第四章 气体探测器 §4-1 气体探测器的基本原理 §4-2 三种基本的气体探测器 §4-3 气体多丝室 §4-4 平行板电极型气体探测器 第四章 气体探测器 §4-1 气体探测器的基本原理 §4-2 三种基本的气体探测器 §4-3 气体多丝室 §4-4 平行板电极型气体探测器 §4-5 微电极型气体探测器
气体探测器 工作介质是气体，入射带电粒子引起气体电离。 气体探测器的特点： 物质密度小； 时间响应快； 空间分辨高； 探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制； 没有辐射损伤或极易恢复； 经济可靠。 2019/4/26 粒子探测
§4-1 气体探测器的基本原理 一、气体的电离 气体电离：当带电粒子通过气体时，与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止在探测器中。碰撞的结果使气体分子电离或 激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的电子－离子对。上述电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离，以及由碰撞打出的高速电子（电子）引起的电离。 入射粒子能产生电离的最小能量： 原初电离：入射粒子和气体分子直接作用产生的电离对数目。 次级电离：电离的次级粒子再次和气体分子作用产生的电离对数目。 总电离N0：等于原初电离＋次级电离 平均电离能：带电粒子在气体中产生一对电离粒子所需的平均能。 入射粒子质量 气体原子的电离电位 2019/4/26 粒子探测
入射粒子的能量在气体探测器中的能量损失可分为三部分 1）用于产生电离离子对数 2）用于使气体原子激发 3）转化为气体原子和离子对的动能 因此，产生一对电离粒子所需要的平均能量W比电离电位I0 要大，W称为平均电离能。 入射粒子在气体中损失的能量 平均电离能 2019/4/26 粒子探测
Ionization of gases The actual number of primary electron/ion pairs is Poisson distributed. average number m Detection efficiency For example for 1 mm layer of Ar : mprimary= 2.5 →εdet = 0.92 100 electron/ion pairs created during ionization process is not easy to detect. Typical noise of the amplifier ≈ 1000 e- (ENC) → gas amplification. 2019/4/26 粒子探测
总电离与入射粒子在气体中损失能量成正比，这是我们由总电离的测量来确定入射粒子能量的依据。 混合气体的平均电离能 平均电离能与气体种类有关（p99表4.1.1） 总电离与入射粒子在气体中损失能量成正比，这是我们由总电离的测量来确定入射粒子能量的依据。 实验测得平均电离能是统计平均值，其统计涨落会使单能谱展宽，形成能量测量的固有分辨。 Z：原子序数 P：气体比分 2019/4/26 粒子探测
表4.1.1气体探测器一些常用气体的特征参数 2019/4/26 粒子探测
二、电子和离子在气体中的运动 不加外电场时，电子和离子与气体分子不断碰撞，三种运动状况： 扩散：从密度大的区域向密度小的区域扩散运动 电子吸附：电子被中性气体原子俘获形成负离子 复合：电子和正离子复合形成中性原子 加外电场时，电子和离子沿电场方向分别向正负电极做漂移运动。 漂移运动有利于总电离的收集，是我们需要的。前三种运动不利于总电离的收集，造成能量测量误差，应设法减小它们的影响。 2019/4/26 粒子探测
