核技术最终版

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,对于辐射是,不能,感知,的，因此,人们必须借助于,辐射探测器,探测各种辐射，给出辐射的,类型,、,(,数量,),、及等特性。,即对辐射进行,测量。,辐射探测器,的定义：利用,辐射,在,气体,、,液体,或,固体,中引起的,电离,、,激发,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,。,为什么需要辐射探测器？,探测器,按,探测介质类型,及,作用机制,主要分为：,气体探测器,；,闪烁探测器,；,半导体探测器,。,1,辐射探测器,学习要点,（研究问题）：,探测器,的,工作机制,；,探测器,的,输出回路,与,输出信号,；,探测器,的,主要性能指标,；,探测器,的,典型应用,。,辐射探测的基本过程：,辐射粒子,射入,探测器,的,灵敏体积,；,入射粒子,通过,电离,、,激发,等效应而在,探测器中,沉积能量,；,探测器,通过,各种机制,将,沉积能量,转换成,某种形式的,输出信号,。,2,第二章 气体探测器,Gas,filled Detector,3,2.1,气体中离子与电子的运动规律,2.2,电离室,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,2.2.2,脉冲电离室,2.2.3,累计电离室,2.3,正比计数器,2.4G-M,计数管,4,2.1,关键词,总电离，原电离，次电离,平均电离能（功）,电子与离子在气体中的运动,收集的离子对数与外加电压的关系,5,气体探测器,气体探测器均以,气体,作为探测介质。,具有,制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便,等优点，有广泛的应用。,20,世纪,70,年代以来，气体探测器有很大发展，在,高能物理和重离子物理实验,中获得新的应用，并广泛,应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理,等领域。,6,2.1,气体中离子与电子的运动规律,7,电离损失,与核外电子的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与靶原子的核外电子通过,库仑作用,，使电子获得能量而引起,原子的,电离,或,激发,。,1,、,气体,的,电离,与,激发,入射粒子,直接产生的,离子对,称为,原电离,。,初电离,产生的,高速电子,足以使,气体,产生的电离的,离子对,称称为,次电离,。,总电离,=,原电离,+,次电离,2.1,气体中离子与电子的运动规律,8,电离能,W,：,带电粒子,在气体中产生,一电子离子对,所需的,平均能量,。,对不同的气体，,W,大约为,30,eV,若,入射粒子,的,能量,为,E,0,，当其,能量,全部,损失在,气体介质,中时，产生的,平均离子对数,为：,A.,Number of Ion Pairs Formed,2.1,气体中离子与电子的运动规律,9,几种,气体,的,平均电离能,和,最低电离电位,注意,:,单位,(,eV,),2.1,气体中离子与电子的运动规律,10,例,:,210,Po,的,粒子能量为,5.3MeV,在空气中的射程为,3.8cm,求其总在空气中的,总电离,为多少,?,解,:,结论,:,通过,总电离,的测量可以确定,待测粒子能量,的依据,.,2.1,气体中离子与电子的运动规律,11,B.,The Fano Factor,离子对数,N,是,随机变量,.,它服从什么,分布,？,法诺分布,离子对数,的,方差,过去实验测量不同气体的法诺因子介于,1/3,1/2,之间，但目前实际可以做到不大于,0.2,。,2.1,气体中离子与电子的运动规律,12,上述两过程均在,10,-9,秒,内完成。,C.,被激发,原子的退激方式：,1),辐射光子,。,发射,波长,接近,紫外光,的,光子,，这些,光子,又可能在,周围介质,中打出,光电子,，或被某些,气体分子,吸收而使,分子,离解,。,2),发射俄歇电子,。,3),亚稳原子,2.1,气体中离子与电子的运动规律,13,2,、电子与离子在气体中的运动,当,不存在外加电场,的情况下，,电离,产生的,电子,和,正离子,在,气体,中,运动,，并和,气体分子,或,原子,不断地,碰撞,，处于平衡状态。其结果会发生以下,物理过程,：,Diffusion,；,Electron Attachment,；,Recombination,；,2.1,气体中离子与电子的运动规律,14,A.,扩散,(Diffusion),在气体中电离粒子的,密度,是,不均匀,的，原电离处密度大。,由于其,密度梯度,而造成的,离子、电子,的,定向运动,叫,扩散,。,电子,的,平均自由程,和乱运动的,平均速度,都比,离子,的,大,，因此其,扩散系数,比,离子,的大，因而,电子,的,扩散效应,比,离子,的,严重,。,2.1,气体中离子与电子的运动规律,15,B.,电子的吸附和负离子的形成,电子,在,运动过程中,与气体分子,碰撞,时可能被,气体分子,俘获,，形成,负离子,，这种现象称之为,吸附效应,。,Electron attachment,e,-,Negative ion,2.1,气体中离子与电子的运动规律,16,例如,O,2,、,H,2,O,，的 ，,卤素,达,每次碰撞,中被,电子俘获,的,概率,称为,吸附系数,h,。,h,大,(,h,10,-5,),的,气体,称为,负电性气体,。,电子,的,吸附现象,对,气体探测器,产生的是,正面,or,负面影响,？