核辐射探测器硕张课件.ppt

1、2023-1-21/84核辐射探测器核辐射探测器利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测的元器件称为核辐射探测器核辐射进入探测器灵敏体积后与探测介质相互作用，探测器输出能够直接或间接的反映核辐射种类、强度、能量或核寿命等的信息常用的有三大类：气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器这三类探测器都是把核辐射转变成为电信号，再由电信号处理设备进行分析和处理2023-1-22/84探测器的三个关键点探测器的三个关键点v 如果按照技术指标和用途的差别来区分，三类探测器中每一类都有很多种。在此侧重讲述在学习这三类探测器时需要了解的三个方面：探测器把核辐射转变为电信

2、号的物理过程探测器的输出回路及其与探测器输出电信号的关系探测器的主要技术指标及其用途2023-1-23/84核辐射转变为电信号的核辐射转变为电信号的阶段阶段第一阶段：入射的粒子射入探测器的灵敏体积，通过与探测器物质的相互作用，转变或产生出带电粒子。第二阶段：被电离或激发的原子，在探测器的外加电场中作定向移动，为探测器外部负载电路提供信号 2023-1-24/84探测器种类探测器种类气体探测器：电离室：脉冲电离室、电流电离室、累计电离室；正比计数器、G-M计数管；闪烁探测器：NaI（Tl）(碘化钠（铊激活）单晶谱仪；BGO（锗酸铋）探测器半导体探测器：金硅面垒半导体探测器、高纯锗（HPGe)探测

3、器、锂漂移硅探测器；其它探测器：原子核乳胶、固体径迹探测器、气泡室、火花放电室、多丝正比室、切伦科夫计数器、热释光探测器2023-1-25/84气体探测器气体探测器2023-1-26/84气体探测器气体探测器气体探测器：一个内部充有特定气体、两电极间（高压极和收集极）加有电场的小室型探测器。气体探测器是最早使用的核辐射探测器，尽管其他探测器发展很快，但是它具有结构简单，使用方便等优点，至今仍被广泛使用。常用的气体探测器有电离室、正比计数管和盖革-米勒计数管（Geiger-Mller，简称G-M）2023-1-27/84工作概况工作概况气体探测器通常是由高压电极和收集电极组成，常见的是两个同轴的

4、圆柱形电极，电极间充气体并外加一定的电压。辐射使电极间的气体电离，生成带电粒子。带电粒子在电场作用下向两极漂移。随着带电粒子到两极的距离发生变化，极板上的感生电荷数发生变化，回路中产生电流信号。2023-1-28/84气体原子的电离和激发气体原子的电离和激发带电粒子使气体原子电离而形成电子和正离子对的现象叫做气体的电离，电离出来的电子称为次级电子带电粒子直接产生的电离叫做原电离，次级电子产生的电离叫做次电离，原电离和次电离之和为总电离平均电离能：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30eV若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的为WEN0

5、 2023-1-29/84激发和退激激发和退激带电粒子使气体原子激发，在10-9s内退激，释放光子被激发原子的退激方式有：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发射俄歇电子2023-1-210/84电子与离子在气体中的运动电子与离子在气体中的运动无外加电场存在时，已产生的电子和正离子与气体分子一样，处于一种杂乱运动的状态，同时存在着扩散，最终与气体分子达到热平衡状态，已产生的离子对消失，不能形成电流。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。电子的平均自由程和杂乱

6、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。2023-1-211/84离子对的漂移离子对的漂移 PEU 度甚至可增大一个量级。2023-1-212/84离子对的漂移离子对的漂移 电子在气体中的飘逸速度2023-1-213/84吸附效应吸附效应分2023-1-214/84复合效应复合效应复合复合有两个过程：有两个过程：电子电子与与正离子正离子，或，或负离子负离子与与正正离子离子，相遇时可能，相遇时可能复合成中性复合成中性的原子或分子的原子或分子复合引起的复合引起的离子对数目离子对数目的的损失率损失率：为为复合系数复合系数一旦形成了一旦形成了负离子负离子，

