清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器课件.ppt

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1、清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,1,辐射探测学第四章 气体电离探测器,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,2,为什么要讨论探测器？,射线是普遍存在、应用广泛的； 类型不同：，中子 来源不同： 人工射线 反应堆 加速器 同位素源 天然射线 40K：1.46MeV 208Tl：2.61MeV 能量不同： 137Cs：0.662MeV 60Co：1.17MeV,1.33MeV,那么，我们是如何感知射线的存在，并知道射线的种类、能量、强度、时间等信息呢？,我们感兴趣的是：射线电信号的探测器：,需要探测器,气体电离室 闪烁探测器 半导体探测器 ,清华大学工物系

2、电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,3,什么是电离辐射探测器？,将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件，称之为电离辐射探测器，简称探测器。,探测器是怎样形成信号的？,辐射粒子射入“灵敏体积”,入射粒子与灵敏体积内的工作介质相互作用，损失能量并形成电离或激发,探测器通过自身特有的工作机制将入射粒子的电离或激发效果转化为某种输出信号。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,4,在学习各种探测器时，应掌握四方面的内容：,探测器的工作机制 入射粒子的能量转换为输出信号的物理过程是怎样的？ 谁、如何携带了我们需要的关于射线的信息？,探测器输出信号的特点，包括对信号的估算及涨落分析

3、,探测器的主要性能,探测器的典型应用,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,5,“主角”载流子：各种探测器关注的核心问题,按探测介质和作用机制，探测器可分为三类：,气体电离探测器,闪烁体探测器,半导体探测器,Charge Carrier （信息）载流子,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,6,气体电离探测器： 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。 按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比计数器、G-M计数器以及SQS计数器等。,不断发展 1992年，法国科学家G. Charpak因发明多丝气体正比室获得诺贝尔物理奖

4、1997年，Cern的科学家Sauli发明GEM探测器 BNL的RHIC-STAR实验：MRPC,历史悠久 是最早被使用的射线探测器 居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时，用到了电离室 Chadwick 发现中子时，用G-M计数器来测量质子,仍在使用 剂量仪中的G-M计数器 测量中子的BF3、3He正比计数器 集装箱检测系统的气体电离室探测器,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,7,4.1 气体中离子与电子的运动规律 4.2 电离室的工作机制和输出回路 4.3 脉冲电离室 4.4 累计电离室 4.5 正比计数器 4.6 G-M计数管,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体

5、电离探测器,8,4.1 气体中离子与电子的运动规律,气体的电离与激发 载流子的产生 气体中离子、电子的漂移与扩散运动 载流子的移动 气体放电 载流子的“增多”,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,9,一. 气体的电离与激发载流子的产生,关于“电子离子对”，请大家思考两个问题：,它们如何形成？ “电子离子对”是怎样形成的？,如何携带信息何以胜任“主角”？ 为什么“电子离子对”可以作为“信使”，在射线和我们（观察者）之间架起认知的“桥梁”？,对载流子无贡献,在探测器的介质中,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,10,气体中的平均电离能,若能量为E0的入射粒子

6、将能量全部损失在气体介质中时，产生的平均电子离子对数为：,平均电离能W：带电粒子在气体中产生一个“电子离子对”所需的平均能量。,能量为E0的射线进入探测器灵敏体积,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,11,二. 电子与离子在气体中的运动载流子的移动,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，会发生以下物理过程：,扩散（Diffusion） 电荷转移效应（Charge transfer） 电子吸附（Electron Attachment） 复合（Recombination）,1. 不存在外加电场的情况,分两种情况来看： 没有外

7、加电场的情况 有外加电场的情况,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,12,(1) 扩散(Diffusion),扩散：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。,由气体动力学，可得到扩散方程：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,13,若电离粒子的速度遵守麦克斯韦分布，则扩散系数 D 与电离粒子的杂乱运动的平均速度 之间的关系为：,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 扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离产生位置信息的确定有一定影

8、响,随着时间的推移，将扩散为空间高斯分布,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,14,(2) 电荷转移效应(Charge transfer),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。 后面在讨论G-M管时会用到。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,15,(3) 电子的吸附和负离子的形成,吸附：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,