1. 离子的漂移运动 稳定状态下离子的漂移速度 迁移率与气体性质和电离粒子质量有关。 对重离子就每一种气体而言，其迁移率在相当宽范围内与E/P无关（E/P3103V.cm-1.atm-1），近于常数。当E/P很高时，值不再是与E/P无关的常数。 负离子的值和正离子的值是同数量级的，绝大部分－比＋大一些，这与气体纯度有关。（p103表4.1.3） 电场强度 气体压力 离子迁移率 约化场强 2019/4/26 粒子探测
2. 电子的漂移运动 电子的漂移速度的定性表达式 电子漂移速度的精确计算公式 电子平均自由程 电子速度 2019/4/26 粒子探测
对于电子， 值只在E/P很窄一段范围内近似于常数，在其他范围主要取决于E/P E/P较小时，电子漂移速度比离子漂移速度大三个数量级，约为106cm/s。 电子的漂移速度对气体成分非常灵敏。在惰性气体（如Ar等）中加入多原子分子气体（如CO2和CH4等），可大大增加电子漂移速度。 2019/4/26 粒子探测
存在外磁场时的电子漂移 在外加电场和磁场下，电子受到电场力和洛伦兹力的作用 解方程得电子漂移速度 当电场垂直磁场，漂移速度沿着与电场夹角为的方向 洛伦兹角 漂移速度大小 电子迁移率 电子回旋频率 2019/4/26 粒子探测
3. 电子和离子的扩散 电子和离子因空间密度不均匀而由密度大的空间向密度小的空间扩散。 3. 电子和离子的扩散 电子和离子因空间密度不均匀而由密度大的空间向密度小的空间扩散。 在扩散过程中，电子和离子与气体分子发生多次碰撞，损失能量，最终达到气体的热运动平衡能量分布。在室温下 并遵从麦克斯韦能量分布规律： 粒子密度梯度 单位时间内通过空间一点 单位面积的粒子流数目 扩散常数 负号表示粒子流方向与粒子密度梯度方向相反。 2019/4/26 粒子探测
与气体性质、温度和压强有关。 根据气体动力学，粒子速度遵从麦克斯韦分布，则扩散常数 电子的扩散常数大于离子的扩散常数。 若不存在其他因素的影响，则由于多次碰撞引起的电荷扩散的空间分布遵从高斯分布 粒子杂乱运动速度 平均自由程 经时间t后在距离原点x处 的单元dx中发现电荷的量 这个分布的均方根偏差 线扩散 ： 体扩散： 2019/4/26 粒子探测
对惰性气体在标准气压和室温下单位体积气体分子数 在扩散中平均自由程 对惰性气体在标准气压和室温下单位体积气体分子数 电子和离子的平均自由程 外磁场影响 扩散系数减小有助于气体探测器空间分辨的提高 与能量有关的碰撞截面 单位体积的气体分子数 2019/4/26 粒子探测
4. 电子的吸附效应 电子与气体分子碰撞时被捕获而形成负离子的现象称作电子吸附效应。 4. 电子的吸附效应 电子与气体分子碰撞时被捕获而形成负离子的现象称作电子吸附效应。 电子吸附系数用h表示，定义为在一次碰撞时电子被中性分子吸附的概率。不同的气体有不同的h值。电子能量增加，吸附概率变化（p102，表4.1.2，图4.1.5) h值较大的气体称作负电性气体。如卤素气体、氧气、水蒸气等。 电子被捕获形成负离子后，其漂移速度大大减小，增加了离子复合的可能性，不利于电离数的收集。 减少电子被捕获的方法： 1）使用h值小的气体如惰性气体； 2）纯化气体； 3）在单原子分子气体中掺加少量的双原子或多原子分子气体，提高电子漂移速度，减少电子被捕获几率。 2019/4/26 粒子探测
5. 复合 电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞时发生与电离相反的过程，即复合成中性分子或中性原子。 电子复合：电子＋正离子 复合 5. 复合 电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞时发生与电离相反的过程，即复合成中性分子或中性原子。 电子复合：电子＋正离子 复合 离子复合：负离子＋正离子 复合几率与正负离子密度成正比，则复合率，即单位时间单位体积内正负离子复合的数目： 离子的复合系数比电子的复合系数大几个量级. 复合系数 2019/4/26 粒子探测