,气体探测器的工作气体应,尽量选择吸附系数小,的气体，在不得已采用时，将会影响探测器的性能。,2.1,气体中离子与电子的运动规律,17,C.,复合,(Recombination),有两个过程：,电子,与,正离子,，或,负离子,与,正离子,，相遇时可能,复合成中性,的原子或分子。,Recombination,e,-,2.1,气体中离子与电子的运动规律,18,为,复合系数,复合的结果是把许多,有用信号,给,复合掉,，使,有用的信号,减少,。因此，,复合现象在探测器正常工作中应尽量避免,。,复合引起的,离子对数目,的,损失率,：,一旦形成了,负离子,，其,运动速度,远小于,电子,，正离子与负离子的,复合系数,要,比,正离子与电子的,复合系数,大得多,。,2.1,气体中离子与电子的运动规律,19,D.,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,”。,2.1,气体中离子与电子的运动规律,20,对于,正离子,：,在,存在,电场的情况下,，两次碰撞之间离子,从电场获得的能量,又会在碰撞中损失，离子的能量,积累不起来,。,离子,的,平均动能,与,没有电场,的情况,相似,，为：,离子,漂移速度,离子,的,迁移率,电场强度,气体压强,约化场强,2.1,气体中离子与电子的运动规律,21,离子的,迁移率,可表示为：,M,为,离子质量,；,0,为离子在气体中,单位气压下的自由程,；,乱运动的,平均速度,。,由于离子的平均动能基本上不随电场而变化，则 近似为常数，这样,离子的迁移率,近似为,常数,。,推导过程见课本,2.1,气体中离子与电子的运动规律,22,对于,自由电子：,电子与气体分子发生,弹性碰撞,时，每次,损失,的能量,很小,，,因此，电子,在,两次碰撞,中由,外电场加速,的,能量,可,积累起来,。,直到使它的,弹性碰撞能量损失,和,碰撞间从电场获得的能量,相等,，或发生,非弹性碰撞,为止。,达到,平衡状态,时，即,损失能量,等于,从电场获得的能量,时，电子的,平均能量,为,:,称为电子温度，是场强的函数。,2.1,气体中离子与电子的运动规律,23,电子的漂移速度,与,约化场强,不成正比,，,可用,函数,表示：,这个函数关系均由,试验测定,。一般给出的是,实验曲线,。,电子漂移速度,对,气体成分,很,敏感,，少量某种气体的混入就可,显著提高,电子漂移速度,。,2.1,气体中离子与电子的运动规律,24,(1),电子漂移速度,一般为：,离子漂移速度,一般为：,(2),电子,的,漂移速度,对,组成气体,的,组分,极为,灵敏,在,单原子,分子气体中（如,卤素,）加入,少量,多原子,分子气体,（如,CO,2,、,H,2,O,等）时，,电子,的,漂移速度,有,很大的增加,。,电子,与,离子,在气体中,在外电场作用,下的,漂移速度,的,主要区别,为：,2.1,气体中离子与电子的运动规律,25,电子在,气体,中的,漂移速度,2.1,气体中离子与电子的运动规律,26,E,、电荷转移效应,正离子,与,中性的气体分子,碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合成中性分子，,中性气体分子成为正离子,。,电荷转移效应在混合气体中比较明显。,电荷转移效应可以减小离子的迁移率，降低离子的漂移速度。,复合效应,、,电子吸附效应,、,电荷转移效应,等，都不利于电荷收集。,2.1,气体中离子与电子的运动规律,27,2.1,气体中离子与电子的运动规律,3,被收集的离子对数与外加电场的关系,28,I :,复合区,II :,饱和区,III :,正比区,IV:,有限正比区,V:,G-M,工作区,VI:,连续放电区,2.1,气体中离子与电子的运动规律,29,2.2,电离室,2.2 .1,电离室的工作机制与输出回路,30,电离室,（,ion chamber,）,的,分类,：,1),脉冲电离室,2),电流电离室,记录,单个,入射粒子,的电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：,脉冲电离室,又分为,离子脉冲电离室,和,电子脉冲电离室,.,记录,大量,入射粒子,平均电离效应,，包括,电流电离室,和,累计电离室,。,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,31,1,、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,。,高压极,(,K,),：正高压或负高压；,均包括：,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；,负载电阻,(,R,L,),：电流流过时形成电压信号。,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,32,高压极,收集极,保护极,高压,负载电阻,外壳,灵敏体积,绝缘子,平板型电离室,2.2 .1,电离室的工作机制与输出回路,33,圆柱型电离室,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,34,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,R,L,上通过，从而产生,噪声,，即,绝缘子,的,漏电流,。,2.2 .1,电离室的工作机制与输出回路,35,气体压力,： 帕。,2,、工作气体,充满电离室内部空间，是电离室的工作介质；,如,A,r,加,少量多原子分子气体,CH,4,。,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。