9、清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,16,负电性气体： 例如O2、H2O的h10-4，卤素达h10-3 非负电性气体： h小(h 10-6)的气体：惰性气体、H2、N2、CH4、多原子分子气体。,在与气体分子发生的每次碰撞中，电子都有可能被俘获，这个概率称为该气体的吸附系数 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？,电子被俘获形成负离子，很容易和正离子发生复合效应，减弱电离的效果，因此是不利的。 气体探测器的工作气体应尽量选择吸附系数小的气体。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,17,(

10、4) 复合(Recombination),有两个过程： 电子与正离子 负离子与正离子 它们相遇时可能复合成中性的原子或分子。,Recombination,e-,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,18,一旦形成了负离子，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（大23个量级）。,电子和离子的复合系数,复合的结果是把许多有用信号给复合掉（载流子减少） 使有用的信号减少（幅度降低、统计性变差） 因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,19,离子和电子在外加电场中的漂移,离子和电子，

11、由于热运动和空间分布不均匀： 扩散 在外加电场下： 沿电场方向发生定向漂移,这种运动称为“漂移运动” 定向运动的速度为“漂移速度”,存在外加电场的情况,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,20,对于离子：,离子的迁移率近似为常数。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,21,对于自由电子：,电子与气体原子发生弹性碰撞时，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,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,22,电子的漂移速度与约化场强不成

12、正比，可用函数表示：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,23,(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敏感,在单原子分子气体中加入少量多原子分子气体（如CO2、H2O等）时，电子的漂移速度有很大的增加。,重要特点：电子与离子漂移的区别,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,24,三. 气体放电载流子“增多”,雪崩(avalanche),电子在气体中的碰撞电离过程。,发生雪崩的阈值电场：ET 106V/m。,电离产生的电子（除了电子）能量较低，无法再形成电离。 当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得能量

13、。 随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。 弹性碰撞激发电离。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,25,能“触发”雪崩的其它因素,要实现雪崩效应，需要具备哪些条件？,1. 足够强的电场,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,26,气体放大,自持放电： 通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。,非自持放电： 雪崩从产生到结束，只发生一次。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,27,小结：气体中离子与电子的运动,统计性,1. 没有外加电场,2. 有外加电场,统计性？,光致电离,二次电子发射,如果电压继续提高，电场强度再增大，会怎

14、样？,雪崩,法诺分布,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,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,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,29,4.1 气体中离子与电子的运动规律 4.2 电离室的工作机制和输出回路 4.3 脉冲电离室 4.4 累计电离室 4.5 正比计数器 4.6 G-M计数管,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,30,4.2 电离室的工作机制与输出回路,电离室的基本结构 工作气体 输出信号产生的物理过程 电离室的输出回路,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士

15、课程4气体电离探测器,31,一. 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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,32,平板型电离室,高压,负载电阻,外壳,绝缘子,射线,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,33,圆柱型电离室,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,34,二. 工作气体,气体压力：从10-110大气压。,充满电离室内部空间，是电离室的工作介质 应选用电子吸附系数小的气体,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。

16、但也可以是流气的。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,35,三. 输出信号产生的物理过程怎样数清楚N？,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,36,奥-高定律：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,37,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+e电荷沿电场向收集极b运动，则上极板a上感应电荷q1减少，下极板b上感应电荷q2增加。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,38,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极板上的感应电荷为-e,当+

17、e到达b极板， +e与b极板上的感应电荷-e中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,39,类比考虑：+e-e，又该当如何？请同学们自行推导过程,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：,相应在外回路流过电流为i -(t) ，电流方向与i +(t)相同。,q1和q2的大小分别与正电荷时相同,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,40,这二者什么关系？,重要关系：正负电荷“搬运”的电荷外电路流过电荷量,注意：这里有个前提正负电荷是从同一个点开始运动的。,先想想，它成立吗？,清华大学工物系电离辐射探

18、测工程硕士课程4气体电离探测器,41,小结：关于感应电荷与电流,(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) (2)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。 (3)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。,(4)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； (5)+e、e电荷漂移结束，流过外回路的总电荷量为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。,射线电离所产生的任何一个“电子离子对”+e、e，是来自于同一个中性原子(分子)的，因此，其产生位置当然是同一位