7、其，其运动速度运动速度远小于远小于电子电子，正，正离子与负离子的离子与负离子的复合系数复合系数要要比比正离子与电子的正离子与电子的复复合系数合系数大得多大得多复合的结果是把许多复合的结果是把许多有用信号有用信号给给复合掉复合掉，使，使有用有用的信号的信号减少减少。因此，。因此，复合现象在探测器正常工作复合现象在探测器正常工作中应尽量避免中应尽量避免 nntntn 2023-1-215/84电荷转移效应电荷转移效应正离子正离子与与中性的气体分子中性的气体分子碰撞时，正离子与分子碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合成中性分子，中的一个电子结合成中性分子，中性气体分子成中性气体分子成为正离子为正离子

8、电荷转移效应在混合气体中比较明显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的漂移速度复合效应复合效应、电子吸附效应电子吸附效应、电荷转移效应电荷转移效应等，都等，都不利于电荷收集不利于电荷收集2023-1-216/84离子对收集离子对收集与与外加电场的关系外加电场的关系：复合区：饱和区（电离室工作区）：正比区（正比计数器工作区）：有限正比区 ：G-M工作区2023-1-217/84外加电场与离子对收集的关系外加电场与离子对收集的关系 I区称为复合区，工作电压很低而存在电子-正离子的复合，随电压上升复合损失减少，

9、电流趋于饱和。II区称为饱和区或电离室区。在这个区域内，生成的离子对电荷全部收集，输出信号的大小反映了入射离子损失在计数器灵敏体积内的能量。2023-1-218/84外加电场与离子对收集的关系外加电场与离子对收集的关系 III区称为正比区，由于碰撞电离的发生而产生气体放大，离子对数将比原电离倍增10104。气体放大系数随电压而增大，但对一定电压气体放大系数保持恒定，总电荷量仍正比于原电离电荷量。IV区：有限正比区。由于气体放大系数过大，空间电荷的影响越趋明显，气体放大系数与原电离有关，而且初始电离越大的入射离子影响越大，总离子对数不再与入射粒子能量成正比。这种状态作为过渡而无实用价值。2023

10、-1-219/84外加电场与离子对收集的关系外加电场与离子对收集的关系 V区称为盖革区，随电压升高形成自持放电，此时总电离电荷与原电离无关，几条曲线重合，这就是G-M管的工作区域。G-M管不能得到入射粒子的能量信息，另外死时间长，可达102s，只能用于计数率不高的情况。寿命较短。当电压继续升高，进入连续放电并有光产生，利用这一现象又发展了火花室、自猝熄流光管（SQS）等探测器2023-1-220/84对于气体探测器来说，从原理上讲可以改变外加电压的数值使其工作在不同区域，但实际上由于结构已定，它只能适合于工作在某个区域。用两只气体探测器来比较，尽管一只是工作于正比区的正比计数器，而另一只是工作

11、于G-M区的G-M计数器，这并不能断定加到G-M计数器上的工作电压一定比另一个要高，这是因为两只气体探测器的结构不同2023-1-221/84电离室电离室(ionization chamber)收集入射粒子在电离室中形成的全部离子对，外加电场使其既不产生复合也不发生气体放大记录单个入射粒子的电脉冲信号-脉冲电离室记录大量粒子在单位时间内的平均电离电流-电流电离室记录一定时间内大量入射粒子产生的总累积电荷量-累计电离室2023-1-222/84电离室电离室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；按输出回路的参量，脉冲电离室又可区分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室电流电离室

12、、累计电离室记录大量辐射粒子平均效应，主要用于测量X，和中子的强度或通量、剂量或剂量率。它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。2023-1-223/84电离室的基本结构电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同不同类型的电离室在结构上基本相同典型结构有典型结构有和和，均包括，均包括高压极高压极(K)：正高压或负高压；：正高压或负高压；收集极收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；接近的电位；保护极保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的：又称保护环，处于与收集极相同的电位；电位；负载电阻负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。：电流