三、外加电场对电荷收集的影响 -U0 d + + + + + + + + z - - - - - - - - d + + + + + + + + - - - - - - - - -U0 z 外加电场使电离产生的电子和离子沿电场方向作漂移运动，有利于电荷的有效收集。 2019/4/26 粒子探测
第一区段：复合区 第二区段：饱和区（电离室区） 外加电压很低，离子漂移速度很小，电子吸附效应、扩散效应和复合效应起主要作用。 复合的结果，电子离子数目减少，所以电极收集到的离子对数目小于总电离数目。 第二区段：饱和区（电离室区） 随着外加电压增大，离子漂移速度增大，电子吸附、扩散效应的影响减小，发生复合的机会减小，被收集的电荷数逐渐增加。 当电压达到某一定值Va时，基本不存在复合，总电离数N0全部被电极收集，达到饱和。 在一定电压范围内(Va-Vb)，被收集电荷不再增加，达到饱和。 2019/4/26 粒子探测
第三段区：正比区和有限正比区 工作电压大于Vb后，外加电场很强，电离电子在漂移过程中获得的能量很大，使气体分子再电离，又产生次级离子对。次级电子在漂移时又可能加速到足以再产生次级离子对。如此不断继续下去，使电离的离子对数目比原总电离对数目N0增加很多，称作电子雪崩过程。这种现象称作为气体放大。 经气体放大得到的电荷数N与原总电离数N0之比叫做气体放大倍数。 气体放大倍数随电压的增加而增加。 对确定的探测器，外加电压一定时，放大倍数一定。电极收集的电荷数N正比于原总电离数N0，正比于入射粒子能量。 2019/4/26 粒子探测
由于空间电荷效应的影响限制了气体放大倍数的增长。第三区段的后一区段称为有限正比区。 当电场强度大到一定程度时，产生的大量离子对中的正离子，由于漂移速度很慢，滞留在气体空间，形成空间电荷。它们所产生的电场方向与外电场方向相反，从而限制了次级离子继续增加，这就是空间电荷效应。 由于空间电荷效应的影响限制了气体放大倍数的增长。第三区段的后一区段称为有限正比区。 2019/4/26 粒子探测
第四区段：G－M区 第五区段：连续放电区 进入此区后，随着电压的增加，空间电荷效应越来越强，收集到的电荷又一次饱和，与原总电离N0无关。 由于空间电荷效应的影响，收集的电荷与入射粒子的种类和能量无关。 第五区段：连续放电区 在该区电压继续增加，收集的离子对数再次急剧增加，气体被击穿，发生连续放电。 流光室、火花室就工作在该区段。 2019/4/26 粒子探测
§4-2 三种基本的气体探测器 4.2.1 电离室 在核物理发展早期，电离室曾发挥了重要的作用。 §4-2 三种基本的气体探测器 4.2.1 电离室 在核物理发展早期，电离室曾发挥了重要的作用。 1911-1914年 Hess 和 Kolhorster在一系列电离室测量中发现了宇宙射线； 1932年Chadwich利用电离室测量反冲质子，从而证实了中子的存在； 1939年Frish利用电离室证实了核裂变时释放大量的能量。 …… 至今仍有广泛的应用。如： 测厚、核子秤、集装箱CT等等。 为什么？ 2019/4/26 粒子探测
一、电离室的特点 结构比较简单 工作在饱和区，既不存在正负离子复合，也没有气体放大。 入射粒子电离所产生的全部电子和正离子都被电极收集，输出信号与入射粒子的种类和能量有关。 由于输出信号较微弱，对读出电子学有较高要求，对工作电压电源的稳定性要求也较高。 工作稳定可靠。 2019/4/26 粒子探测
二、电离室的类型 脉冲电离室： 记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度。 电流电离室： 记录大量粒子平均效应，主要用于测量X、、 和中子的强度或通量。 2019/4/26 粒子探测