19、置，故前述前提是天然成立的。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,42,射线电离所产生的任何一对载流子“电子离子对”，在电场作用下完成漂移后，外电路流过的电荷量为：e 这个电荷量是与该“电子离子对”的位置无关的。,结论1：,总电流,总电量,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,43,四.电离室的输出回路,输出回路：输出信号电流流过的所有回路。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,44,总电阻,总电容,RL ：负载电阻；,C1 ：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；,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课

20、程4气体电离探测器,45,电离室的工作方式可分为：,1) 脉冲型工作状态,2) 累计型工作状态,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,记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状态的电离室称为：累计电离室,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,46,4.1 气体中离子与电子的运动规律 4.2 电离室的工作机制和输出回路 4.3 脉冲电离室 4.4 累计电离室 4.5 正比计数器 4.6 G-M计数管,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,47,4.3 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

21、效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间等信息。,以下讨论假设： 入射粒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,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,48,脉冲电离室的输出信号 圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室 脉冲电离室输出信号的测量 脉冲电离室的性能,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,49,一. 脉冲电离室的输出信号,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,电离室灵敏体积内产

22、生N个离子对并全部被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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,50,(1) 负载电阻RL=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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,51,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功的功率：,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,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,52,求解得到 t 时

23、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）,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,53,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,t2 为开始有正离子到达b极板的时间；,几个重要时刻：,t1 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：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,54,外回路的电流,清华大学工物

24、系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,55,RL0的情况,(2) 负载电阻RL0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,总电容,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,56,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WO(t), C1的储能发生变化(消耗功率)WC1(t), 灵敏体积内电子正离子在电场下漂移所消耗的功率We(t),能量守恒,根据能量守恒：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,57,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,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士

25、课程4气体电离探测器,58,a极板的电位不再为常数，而为V(t),电容C1的储能为, 电容C1的储能发生变化,输出回路功率WO(t),清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,59,能量守恒,令：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,60,(A) 由于V(t) V0,称为电离室的总电流信号。,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：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,61,(B) 电离室可以用电流源I0(t)和C1并联等效。并可得到其输出回路的等效电路,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气

26、体电离探测器,62,3. 电离室的输出电压信号,解微分方程,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,63,(1)当 时，即全部电子和正离子对输出信号都有贡献。,在t T+时间内,当t = T+时,当t T+时,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,64,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,65,结论（离子脉冲电离室）,在t = T+时，输出电压脉冲幅度,C0越小，h越大。为此须降低C0(C1,C,C入),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)，这会导致：,入射粒子的强度不能太大 并且要

27、求放大器电路频带非常宽，噪声大而非实用,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,66,(2) 当 ，正离子漂移的贡献可以忽略，,在t T时间内,当t T时,当t T时,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,67,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,68,结论（电子脉冲电离室）,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。,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。,工作于这种状态的电离室称为电子脉冲电离室。,？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。,清华大

28、学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,69,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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,70,(3) 影响输出信号形状的因素,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,71,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,72,关于电离室输出电压信号的一些重要结论,(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。,(A) 电子离子对一旦形成，立即就

29、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。,(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103s量级。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,73,脉冲电离室小结：特点与问题？,离子脉冲电离室,电子脉冲电离室,问题？,R0C0T，电子和离子信号均对输出电压信号有贡献。,TR0C0T，只有电子信号对输出电压信号有贡献。,准确测量入射粒子能量？,实现高计数率？,高信噪比？,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,74,二. 圆柱型电子脉冲电离室和屏栅电离室,1. 圆

30、柱型电子脉冲电离室,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,75,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,沿轴向观察圆柱形电离室,电子电压脉冲幅度与r0的关系,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,76,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r0较大时，h(r0)与r0之间的关系就不显著了。 同时由于圆柱形的几何条件，r0小的区域只占很小的一部分体积，大部分入射粒子都在r0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。为什么？,