,2.2 .1,电离室的工作机制与输出回路,36,第一步,：假设,回路,中,没有,负载电阻,极板,a,上加,高压,V,0,，,极板,a b,间,电容量,为,C,1,，则,两极板,的,电荷量,：,3,、输出信号产生的物理过程,即电离室的工作机制。,2.2 .1,电离室的工作机制与输出回路,37,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,-,q,1,、,-,q,2,高斯定律,：,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,38,即,正电荷,靠,哪个极板,近,，,那个极板,上产生的,感应电荷,多,。,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 电荷,沿电场,向,收集极,运动，则,上极板,a,上,感应,电荷,减少,，,下极板,b,上,感应,电荷,增加,。且,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,39,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：,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,40,第四步,：当正电荷快,到达,极板的,前一瞬间,，,-,q,1,全部由,a,极板,经,外回路,流到,b,极板,，,b,极板,上的,感应电荷,：,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：,考虑,：如果在,电极之间,引入的是,负电荷,，解释一下,整个物理过程,。产生的结果是否与,正电荷,有共同之处？,2.2 .1,电离室的工作机制与输出回路,41,电子,(,负离子,),漂移,所引起的,正感应电荷,在回路中流过的电荷量为：,2.2 .1,电离室的工作机制与输出回路,42,如果在电场中同一点引入一,负电荷,，它将在,ab,两极板上分别感应一定的,正电荷,，分别为 和 。当负电荷沿电场反方向运动时，则,a,极板上感应电荷,增加,，而,b,极板上感应电荷,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 ，电流方向与 相同。,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,43,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,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,44,(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，正、负电荷的感应电流方向相同,.,此时,i,(,t,)=,i,+,(,t,)+,i,(,t,),.,当离子或电子到达电极板，它所对应的那一部分电流立即变为零。当电子,、,离子全部到达极板时，总电流信号,i(t)=0,。,结论：,(2),当一对离子对被正,、,负极分别收集后，流过的外回路的总电荷量为,，,该电荷量与这一对电荷的产生,位置无关,。,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,45,(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：,引伸结论,：,(2),当,N,个,离子对,全部,被,收集,时，流过,外电路,的,总电荷量,为：,2.2.1,电离室的工作机制与输出回路,46,1,气体探测器两端收集到的离子对数和两端外加电压存在一定的关系，具体分为哪几个区,各有什么特点？,47,输出回路的,定义,：,输出信号电流,所有流过的,回路,都包括在输出回路中。,感应电荷,在,外回路,上形成的,电流,，在,负载电阻,R,L,上形成,电压,，有,信号输出,；,测量仪器,有,内阻、电容,；,探测器,电容,C,1,。,输出回路,的简化过程：,电离室的输出回路,线路的杂散,电容,C,。,2.2.2,脉冲电离室,48,测量仪器,总电阻,总电容,R,L,：负载电阻；,C,1,：探测器电容；,R,入,： 测量仪器输入电阻；,C,入,： 测量仪器输入电容；,：杂散电容；,如,电缆电容,100pF/m,。,2.2.2,脉冲电离室,49,2.2,电离室,2.2.2,脉冲电离室,50,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,、,强度,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,。,2.2.2,脉冲电离室,51,电离室,是一个,理想,的,电荷源,（其,外回路,对,输出量,无影响,）。,1),脉冲电离室,的,总输出电荷量,1,、脉冲电离室的输出信号,电离室,灵敏体积,内产生,N,个离子对并全部为,极板,收集后的,总输出电荷量,：,这一结果与,极板形状,、,电场分布,、,输出回路参数,无关。,2.2.2,脉冲电离室,52,(1),负载电阻,R,L,=0,的情况,2),脉冲电离室,的,输出电流信号,相当于用输入阻抗极小的电流计测量电离室输出信号的情况。,2.2.2,脉冲电离室,53,下面来计算电流的大小：,电源,提供,功率,：,电场对,电子正离子对,漂移所做的,功率,：,离子、电子,在,t,时刻的,空间位置,；,正离子、电子,在该点的,场强,；,正离子、电子,在该点的,漂移速度,。