13、流过时形成电压信号。2023-1-224/84平板型电离室平板型电离室高压极高压极收集极收集极保护极保护极0VKCGLR负载负载电阻电阻外壳外壳灵敏体积灵敏体积绝缘子绝缘子V(t)2023-1-225/84圆柱型电离室圆柱型电离室CLRKG-V0V(t)2023-1-226/84灵敏体积灵敏体积：由通过：由通过收集级收集级边缘的边缘的电力线电力线所包围的所包围的两电极间两电极间的的区域区域保护环保护环G的作用的作用：使使灵敏体积灵敏体积边缘处的边缘处的电场电场保持均匀保持均匀若若无无G，当当高压高压很大很大时，会有时，会有电流电流通过通过绝缘子绝缘子从从负载电阻负载电阻RL上通过，从而产生上通

14、过，从而产生噪声噪声，即，即绝缘子绝缘子的的漏电流漏电流外壳的作用：外壳的作用：需要保证需要保证气体的气体的成分成分和和压力压力，所以一般电离室均，所以一般电离室均需要一个需要一个密封外壳密封外壳将电极系统包起来将电极系统包起来2023-1-227/84电离室的大小和形状，室壁和电极的材料以及所电离室的大小和形状，室壁和电极的材料以及所充的气体成分、压强都要根据辐射的性质、实验充的气体成分、压强都要根据辐射的性质、实验的要求来确定。的要求来确定。测量测量粒子能量粒子能量的电离室，须要的电离室，须要足够大的容积和足够大的容积和气压气压，以便使，以便使粒子的径迹都落在灵敏区内。粒子的径迹都落在灵敏

15、区内。对对射线强度作射线强度作相对测量相对测量时，为了提高灵敏度，时，为了提高灵敏度，室壁材料宜用室壁材料宜用高原子序数的金属高原子序数的金属，其厚度略大于，其厚度略大于室壁中次级电子的射程。作室壁中次级电子的射程。作绝对绝对剂量测量剂量测量时，时，须用与须用与空气或生物组织等价的材料空气或生物组织等价的材料作电极和室壁作电极和室壁2023-1-228/84电离室的工作机制电离室的工作机制0100VCQQ 0V ab0Q 0Q 2023-1-229/840V abe 1q 2q 0012()()()()0qQQeqq x2023-1-230/8412qqe 1xqed 2dxqed 0V ab

16、)(ti e 2q 1q 2023-1-231/84第四步第四步：当正电荷快：当正电荷快到达到达极板的极板的前一瞬间前一瞬间，-q1 1全部由全部由a极板极板经经外回路外回路流到流到b极板极板，b极板极板上的上的感感应电荷应电荷：当当e+到达到达b极板极板，e+与与b极板极板上的上的感应电荷感应电荷中和中和。外回路外回路电流结束电流结束，流过，流过外回路外回路的的总电荷量总电荷量为：为：12qqe 1qq 2023-1-232/84引入负电荷引入负电荷2qq 0V ab)(ti e 2q1q2023-1-233/84同一点引入正负电荷同一点引入正负电荷当当同时同时在在同一位置同一位置引入引入一

17、离子对一离子对，则，则在外回路在外回路流流经的经的电流电流：i(t)=i+(t)+i(t)流过流过外回路外回路的的总电荷量总电荷量：q+q-=e0V ab)(tie 2q 1q e 2q2023-1-234/84只有当只有当空间电荷空间电荷在极板间在极板间时，时，在外回路在外回路流过，此时流过，此时i(t)=i+(t)+i(t)，正、负电荷的感正、负电荷的感应电流方向相同，应电流方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极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电荷漂移过程结束，外回路感应电流消失。当负。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电电荷被收集后，外回路中就只有

18、正电荷的感应电流流当当、电荷在同一位置产生时，它们在极板上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；的感应电荷量分别相同；+e、e电荷漂移结束，电荷漂移结束，流过外回路的流过外回路的总电荷量总电荷量为为；该电荷量与这一对；该电荷量与这一对电荷的产生电荷的产生位置无关位置无关。2023-1-235/84当当入射粒子入射粒子在在探测器探测器灵敏体积内灵敏体积内产生产生 个个离子对离子对，它们均在它们均在外加电场外加电场作用下作用下，这时，产生的，这时，产生的是：是：当当 个个离子对离子对全部全部被被收集收集时，流过时，流过外电路外电路的的为为 11()()NNjjjjI tititI

