第七章 气体探测器

1、 第七章 气体探测器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院第七章第七章 气体探测器气体探测器7.1 辐射探测器概述7.2 气体探测器工作原理7.3 电离室7.4 正比计数器7.5 G-M管西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 辐射看不见、摸不着，要感知潜在的辐射性质，必须借助于探测各种辐射的存在，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。为什么需要辐射探测器？7.1 辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院7.1 辐射探测器概述西安交通大学核科学与

2、技术学院西安交通大学核科学与技术学院7.1 辐射探测器概述建材（秦岭水泥）中典型放射性核素40K、 232Th、226Rn含量的测量与分析7.1 辐射探测器概述1.离子源系统离子源系统 2.低能质谱分析系统低能质谱分析系统 3.串列加速器系统串列加速器系统 4.高能质谱分析系统高能质谱分析系统 5.探测器系统探测器系统 6.控制系统控制系统 多核素分析用的西安加速器质谱仪系统多核素分析用的西安加速器质谱仪系统带电粒子与探测器中气体分子碰带电粒子与探测器中气体分子碰撞后，产生电子，损失能量。撞后，产生电子，损失能量。根据探测到的电子微电流，可确定根据探测到的电子微电流，可确定入射的带电粒子数量。

3、入射的带电粒子数量。损失的能量与原子序数的平方成正损失的能量与原子序数的平方成正比（比（Bethe-Block公式）：公式）：EZdxdE2气体电离探测器气体电离探测器E E 带电粒子初始能量带电粒子初始能量Z Z 带电粒子原子序数带电粒子原子序数7.1 辐射探测器概述14C 计数计数大亚湾核电站排水口附近大亚湾核电站排水口附近129I水平水平西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的、效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。7.1 辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院核信息

4、获取：核信息获取：辐射类型辐射类型时空分布时空分布核寿命核寿命强度强度剂量剂量能量能量.7.1 辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院辐射探测的基本过程： 辐射粒子射入探测器的； 入射粒子通过、等效应而在探测器中； 探测器通过各种机制将转换成某种形式的。对非带电粒子通过次级效应产生次电子或重带电粒子,实现能量的沉积。7.1 辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院射探测器基本工作原理：射探测器基本工作原理： 射线与物质相互作用射线与物质相互作用7.1 辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院在电信号辐射

5、探测器中按探测介质类型及作用机制主要分为：；u ；u 。7.1 辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院学习探测器的主要内容主要有：学习探测器的主要内容主要有： （1）探测器的）探测器的工作机制工作机制即将入射粒即将入射粒子能量转换成输出信号的物理过程；子能量转换成输出信号的物理过程； （2）探测器的）探测器的输出信号输出信号，包括对信号的，包括对信号的估算及涨落分析等；估算及涨落分析等； （3）探测器的）探测器的主要性能主要性能； （4）探测器的典型）探测器的典型应用应用实例。实例。7.1 辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院7

6、.2 气体探测器工作原理 气体探测器是以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输出电信号的探测器。由于产生信号的工作机制不同，气体电离探测器主要有电离室电离室、正比计数器正比计数器、G-MG-M计数器计数器及及SQSSQS计计数器数器等类型。它们均有各自的特点以及相应的适用领域。 核辐射引起气体的电离：核辐射引起气体的电离：入射带电粒子通过气体介质时，使气体分子、原子电离和激发，并在通过的路径周围生成大量离子对。电离产生的电子、离子在工作电场中漂移，形成输出信号。 离子和电子在外加电场中的漂移 离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有

7、由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。 这种运动称为“漂移运动”，定向运动的速度为“漂移速度”。它是形成输出信号的基本过程。7.2 气体探测器工作原理西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院一气体的电离与激发二电子离子在气体中的运动三气体放电四气体探测器一般结构7.2 气体探测器工作原理西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院max024()mMEEmM空气中：E0,min()=22keV；E0,min(e)=I0。1、带电粒子在气体中的电离 入射带电粒子M与电子m碰撞，电子能获得的最大能量：20,min0()4mMEImM一气体的电离与激发0I西安交通大学核科