,能量守恒,2.2.2,脉冲电离室,54,求解得到,t,时刻流经,外回路,的,电流,在,t,时刻，,灵敏体积,中有,N,+,(,t,),个,正离子,和,N,(,t,),个,电子,，则,输出电流,：,电离室,的,本征电流,（,Intrinsic Current,）,2.2.2,脉冲电离室,55,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,，,均匀电场,t,2,为开始有,正离子,到达,b,极板,的时间；,几个重要时刻：,t,1,为开始有,电子,到达,a,极板,的时间；,T,为,电子,全部,到达,a,极板,的时间；,T,+,为,正离子,全部,到达,b,极板,的时间。,离子,和,电子,的初始数目为：,2.2.2,脉冲电离室,56,2.2.2,脉冲电离室,57,(2),负载电阻,R,L,0,的情况,采用一般的具有输入阻抗的测量装置，输出,电压信号,。,总电阻,电源,做的,功率,W,(,t,),输出回路,中,消耗的功率,W,O,(,t,),灵敏体积,内电子和正离子在,电场,作用下,漂移,所,消耗的功率,W,e,(,t,),C,1,的,储能,发生变化,(,消耗功率,),W,C,1,(,t,),2.2.2,脉冲电离室,58,推导过程的物理基础,：,电源电动势,所,做的功率,W,(,t,),输出回路,中,消耗的功率,W,O,(,t,),C,1,的,储能,发生变化,(,消耗功率,),W,C,1,(,t,),灵敏体积,内电子正离子在,电场,下,漂移,所,消耗的功率,W,e,(,t,),能量守恒,根据能量守恒：,2.2.2,脉冲电离室,59,电源功率,W,(,t,),灵敏体积,内,电子正离子,在电场下,漂移,所,消耗的功率,2.2.2,脉冲电离室,60,a,极板,的,电位,不再为,常数,而为,V,(,t,),电容,C,1,的,储能为,能量变化率,为：,电容,C,1,的,储能,发生变化,输出回路功率,W,O,(,t,),2.2.2,脉冲电离室,61,能量守恒,令：,2.2.2,脉冲电离室,62,由于,V,(,t,) ,V,0,为,电离室,的,本征电流,。,把,电离室,看成,理想,的,内阻无限大,的,电流源,，但这是,有条件的,。而,电荷源,则是,无条件的,。,结论：,2.2.2,脉冲电离室,63,3),脉冲电离室,的,输出电压信号,输出回路对电压脉冲的影响,电离室,可以用,电流源,I,0,(,t,),和,C,1,并联,等效。并可得到其输出回路的,等效电路,2.2.2,脉冲电离室,64,解微分方程：,2.2.2,脉冲电离室,65,(1),当 时，即,全部,电子,和,正离子,对,输出信号,都有,贡献。,在,t,T,+,时,2.2.2,脉冲电离室,66,2.2.2,脉冲电离室,67,A,、,在,t,=,T,+,时，输出,电压脉冲,幅度,B,、,C,0,越小,，,h,越大,。为此须,降低,工作在这种状态的,电离室,称之为,离子,脉冲电离室,。,存在问题,输出,电压脉冲宽度,非常大,(,T,是,ms,量级,),，这样,入射粒子的强度,不能太大,，并且要求,放大器电路,频带非常宽,，,噪声大,而,非实用,。,结论：,2.2.2,脉冲电离室,68,(2),当 ，,正离子漂移,的贡献,可以忽略,，,在,t,T,时,2.2.2,脉冲电离室,69,2.2.2,脉冲电离室,70,A,、,输出,脉冲幅度,，仅取决于,电子漂移,在,外回路,中流过的,电荷量,。,B,、,由于 ，大约是,微秒,量级,，将大大,降低,电压输出脉冲,的,宽度,，得到,快的,响应时间,。,结论：,工作于这种状态的,电离室,称为,电子,脉冲电离室,。,2.2.2,脉冲电离室,存在问题,：,输出电压脉冲,幅度,h,-,与,初始电离,的,位置,有关，,也就是,Q,-,与,初始电离位置,有关。,71,即,Q,与,第,j,个电子,被收集时,最终电位,和,最初产生处,(,初电离位置,),电位,之差,有关。,这样，,电子脉冲电离室,的,输出电压脉冲,幅度,不仅,与,产生的,离子对数,有关，而且，与,离子对生成的位置,有关。,72,(3),影响输出信号形状的因素,2.2.2,脉冲电离室,73,2.2.2,脉冲电离室,74,(C),电子,或,正离子,漂移对,输出电压脉冲信号,的贡献，取决于,电子,或,正离子,扫过的电位差,。,关于电离室输出电压信号的一些重要结论,：,(A),电子离子对一旦形成，立即就有输出电流信号；,电压脉冲,的,上升时间,为,电流脉冲,的,持续时间,。与,R,0,C,0,有关。,(B),电离室输出电流中包含快成分与慢成分，其比例与电子离子产生位置有关，导致,电离室,输出的,电压脉冲,为,变前沿,的,脉冲,，其,上升时间,涨落达,10,3,s,量级。,2.2.2,脉冲电离室,75,离子,脉冲电离室,存在问题,输出,电压脉冲宽度,非常大,(,T,是,ms,量级,),，这样,入射粒子的强度,不能太大,，并且要求,放大器电路,频带非常宽,，,噪声大,而,非实用,。,电子,脉冲电离室,存在问题,：,输出电压脉冲,幅度,h-,与,初始电离,的,位置,有关，,也就是,Q,与,初始电离位置,有关。,2.2.2,脉冲电离室,76,2,、,圆柱型,电子,脉冲电离室和屏栅电离室,1),圆柱型电子脉冲电离室,2.2.2,脉冲电离室,77,设计思想,：利用,圆柱形电场,的,特点,来,减少,Q,与,入射粒子,位置,的关系，达到利用“,电子脉冲,”来,测量,能量,的目的。,距,中心位置,为,r,的,场强,：,电位,为：,设,全部离子对,在,r,0,处产生，其,电位,为,电子脉冲电离室,必定要,满足,2.2.2,脉冲电离室,78,输出脉冲,电荷量,输出电压,脉冲幅度,结论： 选择,足够大,的,b,/a,值,，在,r,0,较,大时，,h,(,r,0,),与,r,0,之间的关系就不显著了。