电离室输出脉冲幅度课件

工作原理：入射粒子使高压电极和收集电极间的气体电离，生成的电子离子对在电场的作用下向两极漂移，漂移过程中收集电极上的感生电荷发生变化从而产生输出脉冲。气体探测器气体探测器几个典型工作区I:复合区II:饱和区III:正比区IV:有限正比区V:G-M工作区电离室工作在饱和区只有在电子或离子漂移过程中，两极上的感应电荷才有变化，才能产生电流脉冲。输出脉冲可分为两个部分：快成分（由电子的漂移产生）；慢成分（由离子的漂移产生）。电离室输出脉冲的特点输出回路的等效电路电离室可以用电流源I0(t)和探测器电容C0并联等效。根据输出回路时间常数的不同，分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室。离子脉冲电离室电子脉冲电离室输出回路时间常数T>>T+,T-T-<T<T+电子和离子的收集情况电子和离子均收集完全电子收集完全，离子未能收集完全输出电压脉冲波形V=Q/CE0不再与辐射能量成正比，与地点有关。采用屏栅电离室可测量能量。脉冲电离室的种类相对能量分辨率：多道测量的脉冲幅度谱半高全宽绝对能量分辨率：（能谱）脉冲电离室主要用来测量重带电粒子的能谱。1)

脉冲幅度谱与能量分辨率脉冲电离室的性能电离室输出脉冲幅度同样服从高斯分布电离室输出脉冲幅度

0.1MeV的粒子，约为3%，5MeV约为0.4%。仅由电离统计涨落造成采用电离室对这些能量的粒子探测的极限能量分辨率相对能量分辨率（重点）(1)能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。能量分辨率越小（好），则可区分更小的能量差别。这是谱仪的最主要的指标。关于能量分辨率的小结：(2)电离过程统计偏差决定了谱仪所达到的分辨率的极限和理论值。并可检验谱仪的性能。(3)能量分辨率的数值是对某一能量而言的，它与入射粒子能量的关系为2)电离室的饱和特性曲线----脉冲幅度h与电离室工作电压V0的关系V0hV1饱和电压离子和电子的复合或扩散效应通过测量饱和电压曲线，来确定电离室的工作电压。3)电离室的坪特性曲线对于单能入射粒子且束流不变的情况下：V0n甄别阈h----电离室的计数率与工作电压的关系甄别阈hVdV0n最大输出脉冲幅度等于电子学系统的甄别阈。最小输出脉冲幅度等于电子学系统的甄别阈。输出脉冲幅度与工作电压V有关4)探测效率（本征探测效率）定义：原因：A带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量；B电离过程是涨落的。这样可能有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来。对带电粒子对于能量大于一定值（原电离大于2000）的入射带电粒子，几乎100%的被探测下来。5)时间特性A：分辨时间——能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔。主要取决于输出回路参数的选择和放大器的时间常数的大小。电离室s量级。

与时滞d

（入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的时间差）有关。B：时间分辨本领——即由探测器输出脉冲来确定入射粒子入射时刻的精度。

对于电离室来说，电流脉冲没有时滞，电压脉冲要达到时间拾取电路的阈值，存在时滞。由于上升时间和阈值的涨落，电压脉冲的时滞也是涨落不定的。电离室性能参数小结能量分辨率：电离统计涨落是极限（重点）饱和曲线和饱和电压坪特性曲线探测效率（本征探测效率）分辨时间和时间分辨脉冲电离室典型应用：重带电粒子的能谱测量电离室正比计数器（重点）G-M计数器正比计数器正比区：离子收集过程中出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在向阳极漂移过程中与探测物质原子或分子的电离碰撞中逐次倍增而形成电子的雪崩。Mee气体放大倍数电子雪崩过程中，产生电子的其他可能原因：光电效应二次电子发射当处于正比区，可以忽略上面两种情况。

在一个大气压下，电子在气体中的自由程约10-3～10-4cm，气体的电离电位～20eV。要使电子在一个自由程就达到电离电位，场强须>104V/cm。正比计数器通常采用圆柱形电极，便于产生高场强。

