电离室输出脉冲幅度课件

工作原理：入射粒子使工作原理：入射粒子使高压电极高压电极和和收集电极收集电极间的气体间的气体电离电离，生成的生成的电子离子对电子离子对在电场的作用下向两极在电场的作用下向两极漂移漂移，漂移过程中漂移过程中收集电极上的感生电荷发生变化从而产生收集电极上的感生电荷发生变化从而产生输出脉冲输出脉冲。气体探测器气体探测器气体探测器几个典型工作区气体探测器几个典型工作区I:复合区复合区II:饱和区饱和区III:正比区正比区IV:有限正比区有限正比区V:G-M工作区工作区电离室电离室工作在工作在饱和区饱和区只有在电子或离子只有在电子或离子漂移过程漂移过程中，两极上的中，两极上的感应电感应电荷荷才有变化，才能产生电流脉冲。才有变化，才能产生电流脉冲。输出脉冲可分为两个部分：输出脉冲可分为两个部分：快成分快成分（由电子的漂（由电子的漂移产生）；移产生）；慢成分慢成分（由离子的漂移产生）。（由离子的漂移产生）。电离室输出脉冲的特点电离室输出脉冲的特点输出回路的输出回路的等效电路等效电路电离室可以用电离室可以用电流源电流源I0(t)和探测器电容和探测器电容C0并联并联等效。等效。根据根据输出回路时间常数输出回路时间常数输出回路时间常数输出回路时间常数的不同，分为的不同，分为离子脉冲电离子脉冲电离室离室和和电子脉冲电离室电子脉冲电离室。离子脉冲电离室离子脉冲电离室电子脉冲电离室电子脉冲电离室输出回路输出回路时间常数时间常数TT+,T-T-T104V/cm。正比计数器通常采用正比计数器通常采用圆柱形电极圆柱形电极，便于产生，便于产生高场强高场强。V0=1000V,a=510-3cm，b=1cm强场区存在于阳极丝附近，强场区存在于阳极丝附近，因此雪崩只在阳极丝附近发生。因此雪崩只在阳极丝附近发生。阳极阳极阳极阳极阴极阴极阴极阴极当阳极和阴极间电压为当阳极和阴极间电压为V0时，时，电场强度为：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正比区气体放大倍数 M决定于决定于气体性质气体性质、气体压强气体压强、工作电压工作电压和和电极半径电极半径。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，实验表明，在单原子分子和双原子分子气体中，当当M102，以及在多原子分子气体中，当，以及在多原子分子气体中，当M 1 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。正比计数器正比计数器的输出信号的输出信号得到本征电流：得到本征电流：由于：由于：则：则：其中，其中，仅仅取决于取决于结构结构、工作气体工作气体及及工作电压工作电压等。等。由于由于t0很很小小，所以，所以电流随时间迅速下降电流随时间迅速下降。50ns电压脉冲波形电压脉冲波形电压脉冲波形电压脉冲波形与输出回路时间常数的选取有关，与粒子与输出回路时间常数的选取有关，与粒子入射位置无关。入射位置无关。但无论时间常数选多大，最大幅度与入但无论时间常数选多大，最大幅度与入射粒子能量成正比。射粒子能量成正比。使用中常采用使用中常采用（s）时间常数。时间常数。式中式中f(t)为仅与为仅与RCRC和和t t0 0有关的时间函数，有关的时间函数，与入射粒子的位与入射粒子的位置无关置无关。输出电压信号：输出电压信号：难点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，可忽略正比计数器正比计数器的输出电压脉冲波形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。v脉冲幅度大脉冲幅度大。是电离室的。是电离室的102-104倍。倍。v灵敏度高灵敏度高。原则上只有一个电子离子对就可以被分辨。原则上只有一个电子离子对就可以被分辨。v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，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正比计数管的电压脉冲主要是由倍增后的正离子贡献的倍增后的正离子贡献的。v脉冲幅度脉冲幅度与原电离地点与原电离地点无关无关（倍增后的正离子聚集在阳极附近）（倍增后的正离子聚集在阳极附近）。v虽然电荷全部收集的时间仍为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量级，但输出电流随时间迅速下降，采用下降，采用 s的时间常数时，损失的脉冲幅度不大的时间常数时，损失的脉冲幅度不大。无论时间无论时间常数选多大，最大幅度与入射粒子能量成正比。常数选多大，最大幅度与入射粒子能量成正比。因此，因此，时间性时间性能与电子脉冲电离室相近能与电子脉冲电离室相近。正比计数器正比计数器的输出脉冲特点（的输出脉冲特点（重点重点）1)输出脉冲幅度与输出脉冲幅度与能量分辨率能量分辨率输出脉冲幅度的输出脉冲幅度的涨落涨落是一个是一个二级串级型随机变量二级串级型随机变量二级串级型随机变量二级串级型随机变量：输出脉冲幅度输出脉冲幅度输出脉冲幅度输出脉冲幅度：实验表明实验表明，所以，所以，相对能量分辨率相对能量分辨率 正比计数器的性能正比计数器的性能2)坪特性坪特性Va:起始电压，粒子最大输出脉冲幅度与甄别阈相等；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。