同时由于,圆柱形,的几何条件，,r,0,小的区域,只占,很小,的,一部分体积,，,大部分,入射粒子,都在,r,0,较大,处产生,离子对,。,注意,：这种,工作状态,下，,中央丝极,必须是,阳极,。,对于大部分,入射粒子,而言，,圆柱形,电子脉冲电离室,的输出电压,脉冲幅度,均接近于,2.2.2,脉冲电离室,79,3),屏栅电离室（,The Gridded Ion Chamber,）,屏栅电离室的构成：,负极,B,、,正极,A,、,栅极,G,、,电源,和,负载电阻,。,2.2.2,脉冲电离室,80,(1),屏栅电离室信号的形成过程,离子对,仅在,B,G,之间,产生,，要求入射粒子的射程,R,小于,B,G,之间的距离,a,；栅极由网栅构成，要求栅极屏蔽完善。合理选择,电压分配,及网栅的参数,，使电子和正离子在,B,G,之间漂移时，,仅在,B,，,G,极板上有感应电荷产生,，,并在,B,G,回路中流过电流,i,1,；同时电子在穿过栅极时，不被栅极所捕获。相当于,N,个,电子,先后在栅极上产生，然后，扫过,G,A,电极；在输出回路上输出,电压脉冲信号,：,(2),信号时滞,2.2.2,脉冲电离室,81,4,）裂变电离室,它是一种用来探测,中子通量密度,的涂裂变物质的脉冲电离室，处在,收集电子,的工作状态。,裂变物质涂覆在电离室极板表面。,核裂变碎片,在气体中,强烈地产生电离,，使电离室输出,较大,的脉冲幅度信号。,常用来,控制反应堆,的,启动，监测中子流强度,。,2.2.2,脉冲电离室,82,3,、,脉冲电离室输出信号的测量,（讨论电离室工作区域）,脉冲电离室,的,输出信号,所包含的,信息,：,1,）,入射带电粒子,的,数量,；,2,）,入射带电粒子,的,能量,；,3,）确定,入射粒子间,的,时间关系,。,通过对输出脉冲数进行测量。,(,讨论,N,0,脉冲个数,),通过对输出电压信号的幅度进行测量。,通过对输出电压信号的时间进行测量。,2.2.2,脉冲电离室,83,脉冲电离室,的,输出信号,需要用,电子仪器,来测量。,2.2.2,脉冲电离室,84,4,、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。,2.2.2,脉冲电离室,85,由于,电离过程,的,涨落,，电离产生的离子对数目,N,的涨落服从,法诺分布,。 由于 很大，所以,离子对数,所遵循的统计分布可以用,高斯分布,描述。,由关系式：,电离室,输出脉冲幅度,同样服从,高斯分布,2.2.2,脉冲电离室,86,能量分辨率：,半高宽度,多道,测量的,脉冲幅度谱,：,(,结合课本,66),能量分辨率,反映了,谱仪,对不同,入射粒子,能量,的,分辨能力,。,E,1,E,2,E,2,E,1,E,2,E,1,E,1,E,2,E,3,E,1,E,2, E,3,2.2.2,脉冲电离室,87,幅度平均值：,标准偏差：,相对标准偏差：,且有：,能量分辨率为：,2.2.2,脉冲电离室,88,(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,。,关于能量分辨率的小结,：,(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,能量,的关系为,2.2.2,脉冲电离室,89,2),电离室的,饱和特性,曲线,-,脉冲幅度,h,与电离室,工作电压,V,0,的关系,影响因素,：,离子,和,电子,的,复合,或,扩散,效应,。,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,。,V,0,h,V,1,饱和电压,N,电离室一定要工作在,饱和区,N,0,2.2.2,脉冲电离室,90,3),电离室,的,坪特性,曲线,当,输出脉冲幅度,饱和后，,计数率,不再,随,工作电压,而变化，称,坪特性曲线,。,在,入射粒子束流,不变,的情况下：,V,0,n,脉冲幅度,甄别阈,h,1,h,2,h,3,h,1,h,2,h,3,入射粒子,是,单能,的,V,1,-,电离室的,计数率,与,工作电压,的关系,探测器,源,2.2.2,脉冲电离室,91,4),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,必将有,一部分,幅度,低于,甄别阈,的,信号脉冲,未被记录,下来。,粒子,等,中性粒子,则取决于与介质作用产生,次级带电粒子,的,相互作用截面,，以及次级带电粒子,能否,进入,灵敏体积,。,对,带电粒子,探测器,源,2.2.2,脉冲电离室,92,2.2.3,累计电离室,2.2,电离室,93,当,电离室,的,输出信号,是反映,大量,入射粒子,的,平均,电离效应时，称作,电流工作状态,或,累计工作状态,。,此时电离室,称作,“,累计电离室,”,或,“,电流电离室,”,。,恒定,状态,下，输出,直流电流,信号,是：,设,入射粒子,在,电离室灵敏体积,内各处,单位时间,、,单位体积,内,恒定,地产生,对离子对,。则在,灵敏体积,内,单位时间,的,总离子对数,为,2.2.3,累计电离室,94,1,、输出信号,输出信号,可以是,直流电流,(,相当于回路中接入内阻极小的电流计，即,R,L,= 0),或,直流电压,(,在输出回路上的积分电压,),信号,。,若,单位时间,内射入,电离室灵敏体积,内的,带电粒子,的,平均值,为 ，每个,入射带电粒子,平均,在,灵敏体积,内产生 个,离子对,，则,电流电离室,输出,电流信号,的,平均值,为：,输出,直流电压,信号,2.2.3,累计电离室,95,1),饱和性,2,、电流电离室的主要性能,96,2),灵敏度,影响,灵敏度,的因素有,电离室,的,结构,、,气体压力,和,组分,、,入射粒子,的,类型,和,能量,等。