够获得足够的能量 足以发生进一步的非弹碰撞 而电离出更多的离子 电子对 两次电离出新的离子 电子对之间 电子所经过的平均路程称为平均电离自由程高能量的电子进一步电离出新的电子的几率与电子在这一个自由程内获得能量有关 在电子具有100eV的能量时产生电离的几率达到最大值 能量的进一步升高 电离几率反而下降 因此控制气体的密度 将可以改变平均自由程 从而控制电子获得的能量 以实现对新电离电子的产生速率的控制 2020 4 6 18 获得高能量的电子电离出新的电子 新的电子又可以获得能量而电离出新的电子 经过一定的漂移距离后 原始的电子将变成一簇电子 这种一变二 二变四的电子倍增过程被称为 电子雪崩 电子数目增多的倍数称为 增益 2020 4 6 19 猝灭体 获得足够能量的电子除了可以电离出新的电子外 其能量还能够被猝灭体吸收猝灭体是多原子的碳氢化合物 具有无辐射跃迁的转动和振动能级 将从电子身上获得的能量消化为气体的热能而不会由于光辐射因此新的 电子雪崩 或放电 从而使探测器可以安全工作在高增益条件下 2020 4 6 20 八 不同电场下 电子在气体中的状态 不同电场下 探测器内的电子存在被电离产生 被复合 被吸附 漂移 发生电子雪崩 流光放电等不同的状态 依次为 复合