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）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。对对带电粒子带电粒子由于气体放大作用，正比计数器可用来探测由于气体放大作用，正比计数器可用来探测低能低能或或低比电离低比电离的粒子如的粒子如、X射线等。射线等。分辨时间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：时间特性：时间分辨时间分辨与与时滞有关，时滞有关，时滞即初始电子从初始电子从产生处漂移到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以下以下注意注意时间分辨时间分辨与与分辨时间分辨时间的不同。的不同。当当次电离次电离除外其他产生电子雪崩的原因不能忽略时，除外其他产生电子雪崩的原因不能忽略时，进入进入有限正比区有限正比区。：每个电子在向阳极漂移的过程中产生光电子的概率。1)光子的影响：光电子参加次电离雪崩过程在实验上光子的影响：光电子参加次电离雪崩过程在实验上 无法区分。无法区分。当当 M01时，级数收敛，时，级数收敛，M01时，M M0，正比区；M0 M0，有限正比区；M01时，M，GM区自持放电自持放电改善方法：改善方法：在单原子分子或双原子分子气体中加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。少量的多原子分子气体。多原子分子能级多，能多原子分子能级多，能强烈吸收紫外光。强烈吸收紫外光。tVC RCT+RCT+图3.3.9 多次雪崩的脉冲波形示意图3)空间电荷效应空间电荷效应 正离子鞘正离子鞘：雪崩完成时，大量正离子几乎不动地：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。散布在阳极周围，使阳极附近的电场变弱。在有在有限正比区，离子云的影响使气体放大倍数不再是限正比区，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。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：新电子产生新正离子与阴极作用产生二次电子：新电子产生新的雪崩。的雪崩。改善方法：改善方法：在单原子分子或双原子分子气体中加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。少量的多原子分子气体。多原子分子离子在阴极多原子分子离子在阴极表面拉出电子中和后就表面拉出电子中和后就分解，不发射二次电子。分解，不发射二次电子。1 1）低能低能X X射线正比计数器射线正比计数器特点：有入射窗，常用特点：有入射窗，常用Be(铍铍)窗窗。正比计数器的应用正比计数器的应用2 2）单丝位置灵敏正比计数器单丝位置灵敏正比计数器 特点：阳极丝为高阻丝。由分流不同而确定特点：阳极丝为高阻丝。由分流不同而确定粒子入射位置。粒子入射位置。3 3）多丝正比室和漂移室多丝正比室和漂移室 多多丝丝正正比比室室的的阴阴极极为为平平板板，阳阳极极由由平平行行的的细细丝丝组组成成多多路路正正比比计计数数器器。位位置置灵灵敏敏度度达达到到mm量量级级，为为粒粒子子物物理理等等作作出出巨巨大大贡贡献献，于于1992年获年获诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖。漂漂移移室室由由快快探探测测器器确确定定入入射射时时刻刻，由由正正比比丝确定漂移时间，位置灵敏度可达丝确定漂移时间，位置灵敏度可达0.1mm。正比计数器小结（正比计数器小结（重点重点）v结构特点结构特点为何为圆柱形的？为何为圆柱形的？为何中心电极为阳极？为何中心电极为阳极？v输出信号特点输出信号特点主要是倍增后正离子贡献的。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。入射粒子位置无关。v能量分辨率：与电离室相比，变差能量分辨率：与电离室相比，变差v可用于低能粒子或低比电离离子的能谱测可用于低能粒子或低比电离离子的能谱测量、计数测量量、计数测量G-M计数器计数器 在核物理发展的初期，是使用最广的辐射探测器。在核物理发展的初期，是使用最广的辐射探测器。至今，在至今，在放射性同位素应用和剂量监测放射性同位素应用和剂量监测放射性同位素应用和剂量监测放射性同位素应用和剂量监测中，仍是中，仍是常用的探测元件。常用的探测元件。工作特点：放电和猝熄工作特点：放电和猝熄自持放电自持放电：每次次电离电子雪崩过程中产生一个新的光电子，：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，很快在放电便会持续地发展下去，很快在10-7s内遍及整个灵敏区，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。电子无法再增殖，使第一次放电终止。在通常情况下，在通常情况下，10-5，因此当，因此当M0 105时就能发生自持放时就能发生自持放电。电。