电离室的分类简介课件

20负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。§8.2

电离室

1、电离室的基本结构

不同类型的电离室在结构上基本相同.

典型结构有平板型和圆柱型。

均包括：

高压极(K)：正高压或负高压；

收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；

保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；20负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。§8.2121以平板型电离室为例：高压极收集极保护极K

CRL高压

V0

G负载电阻外壳灵敏体积绝缘子21以平板型电离室为例：高压极收集极K C高压V0 222灵敏体积：由通过收集级边缘的电力线所包围的两电极间的区域。保护环G的作用：1)

使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；2)

若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL上通过，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流。1、电离室的基本结构§8.2.1

电离室22灵敏体积：由通过收集级边缘的电力线所包围的两电极间的区域323CV0RLKG圆柱型电离室23CV0RLKG圆柱型电离室4I

:复合区II

:

饱和区III

:正比区

N

=

N0MIV:有限正比区

N

>>

N0

V:

G-M工作区

VI:连续放电区

24离子收集的电压电流曲线E

α

1E2β

E3βVtVdI:复合区II:饱和区 N=N0M V:5252、工作气体气体压力：从10-1~10大气压。充满电离室内部空间，是电离室的工作介质；如Ar加少量多原子分子气体CH4。需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。§8.2.1

电离室252、工作气体气体压力：从10-1~10大气压。充满电离室626+V0a

b+Q0−Q0§8.2.1

电离室

3、输出信号产生的物理过程—电离室的工作机制

第一步：假设回路中没有负载电阻

RL

=

0

极板a上加高压V0，极板a

b

间电容量为C1，则两极板的电荷量:

+Q0

=

−Q0

=

C1V026+V0a+Q0§8.2.1电离室7a+

e

+V0−q1

−q2

b

根据高斯定律，可以得到：q

=

(+Q0)+(−Q0)+e+(−q1)+(−q2)

=

0

⇒

e

=

q1

+q2

正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生的感应电荷多。

27§8.2.1

电离室

3、输出信号产生的物理过程—电离室的工作机制

第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+

它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2a+e+V0−q1 −q2§8.2.1828这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流i+(t)第三步：当感应电荷q1减少，下极板b上感应电荷q2增加。且e+电荷沿电场向收集极运动，则上极板a上正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为:-q1∆q1

=

∆q2+V0abi+(t)+

e−q2−q1§8.2.1

电离室

3、输出信号产生的物理过程—电离室的工作机制28这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流i+(929程。产生的结果是否与正电荷有共同之处？§8.2.1

电离室

3、输出信号产生的物理过程—电离室的工作机制

第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经

外回路流到b极板，b极板上的感应电荷：

(−q1)+(−q2)

=

−e

当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流

结束，流过外回路的总电荷量为：

∆q+

=

q1

考虑：如果在电极之间引入的是负电荷，解释一下整个物理过29程。产生的结果是否与正电荷有共同之处？§8.2.1102

q

q

=

∆30如果在电场中同一点引入一负电荷e-，它将在a

b两极板上分别感应一定的正电荷，分别为q1和q2。当负电荷沿电场反方向运动时，则a极板上感应电荷q1增加，而b极板上感应电荷q2减少。整个过程中，流过外回路的总电荷量为：相应在外回路流过电流为

i−(t)，电流方向与i+(t)相同。−§8.2.1

电离室2qq=∆30如果在电场中同一点引入一负电荷e-11−q131同一点引入正负电荷：

当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流：i(t)=

i+(t)+

i–(t)流过外回路的总电荷量：

+

+q

q-

=

e+V0bi(t)a

+

e−e−q2

q2q1−q131同一点引入正负电荷： 当同时在同一位置引入一离子对1232为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。§8.2.1

电离室

3、输出信号产生的物理过程—电离室的工作机制

结论：

(1)只有当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有电流流过，

此时i(t)=i+(t)+i-(t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在

探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应

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。

(2)

当+e、−e电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电

荷量分别相同；+e、−e电荷漂移结束，流过外回路的总电荷量32为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。§8.2.11333Q

=

N

⋅e§8.2.1

电离室

3、输出信号产生的物理过程—电离室的工作机制

引伸结论：

(1)

当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们

均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：

N

N

j=1

j=1

(2)

当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量为：33Q=N⋅e§8.2.1电离室1434§8.2.2

脉冲电离室电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间等。

以下讨论假设入射离子在灵敏体积中产生N

个离子对，并忽略扩散和复合的影响，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。脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电压信号34§8.2.2脉冲电离室电离室处于脉冲工作状态，电1535T+

为正离子全部到达b极板的时间。

§8.2.2

脉冲电离室以平板电离室为例：

设离子和电子的漂移速度是常数，并且电子的漂移速度是离

子漂移速度的1000倍，

离子和电子的初始数目为：

N

+(0)

=

N

−(0)

=

N

几个重要时刻：

t1

为开始有电子到达a极板的时间；

t2

为开始有正离子到达b极板的时间；

T–

为电子全部到达a极板的时间；35T+为正离子全部到达b极板的时间。 §8.2.21636tI)I

=

dNeu+

dNe(u+

+

u−

I

=t1

T

−~

µst2

T

+

~

ms几个重要时刻：36tI)I= dNe(u++u−t1T−t21737

气体电离室

前置放大器放大器单道或多道脉冲分析器

§8.2.2

脉冲电离室2、脉冲电离室的电子学框图

脉冲电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。

高压37 气体 前置放大器单道或多道 §8.2.2脉冲电1838dndEEhdndhh

半宽度FWHM

§8.2.2

脉冲电离室

3、脉冲电离室的性能

1)

脉冲幅度谱与能量分辨率

脉冲电离室常用来测量带电粒子的能量。

对单能带电粒子，若其全部能量都损耗在灵敏体积内，则脉冲电

离室输出电压脉冲的幅度反映了单个入射带电粒子能量的大小。多道测量的脉冲幅度谱：38dndEEhdndhh 半宽度 §8.2.2脉1939FWHMh

hFWHME

E,

或

η

=dndE能量分辨率：

η

=

∆E∆E

>ηE∆E

<ηE∆E

=ηE能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。

§8.2.2

脉冲电离室3、脉冲电离室的性能

1)

脉冲幅度谱与能量分辨率39FWHMhFWHME,或η=dn能量分辨率：2040量的关系为E0η∝1

§8.2.2

脉冲电离室3、脉冲电离室的性能

1)

脉冲幅度谱与能量分辨率

关于能量分辨率的小结：

(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，则可区分更小的能量差别。这是谱仪的最

主要的指标。

(2)能量分辨率的公式是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40量的关系为E0η∝1 §8.2.2脉冲电离室21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。

这样必将有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来。

41作用截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。对带电粒子ε

=

记录下来的脉冲数射入电离室灵敏体积的粒子数ε

<100%

§8.2.2

脉冲电离室3、脉冲电离室的性能

2)

探测效率定义： 原因：对带电粒子ε= 记录下来的脉冲数ε<1002242入射时刻的精度。

§8.2.2

脉冲电离室3、脉冲电离室的性能

3)

时间特性

A：分辨时间τ

——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

B：时滞τd

——入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的

时间差。

C：时间分辨本领——即由探测器输出脉冲来确定入射粒子42入射时刻的精度。 §8.2.2脉冲电离室2343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使灵敏体积增加及负离子的释放。V0hV1饱和电压§8.2.2

脉冲电离室3、脉冲电离室的性能

4)电离室的饱和特性曲线

----脉冲幅度h