8、学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院入射带电粒子的电离过程产生电子， 电子也会形成电离。原初电离：入射粒子和气体原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原子作用产 生的电离对数目。总 电 离：等于原初电离次级电离一气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院一气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院入射带电粒子能量消耗于：电离过程，产生N对电子离子对；气体原子的激发； 电子离子和原子分子动能。一气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 平均平均：带电粒子在气体中产生一电子离

9、子对所需的平均能量。 对不同的气体， W大约为30eV。 若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的为：WEN0 一气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院6505.3 101.51 1035ENW例如：210Po，E0=5.3MeV，在空气中总电离为： 实验测得N，可以得到入射粒子能量E0。 总比电离：tdESWdx 电离过程的随机性导致测量结果的不确定性。一气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院几种气体的电离能W和最低电离电位气体W()W(X, )W()I0He46.00.541.50.429.9+0.5

10、24.5Ne35.72.636.20.428.6821.6Ar26.30.126.20.215.8O232.30.131.80.331.5212.5CH429.10.127.30.312.8C2H428.030.0526.30.312.2空气34.980.0533.730.1536.00.4一气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院3、光致电离 Cs原子的电离电位最低，3.88eV； 相应的光子波长为3184 ，在紫外区； 紫外光或能量更高的光才能产生光致电离。 介质中原子吸收一个光子，放出一个电子而电离。 紫外光子能量较低，光致电离产生的电子动能很低，一般不能

11、再引起新的电离或激发。 电子离子对数N服从法诺分布，方差为：20EFNFW一气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院4、退激方式辐射光子： 发射光子，波长接近紫外光；发射俄歇电子： 退激能量直接交给外层电子，使电子脱离原子的束缚；亚稳态原子： 受激原子的激发态到基态的跃迁是禁戒的，只有与其他粒子发生非弹性碰撞，改变激发态而退激。一气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院1、杂乱运动 电子离子与作热运动的气体分子碰撞， 与气体分子不断交换动能， 电子离子作无规则的运动。 电子离子与气体原子分子碰撞，损失能量； 同时又在电场作用下得到

12、加速。2、漂移运动 电子离子在电场作用下， 沿着电场方向或相反方向的定向运动。二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院假设：(1)离子在电场方向的漂移速度远小于杂乱运动速度；(2)离子从电场获得的能量全部传递给气体分子；(3)碰撞后被散射的方向是各向同性的。离子的平均定向漂移速度：1122eEuatM v0P 电子离子在电场方向具有一定的平均速度，叫做漂移速度。二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院21322eem vkT 达到平衡时，电子的平均能量：eEufP 电子的与气体种类、电场强度E/P有关。所以，对正负

13、离子，EuP 当电子能量大于气体分子的激发能时，通过非弹性碰撞才能引起较大的能量损失。 离子的 、 为常数。v02eMv二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院(2) ue对气体组分极为灵敏。 在单原子分子气体中(Ar等)加入少量多原子分子气体(CO2，CH4等)，电子的漂移速度有很大提高。(1)电子与离子的漂移速度不同：610 cm/seceu 310 cm/secu 电子与离子在电场中漂移速度的主要区别： 多原子分子气体存在低能级，电子能量积累不高。32kTev()u二电

14、子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院二电子离子在气体中的运动4ArCH66ppm30%V cmmmHgEPue(cm/s)30%20%10%5.3%2.1%66ppm纯Ar西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院3、扩散运动 当气体中电子、离子的密度不均匀时， 由密度大处向密度小处定向流动。 单位时间通过单位面积的粒子数，dnDndt 13Dv20.18SkTSeVV扩散漂移离子： 1，扩散可忽略；电子：很大，扩散严重。二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院二电子离子在气体中的运动4西安交通大学核

15、科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院5二电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院三、气体放电三、气体放电西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院三、气体放电三、气体放电西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院三、气体放电三、气体放电气体探测器有气体探测器有平行板平行板和和圆圆柱形柱形