,单位入射粒子流强度引起的电离室输出信号电流或电压幅度：,2.2.3,累计电离室,97,3),线性范围,一定工作电压下，,输出信号,的,幅度,与,入射粒子,流,强度,的保持,线性关系,的范围,(,一般用辐射强度的范围表示,),。,只要电离室工作在,饱和区,，则,信号电流,与,入射粒子流强度,一定成,正比关系,，即,线性关系,。,但是，当,入射粒子流强度,增大时,，,饱和电压将提高,。一旦当入射粒子流强度大到使,饱和电压,超过了原来选好的工作电压,V,0,时，电离室将不再工作于饱和区，信号电流将比预期值小。即出现,非线性,。,2.2.3,累计电离室,98,2.2.3,累计电离室,99,4),响应时间,反映当,入射粒子流,强度,发生,变化,时，,输出信号,的,变化规律,。,对,电压信号,，它跟随辐射强度变化的,响应时间,主要决定于电离室输出回路的,时间常数,R,0,C,0,值,。,T,就是累计电离室,电流信号,的,响应时间,对,电流信号,，其滞后时间将最大为离子收集时间,T,。,对,t,=,0,时的阶跃变化，输出电压为：,一般需要,5,7,R,0,C,0,才能达到平衡。,2.2.3,累计电离室,100,3,、电流电离室的应用,累计电离室的应用比脉冲电离室更为广泛，特别是充入,高压工作气体,的累计电离室，,灵敏度高,、,性能稳定可靠,、,工作寿命长,。,由于其具有十分良好的,承受,恶劣工作环境影响,的能力，所以，在工业上可应用于核辐射,密度计,、,厚度计,、,料位计,、,水分计,、,核子秤,等。,累计电离室还可应用于,剂量,测量、反应堆监测等方面。,2.2.3,累计电离室,101,电流电离室的应用,（,1,）测量,（或,x,射线）的照射量,（,2,）测量吸收剂量,（,3,）测量放射性气体,2.2.3,累计电离室,102,复 习,1,、,a,、,b,两个电离室，对,E=5.3Mev,的能量分辨率为,1.0%,、,2.0%,，试问哪个能量分辨率好？,2,、核辐射探测器可以用来测能量和强度，分别评价这两项的指标是,：（ ）和（ ）。,3,、离子脉冲电离室与电子脉冲电离室的主要差别是什么？,2.2.3,累计电离室,一 简答题,103,1,、设一由二平行金属板构成的电极系统，,极间距离,2cm,，内充氩气,1.5,大气压，二极板上加了,1000,伏的电位差。,问正离子由正极表面漂移到负极表面所需时间为何？,二 计算题,104,2,、计算出如图所示电离室中在,(a),、,(b),、,(c),三处产生的一对离子因漂移而产生的,I,+,(t),、,I,-,(t),、,Q,+,(t),、,Q,-,(t),以及、分别为何？（假定所加电压使电子漂移速度为,10,5,cm/s,，正离子漂移速度为,10,3,cm/s,d=2cm,）。,d,a,b,c,d,a,b,c,d,a,b,c,d,a,b,c,2.2.2,脉冲电离室,105,3,、设在平行板电离室中,粒子的径迹如图所示,径迹长度为,L,假设沿径迹各处的单位路程上产生的离子对数,N,相等,且电子的漂移速度,W,-,试求电子的电流脉冲。,（假设,粒子产生的径迹是在,瞬间完成的。）,2.2.2,脉冲电离室,106,4,有一累计电离室，每秒有,10,4,个,粒子射入其灵敏体积并将全部能量损耗于其中。已知,MeV,，电离室内充的纯氩气，试求出累计电离室输出的平均电流,？,5,有一充氩之电离室,(F=0.2),。试计算用它来测定,5MeV,之能量时，所能达到的最佳分辨率。,2.2.3,累计电离室,107,6,、对于,C=1010,-12,F,的充气电离室（,w=10eV,）,后面接前置放大器，它的最低输入电压为,110,-4,V,（小于这个电压认为是噪声），试求解最低该电离室可以测得的最低粒子能量？,108,2.3,正比计数器,Proportional Counters,109,正比计数器,中，利用,碰撞电离,将,入射粒子,直接,产生的,电离效应,放大了,，使得正比计数器的,输出信号幅度,比,脉冲电离室,显著增大,。,对直接电离效应放大的倍数称为“,气体放大倍数,”，以,A,表示，在一定的工作条件下，,A,保持为,常数,。,正比计数器属于,非自持放电,的气体电离探测器。,2.3,正比计数器,110,1,、正比计数器的工作原理,1).,正比计数器的,结构特点,结构上必须满足实现,碰撞电离,的需要，而在,强电场,下才能实现碰撞电离。,在,一个大气压下,，,电子,在气体中的自由程约,10,-3,10,-4,cm,，气体的电离电位,20,eV,。要使电子在一个自由程就达到电离电位，场强须,10,4,V/cm,。,为达到这一要求，一般采用,非均匀电场,，以,圆柱型,为主。,2.3,正比计数器,111,设计思想,：利用,圆柱形电场,的,特点,在,中央丝极附近,会产生,小范围,的,强电场区域,。,距,中心,为,r,的,场强,：,实例：当,V,0,1000,V,，,a,25,m,，,b,1,cm,时，在,r,0.02,cm=200,m=2% b,处，电场强度相当于,临界场强,。,E,T,=10,4,V/cm,2.3,正比计数器,112,由：,在,r,b,时,场强最小,，,r,a,时,场强最大,。,定义：,对于一个确定的正比计数器，只有当工作电压,V V,T,时，才工作于,正比计数器工作区,，否则工作于,电离室,区。,V,T,称为正比计数器的,起始电压,(,阈压,).,2.3,正比计数器,113,当,V,0, V,T,时，仅在,r,0,a,区间内发生,气体放大,。