19、tItQN e2023-1-236/84脉冲电离室脉冲电离室脉冲电离用来记录单个入射核辐射粒子。工作原理是一个带电粒子进入脉冲电离室灵敏体积后，与气体原子或分子相互作用，使气体电离，产生的大量电子和正离子(称为离子对)在电场作用下向电离室两电极漂移，从而产生一个电流脉冲，在电离室的RC输出电路上产生一个电压脉冲测量单位时间进入电离室带电粒子数目和能量2023-1-237/84脉冲电离室脉冲电离室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电离室RC输出电路上产生的最大电压脉冲幅度为N0为入射带电粒子在电离室灵敏体

20、积内直接使气体电离产生的粒子对数；E为入射带电粒子在电离室内损失的能量；W为电离室内所充气体的平均电离能（产生一个离子对需要入射带电粒子损失的能量）0N eQEeVCCWC饱和2023-1-238/84脉冲电离室脉冲电离室的输出回路的输出回路电离室结构和输出电路示意图 iaiaRRRRR0110CCCCCCia等效电阻等效电容时间常数00CR2023-1-239/84脉冲电离室脉冲电离室的输出回路的输出回路电离室结构和输出电路示意图 离子脉冲电离室TCR00电子脉冲电离室TCRT00T-全部电子的收集时间T+全部离子的收集时间ms量级s量级2023-1-240/84脉冲电离室脉冲电离室的输出回

21、路的输出回路v 离子脉冲电离室输出脉冲较宽（因为正离子漂移速度慢），一般在10-3s量级，这使得它不能用来探测强度很强的放射源电子脉冲电离室脉冲宽度小，为10-6s量级满足测量强得多的入射粒子流，但是对平板型电子脉冲电离室而言，输出的脉冲幅度不仅取决于产生的离子对数，还与离子对产生的位置有关。需要采用特殊的设计来解决（圆柱形电子脉冲电离室与屏栅电离室）2023-1-241/84圆柱形电子脉冲电离室圆柱形电子脉冲电离室)/ln()/ln()(0abarVr电位分布：)/ln()/ln()(000abarCNerh电压脉冲幅度：2023-1-242/84屏栅电离室屏栅电离室G：栅极入射带电离子+-

22、栅极对电子透明000CeQECNeCQh输出电压脉冲幅度2023-1-243/84脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室输出信号的测量脉冲电离室的输出信号所包含的信息脉冲电离室的输出信号所包含的信息入射带电粒子入射带电粒子的的数量：数量：通过对通过对输出脉冲输出脉冲数进行测数进行测量量入射带电粒子入射带电粒子的的能量：能量：通过对输出电压信号的幅通过对输出电压信号的幅度进行测量度进行测量确定确定入射粒子间入射粒子间的的时间关系：时间关系：通过对输出电压信通过对输出电压信号的时间进行测量号的时间进行测量2023-1-244/84脉冲电离室的性能脉冲电离室的性能脉冲幅度谱与脉冲幅度谱与脉冲电离室脉冲电

23、离室常用来测量常用来测量带电粒子带电粒子的的对单能对单能带电粒子带电粒子，若其，若其全部全部能量能量都损耗在都损耗在灵敏体积灵敏体积内，内，则则脉冲电离室脉冲电离室输出输出电压电压脉冲脉冲的的反映了反映了单个入单个入射射带电粒子带电粒子的大小的大小0000CeWECeNh2023-1-245/84能量分辨率能量分辨率2023-1-246/84多道测量的脉冲幅度谱多道测量的脉冲幅度谱能量分辨率：能量分辨率：FWHM(Full width at half maximum)EhE 半高宽度半高宽度dndEEhdndhFWHMhdndhE EE EE EE 能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪谱仪对不