16、两种，两种，常见的是两个同轴的圆柱常见的是两个同轴的圆柱形电极，形电极，四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 电极间充气体并外加一定的电压，辐射使电极间的气体电离，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后收集到电极上。 电子和正离子生成后，因静电感应，电极上将感生电荷，并且随它们的漂移而变化。于是，在输出回路中形成电离电流，电流的强度决定于被收集的离子对数。四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院

17、四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构四、气体探测器结构电离电流随电压增大而增加，这是因为复合损失随电压升高而减小。继续增大电压时复合逐渐消失，电流趋向饱和。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。四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院该区内离子该区内离子可全部被收可全部被收集，电流强集，电流强度等于单位度等于单位时间产生的时间产生的原电离电荷原电离电荷数。数。

18、四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 在电离室区，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VB时，基本不存在复合，总电离数全部被电极收集，达到饱和。 在一定电压范围内(VC-VB)，被收集电荷不再增加，达到饱和。四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 电压超过VC以后，电流又开始上升而进人第区，这时的电场强

19、度足以使被加速电子进一步引起电离，离子对数将倍增至原电离的10104倍。此种现象称气体放大。 倍增的系数称气体放大系数A，其大小等于经气体放大得到的电荷数N与原总电离数N0之比；它随电压而增大。 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。即电压固定时气体放大系数恒定。电流正比于原电离的电荷数，所以第区称为正比区。四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构四、气体探测器结构西

20、安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 电压超过电压超过VD后，电压继续增大时由于后，电压继续增大时由于气体放大系数过大，空间气体放大系数过大，空间离子密集离子密集，抵，抵消了部分场强，使气体放大系数相对地消了部分场强，使气体放大系数相对地减小，称为减小，称为空间电荷效应空间电荷效应。显然，原电。显然，原电离越大这种影响也越大。这时离越大这种影响也越大。这时气体放大气体放大系数不是恒定的系数不是恒定的，而，而与原电离有关与原电离有关，所，所以，第以，第区称为区称为有限正比区有限正比区。四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院四

21、、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 进入第区后，倍增更加剧烈，电流猛增，形成自激放电。此时，电流强度不再与原电离有关，图中的和两根曲线重合。原电离对放电只起“点火”的作用，但每次放电后还必须猝熄，才能作为射线探测器。工作于该区的探测器称为盖革弥勒（Geiger-Miller，简称G-M） 计数器，因而第区称为GM区或盖革区。 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

22、电荷与入射粒子的种类和能量无关。四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院VI:连续放电区电压增加到该区，收集的离子对数再次急剧增加，气体连续放电，进入连续放电，并有光产生。利用气体放电这一特性，设计出了流光室、火花室、电晕管和自猝灭流光探测器。四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 由上可知，电离室、正比计数器和GM计数器的基本结构和组成部分是相似的，只是工作电压不同使性能有差别而适用于不同的场合，在设计上也有各自的要求。 在此基础上，发明了多丝正比计数器、火花放电室、流光室、漂移室、微条

23、气体室、气体电子倍增器。四、气体探测器结构四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 在核物理发展的早期，电离室曾起过重要的作用。 19111914年Hess和Kolhorster从一系列电离测量中发现了宇宙射线； 1932年恰德威克利用电离室探测反冲质子，而证实了中子的存在； 1939年弗里希利用电离室证实了核裂变时释放大量的能量等。7.3 7.3 电离室电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院一、电离室的特点一、电离室的特点二、电离室的类型二、电离室的类型三、电离室的构造三、电离室的构造四、电离室的工作气体四、电离室的工作气体五、电离室

24、的输出信号五、电离室的输出信号7.3 7.3 电离室电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 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。 一、电离室的特点西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院脉冲电离室： 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 和中子的强度或通量。 X、 、

25、 和中子的强度或通量。 二、电离室的类型西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院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。三、电离室的构造西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 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