V0=1000V,a=510-3cm，b=1cm强场区存在于阳极丝附近，因此雪崩只在阳极丝附近发生。阳极阴极当阳极和阴极间电压为V0时，电场强度为：r(cm)E(r)(V/cm)510-3(阳极表面)0.010.050.10.51.0374001870037401870374187正比区气体放大倍数

M决定于气体性质、气体压强、工作电压和电极半径。

电压为V0时，电子在r0处开始雪崩；V0=Vd（阈电压）时，

r0=a；m为电子从r0到a的路程上发生电离碰撞的平均数。

实验表明，在单原子分子和双原子分子气体中，当M<102，以及在多原子分子气体中，当M<104时，上面公式成立。气压较高假定：(1)

M>>1。即忽略初始电离的离子对对输出信号的贡献。(2)全部输出信号均为正离子由阳极表面向阴极漂移而在外回路流过的感应电荷。由于r0很小，以至电子在阴极的感应电荷很小，而可以忽略电子对输出信号的贡献。正比计数器的输出信号得到本征电流：由于：则：其中，仅取决于结构、工作气体及工作电压等。由于t0很小，所以电流随时间迅速下降。~50ns电压脉冲波形与输出回路时间常数的选取有关，与粒子入射位置无关。但无论时间常数选多大，最大幅度与入射粒子能量成正比。使用中常采用（s）时间常数。式中f(t)为仅与RC和t0有关的时间函数，与入射粒子的位置无关。输出电压信号：难点增殖的电子的作用正离子运动的作用增长先快后慢，这是由于正离子的漂移速度与场强成正比。离子从阳极到阴极的过程中，场强逐渐减弱。时滞：0-t1之间微弱的增长，原电离的贡献，可忽略正比计数器的输出电压脉冲波形实际采用微秒的RC时间常数，电压脉冲较窄，有利于高计数率情况下工作。脉冲幅度仍与入射辐射能量成正比。脉冲幅度大。是电离室的102-104倍。灵敏度高。原则上只有一个电子离子对就可以被分辨。脉冲仍然有两部分组成：电子脉冲和离子脉冲。因为雪崩仅发生在阳极极小范围内，因此电子脉冲的影响很小，而正离子几乎从阳极漂移到阴极，因此，正比计数管的电压脉冲主要是由倍增后的正离子贡献的。脉冲幅度与原电离地点无关（倍增后的正离子聚集在阳极附近）。虽然电荷全部收集的时间仍为ms量级，但输出电流随时间迅速下降，采用s的时间常数时，损失的脉冲幅度不大。无论时间常数选多大，最大幅度与入射粒子能量成正比。因此，时间性能与电子脉冲电离室相近。

正比计数器的输出脉冲特点（重点）1)输出脉冲幅度与能量分辨率输出脉冲幅度的涨落是一个二级串级型随机变量：输出脉冲幅度：实验表明，所以，相对能量分辨率

正比计数器的性能2)

坪特性Va:起始电压，粒子最大输出脉冲幅度与甄别阈相等；Vb:粒子最小输出脉冲幅度与甄别阈相等。M随电压升高逐渐变大，输出脉冲幅度逐渐增大，超过甄别阈的脉冲数越来越多。3)

探测效率（本征探测效率）X射线等中性粒子则取决于与介质作用产生次级带电粒子的截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。对带电粒子由于气体放大作用，正比计数器可用来探测低能或低比电离的粒子如、X射线等。分辨时间主要由输出电压脉冲的宽度决定，与输出回路的时间常数密切相关。s4)时间特性：时间分辨与时滞有关，时滞即初始电子从产生处漂移到阳极附近所需的时间。具有随机性，限制了时间的测量精度。s以下注意时间分辨与分辨时间的不同。当次电离除外其他产生电子雪崩的原因不能忽略时，进入有限正比区。：每个电子在向阳极漂移的过程中产生光电子的概率。光子的影响：光电子参加次电离雪崩过程在实验上