三、电离室的构造 -U0 阴极 d + + + + + + + + z - - - - - - - - 阳极 主体由两个处于不同电位的电极组成。 电极大多是平行板和圆柱形的，也有球形或其他形状的。 平板电离室的两个电极通常是圆形金属板。为了减少电场的边缘效应，应使两电极的间距远小于它们的直径，且两极板精确平行。 圆柱形电离室中心的收集极一般是一个圆棒或一根金属丝。圆柱形外壳是阴极，用不锈钢、铝、黄铜等材料制成。 电极之间用绝缘体隔开，是电离室的关键部件。 d + + + + + + + + - - - - - - - - 阴极 阳极 -U0 z 2019/4/26 粒子探测
四、电离室的工作气体 电极之间是电离室的有效灵敏体积，充以一定的工作气体。 电流电离室常用的工作气体有纯惰性气体、氮气和空气等，也可用混合气体。 脉冲电离室常用的工作气体大多是惰性气体加少量多原子分子气体。如：Ar+10%CO2，Ar+10%CH4等。 测量中子的电离室，根据中子能量分别充BF3、CH4、H2和3He等，或在电极上覆盖一层浓缩的10B、235U、238U等。 2019/4/26 粒子探测
五、脉冲电离室 脉冲形成 2019/4/26 粒子探测
输出脉冲幅度 距集电极x处电荷 距集电极x处电位 2019/4/26 粒子探测
平板电离室的脉冲幅度 各点电场强度均匀 在x处电位 代入电压公式 2019/4/26 粒子探测
圆柱形电离室的 脉冲幅度 2019/4/26 粒子探测
脉冲电离室输出脉冲波形 2019/4/26 粒子探测
几点结论 电离室及所有气体探测器的输出脉冲都是由于电子和正离子分别在阳极上感应的电荷产生的，它始于离子对生成，终于离子对全部收集。 脉冲的变化率取决于漂移速度。在t< T-时间内，脉冲前沿主要是电子的贡献，构成脉冲的快成分，但它的幅度与电离 产生的地点有关；在T-< t < T+时间内，主要是离子贡献，这是脉冲的慢成分。最终脉冲幅度只决定于总电离对数目，与电离地点无关。 负离子的形成会使脉冲的快成分受损失。所以脉冲电离室要注意气体纯度，减少负电性气体杂质。 2019/4/26 粒子探测
脉冲电离室输出电流脉冲大小 平板电离室不通过电阻R而直接接高压V0，阴极接地。 2019/4/26 粒子探测
脉冲电离室输出电流脉冲波形 t1：开始有电子到达集电极的时间；t2：全部电子到达集电极的时间 2019/4/26 粒子探测
六、脉冲裂变电离室 探测中子通量的涂裂变物质的脉冲电离室，工作在收集电子方式。 使用电压脉冲输出，电离室和前置放大器尽可能靠近。 电离室工作在高温、高辐照本底场合。前置放大器和测量仪器必须远离电离室，只能使用电流脉冲输出和电流放大器。由于电流放大器输入阻抗极低，长电缆影响就小。 2019/4/26 粒子探测
脉冲电离室的坪特性 甄别阈坪特性 2. 高压坪特性 2019/4/26 粒子探测
七、电流电离室 记录大量入射粒子引起的总电离效应，平均电离电流。 根据测得的电离电流可以确定粒子束或源的强度。 用饱和电流曲线表示电流电离室的工作特性。 影响饱和特性的因素： 1) 射线的种类和强度； 2) 充气的种类和纯度； 3) 电离室的结构等。 2019/4/26 粒子探测
4.2.2 正比计数器 工作于正比区，发生气体放大现象，即被加速的原初电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子雪崩。 4.2.2 正比计数器 工作于正比区，发生气体放大现象，即被加速的原初电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子雪崩。 收集极上的感应的脉冲信号幅度V是原初电离感应脉冲幅度的M倍。 优点： 脉冲幅度较大，比电离室大102－104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。 M：气体放大倍数 N0：原初电离对数 C：电容 －：负极性脉冲 2019/4/26 粒子探测