26、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和和238 U等。四、电离室的工作气体西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号.0qE ds西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室

27、的输出信号西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号西安交通大学核

28、科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院五、电离室的输出信号五、电离室的输出信号西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院六、电离室的输出回路六、电离室的输出回路六、电离室的输出回路六、电离室的输出回路西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室 在一定的入射粒子流及输出回路参数条件下，如果电离室在一定的入射粒子流及输出回路参数条件下，如果电离室输出信号反映的是输出信号反映的是单个入射粒子的电离效应单个入射粒子的电离效应，那么就称该电，那么就称该电离室工作于离室工

29、作于脉冲状态脉冲状态，把工作于脉冲状态的电离室称为脉冲，把工作于脉冲状态的电离室称为脉冲电离室。电离室。西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、

30、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院

31、 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安

32、交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通

33、大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离

34、室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05) 4)4)来自探测器的噪声来自探测器的噪声 5 5）放大器的电子学噪声）放大器的电子学噪声 七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)

35、七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术

36、学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)七、脉冲电离室七、脉冲电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05) 在大量入射粒子的情况下，由于输出脉冲信号的严重重叠，不再能得到单个入射粒子的信息，只能由平均电离电流或一个个脉冲束的总电离电流来测定射线的强度，探测器将在脉冲电离室不同工作方式下运行，称之为累计型工作方式；累积性工作方式反映了一定粒子的累计特性，又可分为脉冲束工

37、作状态和电流工作状态。主要用于测量X、和中子的强度或通量、剂量或剂量率，它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。八、电流电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05) 电流电离室通过测定单位时间内入射粒子在电离室内产生的平均电路电流来探测核辐射。若单位时间入射的粒子数为n，每个粒子在电离室内平均的能量损失为E，则电流电离室输出的平均电流为：0EIN enneW八、电流电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)根据测得的电离电流可以确定粒子束或源的强度。 用饱和电流曲线表示电流电离室的工作特性； 影响饱和特性的因素： 射

38、线的种类和强度； 充气的种类和纯度；1) 电离室的结构等。0EIN enenW八、电流电离室西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)电流电离室的主要性能： （1）饱和特性：饱和电流: （2）灵敏度： 能量响应：灵敏度随辐照粒子能量的变化。 影响探测器灵敏度的因素有很多：如粒子种类、能量、电离室窗结构工作气体阻止本领和W值等。 （4）线性范围：指电离室输出电流（或电压）随入射粒子流强（注量率）保持线性关系的范围。 （5）时间响应特性（T+）：电流电离室输出信号包含了电子和离子漂移的贡献，辐射强度变化时，电流信号存在滞后现象。离子收集时间（T+）就是电流电离室电

39、流信号的响应时间。信号电流（或电压）/入射粒子流强度八、电流电离室0In N e束流恒定时，束流恒定时，I0为为直流，测强度。直流，测强度。西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05) 电离室的大小和形状，室壁和电极的材料以及所充的气体成分、压强都要根据辐射的性质、实验的要求来确定。 例如测量粒子能量的电离室，须要足够大的容积和气压，以便使粒子的径迹都落在灵敏区内。 对射线强度作相对测量时，为了提高灵敏度，室壁材料宜用高原子序数的金属，其厚度略大于室壁中次级电子的射程。 作绝对剂量测量时，须用与空气或生物组织等价的材料作电极和室壁。八、电流电离室西安交通大学核科

40、学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)气体探测器工作于正比区时，在离子收集的过程中将出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子的雪崩。于是，在收集电极上感生的脉冲幅度Vm是原电离感生的脉冲幅度的A 倍，即式中：A为气体放大倍数；N 为辐射在灵敏体积内产生的初始的离子对数；E为辐射在灵敏区内损失的能量；W为所充气体的平均电离能。7.4 正比计数器正比计数器mNeEeVAACWC 西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)正比计数器一般为正比计数器一般为圆柱形结构圆柱形结构-U02rarcRCANeU/7.4 正比计