,一般,r,0,很小,，和,a,是,同一量级,，这样入射粒子在,r,0,内产生电离的可能性很小，可以忽略。因此，在,不同位置,射入的入射粒子,所产生的电离效应,在正比计数器中,都经受,同样的气体放大过程,，都有,同一个气体放大倍数,。,正比计数器输出信号主要由,正离子漂移,贡献。,2.3,正比计数器,114,3,当,存在强电场,的情况下,气体放电,A,、,雪崩,电子在气体中的,电离碰撞,过程。,发生雪崩的阈值电场：,E,T,10,6,V/m,。,115,B,、,气体放大,自持雪崩,：,通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。,也叫自持放电。,非自持放电,：,雪崩从产生到结束，只发生一次。,116,碰撞电离,只有,电子,才能实现。,当电子到达距丝极一定距离,r,0,之后，通过,碰撞电离,过程，,电子的数目不断增殖,，这个过程称为,气体放大过程,，又称,电子雪崩,(,electron avalanche,),。,2).,碰撞电离与气体放大,定义,气体放大倍数,：,2.3,正比计数器,117,(1),发生,气体放大,的截面,正比于,电子的动能,，即,(2),近似认为,电子的能量,就是电子在两次碰撞间从电场,获得的能量,。,可得到如下关系：,当电压足够高，即,V,0,/,V,T,1,时，,2.3,正比计数器,118,结论：,A,仅与,V,0,，,V,T,有关，与,入射粒子的,位置无关,。,教材公式：,(1),，在半对数座标图上近似为,直线,。,2.3,正比计数器,119,3).,气体放大过程中的光子作用,光子反馈,在电子与气体分子的碰撞中，不仅能产生,碰撞电离,，同时也能产生,碰撞激发,。气体分子在退激时会发出,紫外光子,，其能量一般大于阴极材料的表面逸出功，而在阴极打出,次电子,。次电子可以在电场的加速发生,碰撞电离,。这个过程称为,光子反馈,。,2.3,正比计数器,120,定义：,光子反馈概率,为,每个到达阳极的,电子通过光子反馈又在阴极打出一个次电子的,概率,。,由于光子反馈，使得,总放大倍数,增加，为：,当 时，,讨论：,2.3,正比计数器,121,对于光子反馈的影响，注意两点：,(1),光子反馈的过程,(,10,-9,s,),远快于电子的漂移过程,(,10,-6,s,),，,对信号的形成而言,，在,时间上是,同时事件,。,(2),加入少量的,多原子分子气体,M,，它可以强烈吸收气体分子退激所发出的紫外光子而处于激发态,M*,，它不再发出光子而是分解为几个小分子,(,超前分解,),退激。这样,可以阻止紫外光子打到阴极,而,减小光子反馈,，使 曲线的,变化平缓,。,2.3,正比计数器,122,4).,气体放大过程,中正离子的作用,离子漂移速度慢,，在电子漂移、碰撞电离等过程中，可以认为,正离子基本没动,，形成,空间电荷,，处于,阳极丝附近,，会影响附近区域的电场，使,电场强度变弱,，影响电子雪崩过程的进行。,正离子漂移,到达阴极,，与,阴极表面的感应电荷,中和,时,有一定概率,产生次电子,，发生,新的电子雪崩过程,，称为,离子反馈,；也可以通过,加入少量多原子分子气体阻断离子反馈,。,2.3,正比计数器,123,气体放大过程中的,正离子,的“负作用”,多次,雪崩,的脉冲波形示意图,2.3,正比计数器,124,2,、正比计数器的输出信号,假定：,(1),A,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,。这时，,由于,r,0,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。,2.3,正比计数器,125,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。,2.3,正比计数器,126,由于,很,小,，所以,电流随时间而迅速下降,。,2.3,正比计数器,127,电压脉冲信号,与,输出回路时间常数,的选取有关，,与粒子入射位置无关,。,式中,f,(,t,),为,仅,与,R,0,C,0,和,有关,的,时间函数,，,与入射粒子的位置无关,。,2.3,正比计数器,128,2.3,正比计数器,129,输出脉冲,收集极上的感应的,脉冲信号幅度,V,是原初电离感生应脉冲幅度的,A,倍,。,A,：气体放大倍数,N,0,：原初电离对数,C,：电容,：负极性脉冲,优点：,脉冲幅度较大，,比电离室大,10,2,10,4,倍；,灵敏度高 ，适合于探测,低能电子和,X,射线；,脉冲幅度几乎与,原初电离位置,无关。,所以，既能,用于粒子计数器又能做能谱测量。,2.3,正比计数器,130,(1),电流脉冲,I,(,t,),的,形状一定,，,与入射粒子的位置无关,；,输出电压脉冲,为,定前沿,脉冲。,结论：,(2),由于,10,-8,s,，即使,t,100,，,也就是输出电流降为初始的约,1/100,也仅需要,s,量级，可以获得,快,的,响应时间,特性。,(3),当,R,0,C,0,T,时,，获得最大输出脉冲幅度,ANe/C,0,，但不管选取什么,R,0,C,0,的值，电压脉冲幅度均,正比于,ANe,。因此,可选择,小的输出回路时间常数,，获得,好的分辨时间,。,2.3,正比计数器,131,输出回路对脉冲的影响：,正比计数器的脉冲波形：,0,t,1,阶段,初电离,的贡献,t,1,t,2,阶段 主要电子被收集的阶段,幅度上升主要是,电子的贡献,t,2,t,3,阶段 主要是,正离子的贡献,幅度上升的越来越慢,t,3,阶段 达到了饱和幅度阶段,t,1/2,(a/b)t,3,2.3,正比计数器,132,1),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,：,3,、正比计数器的性能,实验表明,，所以，,能量分辨率,2.3,正比计数器,133,影响正比计数器能量分辨率的其他因素：,阳极丝的均匀性。