一、工作原理和脉冲波形 1.Gas amplification Electrons liberated by ionization drift towards the anode wire. Electrical field close to the wire( few tens of m) is sufficiently high (>10kV/cm) for electrons to gain enough energy to ionize further---avalanche –exponential increase of number of electron ion pairs. 2019/4/26 粒子探测
电子倍增和气体放大 气体放大倍数 电子倍增过程由于横向扩散发展 呈液滴状。 由于电子漂移速度比离子大三个 量级，电子很快被阳极收集，剩 下正离子云向阴极漂移。 气体放大倍数 若不考虑光电效应，M与原初电离 无关，仅与探测器结构参数工作条 件有关。当较小时，近似有： 电子在2次碰撞之间 从电场获得能量 与气体有关 常数(cm2/V) 单位体积内气体分子数 2019/4/26 粒子探测
半径r处电场 阳极丝表面，阈电压VT， 第一汤生系数 气体放大倍数 当 其中 2019/4/26 粒子探测
2. 输出信号 电荷为Q的电子运动dr距离,在总电容lC的等效回路中感应的信号幅度变化dv 电子雪崩发生在阳极丝表面几个微米处,时间<1ns. 阳极和阴极感应信号是电子和离子运动的共同贡献. 电子被阳极很快收集,运动的距离很短,对信号幅度的贡献很小,百分之几. 离子全部到达阴极时感应信号为最大值 不同微分时间常数,脉冲形状不同（幅度、宽度） 2019/4/26 粒子探测
二、正比计数器的特性 坪特性： 坪长 坪斜 起始电压和工作电压 坪特性与工作气体类型、混合比、压强、以及管子的尺寸有关。 2019/4/26 粒子探测
能量分辨率和能量线性响应 高计数率特性 (100us 10kHz) 探测效率 (透射率x吸收效率) 寿命 （计数寿命，搁置寿命） 输出脉冲幅度正比于入射粒子能量； 主要受空间电荷效应限制。 高计数率特性 (100us 10kHz) 探测效率 (透射率x吸收效率) 寿命 （计数寿命，搁置寿命） 2019/4/26 粒子探测
三、正比计数器的构造和应用 BF3正比计数器和其他中子探测器 1）BF3正比计数器结构为圆柱形管状，中心阳极丝是钨丝，外壳有金属和玻璃两种。金属外壳兼做阴极。无需特殊窗。内充BF3气体。做慢中子计数器。 2）利用核反冲法的含H的正比计数器和利用核反应法的3He的正比计数器，用以测量中子能谱。 X射线和低能射线正比计数器 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。 2019/4/26 粒子探测
放射源放在计数器内，避免窗吸收，测量立体角达到4 。 流气式4正比计数器 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 。 位置灵敏正比计数器 用于人造卫星上全天空X射线监测的正比计数器，由6个单独的正比计数器组成，相互间用金属丝隔开。中间一个是主计数器，其他5个作反符合单元使用。 2019/4/26 粒子探测
4.2.3 G-M计数器 工作在电离放大曲线的第五区，M>105。 电子雪崩持续发展，形成自激放电，增殖的离子对总数与原电离无关。Q0＝MN0e＝常数。 优点： 1）灵敏度高；2）脉冲幅度大；3）稳定性高 4）计数器大小和几何形状可以按要求有较大变化； 5）使用方便，成本低，制作工艺和仪器电路均较简单。 缺点： 1）不能鉴别粒子的类型和能量； 2）分辨时间长，不能用于高计数率场合； 3）正常工作的温度范围小； 4）有假计数。 2019/4/26 粒子探测