41、数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)正比计数管的主要优点有：1）输出脉冲幅度较大：约比电离室脉冲大102104 倍，因此不必用高增益的放大器。2）灵敏度较高：对于电离室，原电离数目必须大于 2000对左右才能分辨出来，而正比计数器原则上 只要有一对离子就可被分辨。因此，正比计数器 适合于探测低能或低比电离的粒子，如软、 和X射线以及高能快速粒子等。探测下限可达 250eV。3）输出信号噪声比大，具有很强甄别能力，可在强 本底下测量中子或在强本底下测量粒子7.4 正比计数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (

42、2011.05)4）与GM计数器相比，正比计数器的脉冲宽度 窄，可作快速计数；寿命较长； 可根据不同的探测对象充气，如探测热中子时充BF3气体，探测快中子时充H2、CH4和3He气体，探测X射线时充Kr或Xe气等(?) 。此外，正比计数器还能用于粒子鉴别，以及作为低水平测量的探测器和位置灵敏探测器等。 正比计数器的主要缺点是脉冲幅度随工作电压变化较大，且容易受外来电磁干扰，因此，对电源的稳定度要求也较高（0.1%）。7.4 正比计数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)7.4 正比计数器正比计数器正比计数器性能：西安交通大学核科学与技术学院西安

43、交通大学核科学与技术学院 (2011.05)7.4 正比计数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05) 正比计数器常工作在脉冲方式，既可以测量核辐射注量率，又可以测量入射核辐射的能量。 常用的正比计数器有以下几种：流气式正比计数器： 通过工作气体在计数管中低速流动来保持适当工作气体气压的计数器。正比计数器的工作气体通常是一些多原子分子气体，它们在气体放大过程中会分解而改变工作气体成分，使计数器性能变坏。为了避免这种影响，可以让新的气体连续不断地流过计数管的灵敏体积，以保持体成分不变 流气式正比计数器主要用于精确的放射性测量。7.4 正比计数器正比计

44、数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)7.4 正比计数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05) 低能X射线正比计数器主要特点是具有低Z材料做成的入射窗，常用的窗材料有铍箔、有机薄膜和云母片。铍的原子序数小，对X射线的吸收很少。三氟化硼（BF3）正比计数器 最普通的结构是一个圆柱形状，中心阳极丝用钨丝做成，通过玻璃或陶瓷与外壳绝缘，外壳用金属做成，兼作阴极，内充BF3气体作为工作气体。 三氟化硼正比计数器主要用于探测中子。入射中子与10B产生核反应，通过探测反应产物粒子和7Li核来间接探测中子的。7.4 正

45、比计数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)多丝正比室 它是正比计数器的变型。既有计数功能，还可以分辨带电粒子经过的区域。 探测带电粒子具有探测效率高、空间分辨和时间分辨好等优点，在高能加速器的物理实验中被广泛地应用，也用于低能物理实验、医学、天文学及生物学等。 多丝正比室基本结构是由一组等间距的平行阳极丝对称置于两个平行阴板平面或丝层中间,处于正比计数器的工作状态。7.4 正比计数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)多丝正比室电场分布：各根丝的电力线在空中不相交，入射带电粒子在气体中电离产生

46、的正离子和电子沿电力线漂移时，只能漂移到与它们邻近的阳极丝附近产生雪崩放电并输出信号，而不可能漂移到其他阳极丝附近。这就是多丝正比室可以测定入射粒子位置的基础。7.4 正比计数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05)每一根丝及其邻近空间相当于一个正比计数器，后面与一个记录仪器连接。因此只有当被探测的粒子进入该丝邻近的空间，产生电离，并放大，在丝极上感应出电信号，根据丝上的信号，就可定出射线通过的位置。7.4 正比计数器正比计数器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院 (2011.05) 当M105时，电子雪崩持续发展成自激放电，此时增殖的离子对总数就与原电离无关了。工作于该段电压区的计数器叫做GM计数器。 电压脉冲的最大幅度Vm 决定于正离子鞘上的