31、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：,设全部离子对在r0处产生，其电位为,电子脉冲电离室必定要满足,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,77,2. 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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,78,入射粒子在a区产生电子离子对。,由于栅极的屏蔽作用，a区的电子离子不会在阳极A上产生感应电荷。,电子在b区漂移时，在阳极A上形成感应电荷。,Q = Ne,结构要求：入射粒子将全部能量损失在a区，即 aR 。,清华

32、大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,79,屏蔽系数：,栅网参数：,时滞：,上升时间：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,80,三. 脉冲电离室输出信号的测量,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。,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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,81,脉冲电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。,气体电离室,多道分析器,单道分析器,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,82,四. 脉冲电离室

33、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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,83,能谱（脉冲幅度谱）是怎样形成的？,例如：1MeV粒子形成的能谱。每个粒子电离产生的离子对数目是随机的，服从法诺分布，因此外电路形成的电压信号的幅度也是涨落的，进而通过多道分析器得到的ADC结果也是一个随机数。,1MeV粒子,随机离子对数,随机电压幅度,ADC结果(随机),被探测到的粒子数编号,1,2,100,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程

34、4气体电离探测器,84,重要定义：能量分辨率,半宽度,多道测量的脉冲幅度谱,能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,85,由关系式：,电离室输出脉冲幅度同样服从高斯分布,电离过程中的多次碰撞之间并非是完全独立的,泊松分布,离子对数目服从高斯分布,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,86,幅度平均值：,标准偏差：,相对标准偏差：,且有：,能量分辨率为：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,87,2. 脉冲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,影响因素：离子和电子的复合

35、或扩散效应。,饱和区斜率的原因： 随工作电压的升高而使 灵敏体积增加 复合现象的抑制 对扩散的抑制,工作高压饱和电压,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,88,3. 脉冲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，称为坪特性曲线。,入射粒子束流强度不变 入射粒子的能量不变,h1,h2,h3,-电离室的计数率与工作电压的关系,三条曲线不同 是观察不同？ 还是实际信号不同？,饱和特性与坪特性形状上类似，但意义完全不同。不要混淆。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,89,4. 探测效率,定义1：绝对探测效率(absolute det

36、ection efficiency),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。,原因：有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来 带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量。 电离过程是涨落的。,对带电粒子,定义2：本征探测效率(intrinsic detection efficiency),对、中子等中性粒子：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,90,5. 时间特性常用三种指标,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。,时滞 入射粒子的入射时刻与输出脉冲产

37、生的时间差。,时间分辨本领 由探测器输出脉冲来确定入射粒子入射时刻的精度。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,91,4.1 气体中离子与电子的运动规律 4.2 电离室的工作机制和输出回路 4.3 脉冲电离室 4.4 累计电离室 4.5 正比计数器 4.6 G-M计数管,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,92,4.4 累计电离室,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”。,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n0(x,y,z)对离子对。

38、则在灵敏体积内单位时间的总离子对数为,恒定状态下，输出直流电流信号：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,93,累计电离室的输出信号 累计电离室输出信号的涨落 累计电离室的主要性能 累计电离室的应用,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,94,一. 累计电离室的输出信号,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RL = 0 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，则电流电离室输出的：,直流电压信号的平均值,电流信号的平均值,清华大

39、学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,95,二. 累计电离室输出信号的涨落,假设，每一对离子产生后将立即使探测器产生一输出信号：,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，而且这两个值均不随时间变化。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,96,这样，在任一时刻 t ，探测器的总输出信号是此时刻以前在探测器内产生的各个离子对所产生信号在此时的所取值的叠加。,下面5页自学,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,97,用M表示在t以前的与间隔内入射粒子流在探测器内产生的离子对数。,t 时刻

40、的总信号St 应当是 t 以前(由0)产生的离子对在 t 时刻的信号的总和，即：,这些离子对的信号经过 时间到达 t 时刻的信号为：,自学,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,98,M是t以前的与间隔内的n个入射粒子分别在探测器内产生的离子对数Ni 的总和。,M平均值为：,M方差为：,这样，M显然是由n及N串级而成的串级型随机变量。,自学,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,99,M方差为：,n遵守泊松分布：,N遵守法诺分布：,自学,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,100,由于,而且，不同内产生的M是相互独立的。,令：,自学,清华