G－M计数器的种类 一、G－M计数器的工作原理 电子倍增和气体放大 光子－光电子倍增 有机管：惰性气体＋酒精、乙醚、石油醚、正戊烷等。 卤素管：惰性气体＋卤素分子气体，如：溴气、氯气。 一、G－M计数器的工作原理 电子倍增和气体放大 光子－光电子倍增 入射粒子除了产生电离效应以外，还会使原子激发，原子 退激发过程中产生的光子，可能在阴极或气体内打出光电子， 这些光电子在向阳极漂移过程中经电场加速又引起新的增殖。 又会引起雪崩电离。 设初始产生N0个电子，气体放大倍数为M0，每个电子产生 一个光电子的几率为，则 2019/4/26 粒子探测
光子－光电子倍增 在G－M计数器中， M0已经很大，所以M0>1，即一次光子－光电子增殖过程后产生的光子数比倍增前的光子数多，或者说一个电子倍增后产生的光电子数大于1，故新的增殖过程将继续，在气体放大中起主要作用。 由于光子各向同性发射，气体放大不再只局限在初始电离所限定的小范围内，而是在气体内或阴极上到处产生光电子，使离子增殖沿阳极丝方向扩展，以至整个阳极丝附近都会产生正负离子对。这种现象称作雪崩再生。 2019/4/26 粒子探测
正离子鞘：阳极丝附近产生的大量正负离子对，电子很快漂移到阳极而留下大量正离子，它们包围住阳极丝，形成一个正离子鞘，使阴极电场下降，气体放大倍数相应地减小，直到阳极丝附近电场下降至使M01，从而不再产生光子－光电子增殖为止。 输出脉冲：基本上是由于正离子鞘运动的结果。在电场作用下，正离子鞘向阴极移动，在阳极上感应出一个电压脉冲，其大小决定于正离子鞘的总电荷，而与入射粒子的种类、能量、初电离地点无关。 2019/4/26 粒子探测
猝灭：当正离子到达阴极时，将和阴极的金属电子中和，中和放出的电离能和阴极材料电子的脱出功之间的能量差，不是以光子形式辐射，就是直接在阴极上产生电子进入气体。此时中心阳极附近的电场已经恢复，这些电子可能引起新的雪崩，形成第二次放电，出现第二个脉冲。将会造成假计数，形成多次放电振荡现象或连续放电。因此必须消除二次放电。这叫猝灭。 猝灭的两种办法： 1）外电路猝灭：利用计数器输出的负脉冲。 2）自猝灭：在惰性气体中加少量多原子分子气体，充酒精的叫有机管，充卤素气体的叫卤素管。 2019/4/26 粒子探测
猝灭的机制 猝灭气体的电离电位比惰性气体的低。例如Ar是15.8eV，而酒精是11.3eV 。当Ar 的正离子鞘向阴极移动时，与酒精分子碰撞，Ar离子很容易夺走酒精分子的电子而还原成Ar原子，酒精分子则变成正离子，并放出一个能量很小的光子，这些光子又被酒精分子强烈吸收。由于酒精含量不少，所以Ar离子几乎全部被还原，最后到达阴极的实际上都是酒精离子。酒精离子在阴极打出次级电子的几率很小，主要是从阴极获得电子而被中和，变成激发态的分子，然后通过自身的离解而释放多余的能量。这个几率比从阴极打出电子的几率大106倍，因此不会再发生第二次放电。 2019/4/26 粒子探测
脉冲波形 由于M很大，故G－M计数器输出幅度很大，可达1V以上，且不随入射粒子种类和能量变化，即Q0是常数。 利用RC微分可以使脉冲变窄，但分辨时间不能减少很多。GM计数器的分辨时间由正离子鞘的漂移时间决定，约100 ~ 300µs。负载电阻选5 ~15M。R太大会使RC大于上述死时间，R太小，坪特性变坏。 2019/4/26 粒子探测
二、G－M计数器的特性 死时间和分辨时间 死时间：阳极附近电场强度恢复到足以再引起雪崩增殖的时间。与气体成分、气压、工作电压及几何因素有关 恢复时间：脉冲幅度恢复到正常幅度的时间。 分辨时间：脉冲幅度恢复到记录系统的甄别阈水平能被记录下来的时间。 2019/4/26 粒子探测
分辨时间对计数率线性的影响 设n为单位时间内记录到的计数，由于每次计数后有时间不灵敏，因而单位时间内总的不灵敏时间为n。如果单位时间内入射粒子产生的真正计数为n0，则单位时间内因为不灵敏时间n而漏记的粒子数为n0 (n)应等于真正计数率减去实际记录的计数率 2019/4/26 粒子探测
二、G－M计数器的特性 坪特性和寿命 有机管：坪长200－300V，坪斜0.05－0.1％/V ，寿命>108脉冲 2019/4/26 粒子探测