24、同对不同入射粒子入射粒子能量能量的的分辨能力分辨能力。0000CeWECNeh E1E2E2E1E2E1E1E2E3E1 E2 E32023-1-247/84电离室的饱和特性曲线电离室的饱和特性曲线脉冲幅度脉冲幅度 与电离室与电离室工作电压工作电压的关系的关系影响因素影响因素：离子离子和和电子电子的的或或效应效应饱和特性曲线形成的物理过程：饱和特性曲线形成的物理过程：饱和区斜率的原因：工作电压的升高使饱和区斜率的原因：工作电压的升高使灵敏体积灵敏体积增加增加及及负离子的释放负离子的释放V0hV1饱和电压饱和电压N02023-1-248/84探测效率探测效率粒粒子子数数射射入入电电离离室室灵灵敏

25、敏体体积积的的记记录录下下来来的的脉脉冲冲数数本本征征效效率率 2023-1-249/84电流电离室电流电离室 通过测定单位时间内入射核辐射粒子在电离室内产生的平均电离电流来探测核辐射若单位时间入射的粒子数为n，每个粒子在电离室内平均的能量损失为E，则电流电离室输出的平均电流为角标“饱和”的意义是因为电离室电极间加的电场不足以引起气体放大，但能把核辐射在灵敏体积内产生的电子和正离子全部收集，达到最大电荷收集数N0，外加电压增加，收集的电荷数不再增加，即电离室输出的I不再增加达到饱和。enwEenNI0饱和2023-1-250/84电流电离室的应用电流电离室的应用 测量射线（或X射线）照射量 测

26、量吸收剂量吸收剂量定义为在给定物质中由电离辐射传递单位质量物质的平均能量测量放射性气体2023-1-251/84正比计数器2023-1-252/84正比计数器正比计数器 正比区正比区 2023-1-253/84 气体探测器工作于正比区时，在离子收集的过程中将出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子的雪崩。于是，在收集电极上感生的脉冲幅度 将是原电离感生的脉冲幅度的M倍，即处于这种工作状态下的气体探测器就是正比计数器。V0CMNeV2023-1-254/84正比计数器正比计数器1 气体放大机制气体放大机制 设圆柱形计数管的阳极半径为a，电位为Vc；阴极半径为b，电位为

27、 Vk；外加工作电压 ，则沿着径向位置为r的电场强度 为:KCVVV0)/ln()(0abrVrE2023-1-255/84强电场下气体放电强电场下气体放电雪崩雪崩电子在气体中的电子在气体中的电离碰撞电离碰撞过程，发生雪崩的阈值过程，发生雪崩的阈值电场：电场：ET 106V/m气体放大气体放大非自持放电非自持放电：雪崩从产生到结束，只发生一次：雪崩从产生到结束，只发生一次自持雪崩自持雪崩：通过光子的作用和二次电子发射，雪通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展，也叫自持放电崩持续发展，也叫自持放电E e2023-1-256/84正比计数器正比计数器(Proportional Counter）

28、正比计数器正比计数器中，利用中，利用将入射粒子将入射粒子直接直接产产生的生的电离效应电离效应，使得正比计数器的，使得正比计数器的输出信输出信号幅度号幅度比比脉冲电离室脉冲电离室显著增大显著增大。对直接电离效应放大的倍数称为对直接电离效应放大的倍数称为“”，以以M表示，在一定的工作条件下，表示，在一定的工作条件下，M保持为保持为常数常数。正比计数器属于正比计数器属于的气体电离探测器的气体电离探测器2023-1-257/84工作原理工作原理 结构上必须满足实现结构上必须满足实现的需要，而在的需要，而在强电强电场场下才能实现碰撞电离下才能实现碰撞电离在在一个大气压下一个大气压下，电子电子在气体中的自

29、由程约在气体中的自由程约 10-310-4cm，气体的电离电位，气体的电离电位20eV。要使电子。要使电子在一个自由程就达到电离电位，场强须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，一般采用为达到这一要求，一般采用，以，以圆柱圆柱型型为主为主2023-1-258/84工作原理工作原理中心阳极的电位相对于阴极为正电位，当核辐射进入正比计数管灵敏体积后，使气体电离产生电子和正离子（称为初电离）电离电子在向中心电极漂移过程中不断从电场获得能量，当其能量足够使气体电离时，产生新的离子对（称为次电离）2023-1-259/84次电离电子在向中心阳极漂移过程中又被加速再使气体电离，产