41、大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,101,下面分析 St的相对均方涨落,由于独立随机变量和的方差是各方差的和。,有：,所以：,自学,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,102,则 St的相对均方涨落为：,累计信号的相对均方涨落主要决定于入射粒子数的涨落。,从式子可以看出:,粒子入射探测器后产生的离子对数N的涨落对于累计信号的相对均方涨落的影响很小。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,103,当近似用宽度为T的矩形脉冲代表一对离子所产生的电流信号 f()， 求输出电流信号及其相对均方涨落。,则：,输出电流信号平均值：,输出电流信号相对均

42、方涨落为：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,104,当RL0时，在输出端输出一直流电压信号，一个离子对漂移在输出回路所产生的电压信号近似为一指数衰减信号：,则：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,105,则，输出电压信号平均值为：,输出电压信号相对均方涨落为：,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,106,这样，累计电离室工作状态要求其输出电流或电压信号的相对均方涨落要远小于“1”。,即：,电流脉冲宽度 要远大于 入射粒子平均时间间隔,输出回路的时间常数 要远大于 入射粒子平均时间间隔,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体

43、电离探测器,107,或强到在离子收集时间 T 内就有大量粒子入射，即使R0C0 =0， I0(t) 也反映了大量粒子的平均电离效应。,累计工作状态的物理意义为：,这两种情况下，电离室均工作于：累计电离室工作状态,入射粒子流强度足够大，以至在R0C0 时间内的入射粒子数远大于1；,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,108,小结 (脉冲与累计电离室),“脉冲电离室”与“累计电离室”仅是电离室的两种工作状态 由入射粒子流的强度及输出回路的时间常数决定。电离室结构并无本质差别。,即输出电流的涨落很小，输出为直流电流信号；,即输出电压的涨落很小，输出为直流电压信号。,清华大学工物系

44、电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,109,三. 累计电离室的主要性能,与脉冲电离室一样具有饱和特性曲线，一般工作于饱和区。,1. 饱和特性,饱和电压：90,放电电压,斜率： 灵敏体积的增大 复合的抑制 漏电流 ,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,110,灵敏度,影响灵敏度的因素:,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：,电离室的结构 气体压力和组分 入射粒子的类型和能量等,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,111,3. 线性范围,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。,一定工作电压下，输

45、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) 。,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 V0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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,112,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,113,4. 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。T就是累计电离室电流信号的响应时间。,对t = 0时的阶跃变化，输出电压为：,一般需要57R0C0才能达到平衡。,反映当入射粒子流强度发生变化时，输

46、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R0C0值。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,114,5. 能量响应,一般情况下，希望灵敏度与辐射能量无关，即相同的照射量率不因辐射能量不同而造成不同的输出。,即灵敏度随入射粒子能量而变化的关系。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,115,四.累计电离室的应用,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

47、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。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,116,第四次课结束,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,117,对低能粒子测量的问题？,使用脉冲电离室对低能粒子测量时，由于放大器噪声的存在，信噪比很小，测量难于进行。,如果能够对电离信号进行放大，可以提高信噪比，这样就可以对低能粒子（如100keV以下的X射线）进行测量了。,正比计数器,1MeV的粒子，若W=30eV，则:,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,118,4.1 气体中离子与电子的运动规律 4.2 电

48、离室的工作机制和输出回路 4.3 脉冲电离室 4.4 累计电离室 4.5 正比计数器 4.6 G-M计数管,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,119,4.5 正比计数器,利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应进行放大了，使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大。 正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,120,4.5 正比计数器,正比计数器的工作原理 正比计数器的输出信号 正比计数器的性能 正比计数器的应用 GEM探测器,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,121,一. 正比计数器的

49、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存在强电场。 在一个大气压下，电子在气体中的自由程约 10-310-4cm，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。 为达到这一要求，一般采用非均匀电场，以圆柱型为主（盘、球亦可）。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电离探测器,122,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：,例如：V=1000V, a=0.002cm, b=1cm时， E(r =0.02cm)=8103V/cm ; E(r =0.005cm)=3.23104V/cm 。,清华大学工物系电离辐射探测工程硕士课程4气体电