,电子学系统的影响。,末端效应和室壁效应。,负电性气体的存在。,使不同区域,A,不同，故,同样能量,粒子在不同入射位置产生信号的大小不同。,使一些,初级电子消失,，影响输出脉冲幅度。,入射粒子能量,未完全损失,在灵敏体积。,放大器噪声等的影响。,2.3,正比计数器,134,2,）计数曲线和坪特性,计数曲线,：在放射源固定（能量单一，强度一定）的情况下，探测器输出脉冲计数率随,所加工作电压的变化,曲线。,探测器,源,在,实际中,经常要确定在一定的,记录仪器甄别阈值条件,下，正比计数器在辐射源固定不变的情况下测得的计数率与工作电压的关系曲线。这种计数率和工作电压关系曲线称作“,坪特性,”。,正比计数器脉冲幅度随工作电压升高而增大。,2.3,正比计数器,135,2.3,正比计数器,136,2),探测效率和坪特性,坪区,坪区,2.3,正比计数器,137,射线,的幅度谱,2.3,正比计数器,138,3,）、寿命,寿命有两种。,1,、,计数寿命,计数管性能变坏所累计的计数数目。,计数管计数寿命上限为,10,12,；,2,、,自然寿命（搁置寿命）,管子制成后性能变坏所放置的时间。,2.3,正比计数器,139,3,）分辨时间,2.3,正比计数器,140,4,、,正比计数器的应用,a,在能量测量方面的应用,正比谱仪,141,1,）,流气式,4,正比计数器,特点：,1,）,流气,工作方式，保证管内,气体成分不变,，避免,多原子分子,气体分解,的影响。,2,）,测量和放射性的,绝对强度,；放射源放在计数器内，避免窗吸收，测量立体角达到,4 ,。,3,）,变换样品方便，结构密封简单；阳极丝为环状。,2.3,正比计数器,b,在强度测量方面的应用,142,2,）,低能,X,射线正比计数器,鼓形正比计数器。,1,）一般也是,圆柱形结构,，有,侧窗式和端窗式,，窗有各种形状，常用,云母片,(3mg/cm2),、铍片,(100-300m),和有机薄膜,(4-50 m),。,2,）,0.05-1.5KeV,的,X,射线用,充,Ar,流气式正比计数器,；,2-10KeV,的,X,射线,用,100-150 mBe,窗，充,Ar,气,；,10KeV,的,X,射线充,Xe,，以提高探测效率。,2.3,正比计数器,143,1,）三氟化硼,（,BF,3,）,正比计数管,三氟化硼,（,BF,3,）,正比计数管最普通的结构是圆柱形状，中心阳极丝用,钨丝,做成，通过,玻璃或者陶瓷,与外壳绝缘。外壳有,金属和玻璃,两种。若,外壳是金属,，兼做,阴极,。三氟化硼,（,BF,3,）,正比计数管主要用于探测,热中子,。中子的穿透能力强，不需要,特殊的窗,。,原理：,2.3,正比计数器,C,在中子测量方面的应用,144,2,）球形含氢正比计数管,2.3,正比计数器,原理：,145,1,）,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。,2.3,正比计数器,b,在位置测量方面的应用,146,2.3,正比计数器,147,2,）多丝正比室,2.3,正比计数器,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。,148,2.3,正比计数器,基本原理：,149,3,）漂移室,2.3,正比计数器,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,0.1,mm,。,基本原理：,150,复习：,1,、圆柱形正比计数器雪崩发生的地点,（ ）,a,、靠近阳极,b,、靠近阴极,c,、阴极和阳极之间任何位置,2,、,圆柱形正比计数器输出电压信号的主要贡献者,是（）,a,、电子,b,、正离子,c,、质子,3,、,圆柱形正比计数器的气体放大倍数,A,与入射粒子的位置（ ）。,a,、无关,b,、有关,c,、不清楚,4,、,圆柱形正比计数器的输出电压脉冲幅度与入射,粒子的位置（ ）。,a,、无关,b,、有关,c,、不清楚,2.3,正比计数器,151,2.4 G-M,计数管,152,G-M,计数管,是由,盖革,(Geiger),和,弥勒,(Mueller,),发明的一种利用,自持放电,的,气体电离探测器,。,G-M,管,的,特点,是：,灵敏度高、输出电荷量大,脉冲幅度大,、,稳定性高,、,可以制成各种形状、价格便宜、使用方便。,G-M,管,的,缺点,是：,不能鉴别粒子的类型和能量、分辨时间长,、,正常工作的温度范围较小（卤素等略大些）,、,有乱真计数,2.4 G-M,计数管,153,154,155,2.4 G-M,计数管,分 类,非自熄计数器,自猝熄计数器：有机自猝熄计数器,卤素自猝熄计数器,156,1,、,G-M,管的工作机制,由于光子反馈过程的存在，气体放大倍数为：,1,）正离子鞘的形成及自持放电过程,在,正比计数器,中，,光子反馈,和,正离子反馈,的作用,极微弱,，因此，经一次雪崩以后增殖过程即行终止，且,雪崩,只限于,局部,的区域，对一个初始电子仅展宽,200,m,左右。,2.4 G-M,计数管,157,但在,G-M,计数管,中，,光子反馈,和,离子反馈,就成为,主要的过程,。以光子反馈为例，通常条件下， ，当 时，,G-M,管的自持放电过程可以分解为下列环节：,初始电离,及,碰撞电离,过程：电子加速发生碰撞电离形成,电子潮雪崩过程,。,2.4 G-M,计数管,158,放电传播,： 放出的紫外光子打到阴