无法区分。当

M0<1时，级数收敛，M0<<1时，M~M0，正比区；M0<1时，

M>M0，有限正比区；M0~1时，

M，G－M区自持放电改善方法：在单原子分子或双原子分子气体中加少量的多原子分子气体。多原子分子能级多，能强烈吸收紫外光。tVCRCT+RC<<T+图3.3.9多次雪崩的脉冲波形示意图3)空间电荷效应

正离子鞘：雪崩完成时，大量正离子几乎不动地散布在阳极周围，使阳极附近的电场变弱。在有限正比区，离子云的影响使气体放大倍数不再是常数，而是与原电离密度、径迹取向等有关。2)正离子与阴极作用产生二次电子：新电子产生新的雪崩。

改善方法：在单原子分子或双原子分子气体中加少量的多原子分子气体。多原子分子离子在阴极表面拉出电子中和后就分解，不发射二次电子。1）低能X射线正比计数器特点：有入射窗，常用Be(铍)窗。正比计数器的应用2）单丝位置灵敏正比计数器

特点：阳极丝为高阻丝。由分流不同而确定粒子入射位置。3）多丝正比室和漂移室

多丝正比室的阴极为平板，阳极由平行的细丝组成多路正比计数器。位置灵敏度达到mm量级，为粒子物理等作出巨大贡献，于1992年获诺贝尔物理奖。

漂移室由快探测器确定入射时刻，由正比丝确定漂移时间，位置灵敏度可达0.1mm。正比计数器小结（重点）结构特点为何为圆柱形的？为何中心电极为阳极？输出信号特点主要是倍增后正离子贡献的。无论输出回路时间常数如何，输出脉冲幅度与入射粒子位置无关。能量分辨率：与电离室相比，变差可用于低能粒子或低比电离离子的能谱测量、计数测量G-M计数器

在核物理发展的初期，是使用最广的辐射探测器。至今，在放射性同位素应用和剂量监测中，仍是常用的探测元件。工作特点：放电和猝熄自持放电：每次次电离电子雪崩过程中产生一个新的光电子，放电便会持续地发展下去，很快在10-7s内遍及整个灵敏区，放电就能持续下去。直到正离子鞘对强电场的削弱，使新电子无法再增殖，使第一次放电终止。在通常情况下，10-5，因此当M0105时就能发生自持放电。外猝熄：利用外电路，使一次放电后工作电压降到Vd以下。内猝熄：加入猝熄气体，自行猝熄。猝熄：电子收集后，正离子在电场作用下逐渐向阴极移动，轰击到阴极表面有可能发出二次电子再次发生自持放电。因此，需要在一次放电后，令放电终止。阈电压：当工作电压为Vd时，雪崩在阳极丝表面产生。自猝熄机制：

1）正离子鞘对强电场的削弱，使新电子无法再增殖，使第一次放电终止。2）猝熄气体（多原子分子气体）能强烈吸收紫外光，在减少紫外光打出光电子几率的同时，能抑制正离子在阴极表面上的二次电子发射。

一次放电之后不能引起第二次放电，放电过程得以终止。增殖的电子的作用：有机管与正比管类似，贡献很小；卤素管贡献要大些。脉冲形成主要是正离子的贡献时滞约10－7sG－M计数器的输出脉冲波形脉冲幅度与正离子鞘内的总电荷有关，不再只是次电离电子雪崩的贡献，不再与原电离有关，主要体现计数管本身的性质。因此，无法给出入射粒子的信息。GM计数器的输出脉冲特点（重点）脉冲幅度大。可达几伏甚至几十伏。灵敏度高。不论何种辐射，只要有一个电子离子对产生就可以引起自持放电而被记录。脉冲仍然有两部分组成：电子脉冲和离子脉冲。G-M计数管的电压脉冲主要是由正离子鞘内的正离子贡献的。脉冲幅度与原电离无关，主要体现计数管本身的性质。因此，无法给出入射粒子的信息。

只用于计数，脉冲幅度的大小只要足以触发记录电路即可。无法用于能量测量。G－M计数器的性能1）