外猝熄外猝熄：利用外电路，使一次放电后工作电压降到：利用外电路，使一次放电后工作电压降到Vd以下。以下。内猝熄内猝熄：加入猝熄气体，自行猝熄。：加入猝熄气体，自行猝熄。猝猝 熄熄：电子收集后，正离子在电场作用下逐渐向阴极移动，：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。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。因此，需要在一次放电后，令放电终止。阈电压：当工作电压为阈电压：当工作电压为Vd时，雪崩在阳极丝表面产生。时，雪崩在阳极丝表面产生。自猝熄机制：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）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。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）猝熄气体（多原子分子气体）能强烈吸收紫外光，在，在减少紫外光打出光电子几率的同时，减少紫外光打出光电子几率的同时，能抑制正离子在阴极能抑制正离子在阴极表面上的二次电子发射表面上的二次电子发射。一次放电之后一次放电之后不能引起第二次放电不能引起第二次放电，放电过程得以终止。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107sGM计数器计数器的输出脉冲波形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，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。无法给出入射粒子的信息。GM计数器的输出脉冲特点（计数器的输出脉冲特点（重点重点）脉冲幅度大脉冲幅度大。可达几伏甚至几十伏。可达几伏甚至几十伏。灵敏度高灵敏度高。不论何种辐射，只要有一个电子离子对产生就可以。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。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。脉冲仍然有两部分组成：电子脉冲和离子脉冲。G-M计数管的计数管的电压脉冲主要是由正离子鞘内的正离子贡献的电压脉冲主要是由正离子鞘内的正离子贡献的。脉冲幅度脉冲幅度与原电离与原电离无关，无关，主要体现计数管本身的性质。因此，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无法给出入射粒子的信息。只用于计数计数，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。GM计数器的性能计数器的性能1 1）坪曲线：是计数管功能的重要标志。）坪曲线：是计数管功能的重要标志。主要由于乱真放电随电压升高而增多。自持放电的阈电压，自持放电的阈电压，输出电压脉冲最大输出电压脉冲最大幅度等于甄别阈。幅度等于甄别阈。2 2）时间特性：死时间、恢复时间、分辨时间）时间特性：死时间、恢复时间、分辨时间50-250s 100-500 s 电子学的电子学的触发阈触发阈死时间死时间恢复时间恢复时间分辨时间分辨时间分辨时间分辨时间以以死时间死时间为主，由正离子鞘离开强场区的时间决定。为主，由正离子鞘离开强场区的时间决定。通常为几十到几百通常为几十到几百 s。3 3）探测效率：带电粒子）探测效率：带电粒子100%100%，光子光子1%1%GM计数器可用来探测任何粒子。计数器可用来探测任何粒子。4 4）计数管的寿命：决定于猝熄气体的损耗。）计数管的寿命：决定于猝熄气体的损耗。5 5）计数管的温度效应：计数管必须在一定温度范围内）计数管的温度效应：计数管必须在一定温度范围内 才能正常工作。才能正常工作。G-M G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。管主要有圆柱型和钟罩型两种。圆柱型主要圆柱型主要用于用于 射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于，射线的测量。射线的测量。为什么气体探测器的单原子或双原子工作气体中要加为什么气体探测器的单原子或双原子工作气体中要加入多原子分子气体？入多原子分子气体？v提高电子的漂移速度，减小电子收集时间；提高电子的漂移速度，减小电子收集时间；v减少负电性气体的影响，减小电子的复合概率；减少负电性气体的影响，减小电子的复合概率；v减少电子扩散的影响；减少电子扩散的影响；v在正比计数管中，减少光子和二次电子对电子雪崩的影响，在正比计数管中，减少光子和二次电子对电子雪崩的影响，增大正比区范围增大正比区范围v在在G-M计数管中起猝熄作用计数管中起猝熄作用气体探测气体探测器器重点重点v气体探测器的工作原理气体探测器的工作原理v五个工作区域的特点五个工作区域的特点v脉冲电离室脉冲电离室输出信号特点；输出信号特点；等效电路及输出回路的影响；等效电路及输出回路的影响；能量分辨率：能量分辨率：v电离统计涨落引起的极限能量分辨率电离统计涨落引起的极限能量分辨率v正比计数器正比计数器结构特点结构特点输出信号特点输出信号特点能量分辨率：与电离室的比较能量分辨率：与电离室的比较