30、生更多的离子对。电子越接近阳极，电离气体的概率越大，于是离子对不断的增殖，这就是气体放大，也称为电子雪崩脉冲电压近似与入射粒子能量成正比2023-1-260/84正比计数器正比计数器正比计数管一般为圆柱形结构，和圆柱形电离室一样，其灵敏体积距中心r处的电场为：a和b分别是中心阳极和圆筒形阴极的半径；V0为两电极间所加电压（称为工作电压）放大倍数MN/N0M的大小决定于气体性质、压强、工作电压和电极半径。abrVrln02023-1-261/84在在rb时时场强最小场强最小，ra时时场强最大场强最大定义定义:VT 称为正比计数器的称为正比计数器的起始电压起始电压(阈压阈压).对于一个确定的正比计

31、数器，只有当工作电压对于一个确定的正比计数器，只有当工作电压 时，才工作于时，才工作于正比计数器工作区正比计数器工作区，否则工作，否则工作于于电离室电离室区区 abrVrEln0 cmVabaVETT/10ln4 2023-1-262/84当当 时，仅在时，仅在 区间内发生区间内发生碰撞电离碰撞电离 一般一般r0很小很小，和，和a是是同一量级同一量级，这样入射粒子在，这样入射粒子在 r0 内产生电离的可能性很小，可以忽略。因此，内产生电离的可能性很小，可以忽略。因此，在在不同位置不同位置射入的入射粒子所产生的电离效应在射入的入射粒子所产生的电离效应在正比计数器中正比计数器中都经受同样的气体放大

32、过程都经受同样的气体放大过程，都有，都有正比计数器输出信号主要由正比计数器输出信号主要由贡献贡献2023-1-263/84碰撞电离与气体放大碰撞电离与气体放大碰撞电离只有电子才能实现。当电子到达距丝极一定距离 r0 之后，由于电场很强，电子在平均自由程上获得的能量足以与气体分子发生电离碰撞，产生新离子对。而且新的电子又被加速再次产生电离碰撞。漂移电子越接近阳极，电离碰撞概率越大。于是，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)2023-1-264/84气体放大过程中正离子的作用气体放大过程中正离子的作用离子漂移速度慢离子漂移速度慢，在电子

33、漂移、碰撞电离等过程，在电子漂移、碰撞电离等过程中，可以认为中，可以认为正离子基本没动正离子基本没动，形成，形成，处于处于阳极丝附近阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使，会影响附近区域的电场，使电电场强度变弱场强度变弱，影响电子雪崩过程的进行，影响电子雪崩过程的进行正离子漂移正离子漂移到达阴极到达阴极，与，与阴极表面的感应电荷阴极表面的感应电荷中中和和时时有一定概率有一定概率产生次电子产生次电子，发生，发生新的电子雪崩新的电子雪崩过程过程，称为，称为；也可以通过；也可以通过加入少量多原加入少量多原子分子气体阻断离子反馈子分子气体阻断离子反馈2023-1-265/84气体放大过程中的光子作用气体

34、放大过程中的光子作用光光子反馈子反馈223AAAA总AAA 1总总2023-1-266/84光子反馈的影响光子反馈的影响光子反馈的过程光子反馈的过程(10-9s)远快于电子的漂移过程远快于电子的漂移过程(10-6s)，对信号的形成而言对信号的形成而言，在，在时间上是时间上是加入少量的加入少量的多原子分子气体多原子分子气体M，它可以强烈吸收，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，它不再发出光子而是分解为几个小分子(超超前分解前分解)退激。这样退激。这样可以阻止紫外光子打到阴极可以阻止紫外光子打到阴极

35、而而减小光子反馈减小光子反馈在在正比计数器正比计数器中，中，光子反馈光子反馈和和正离子反馈正离子反馈的作用的作用极微弱极微弱，因此，经一次雪崩以后增殖过程即行终，因此，经一次雪崩以后增殖过程即行终止，且止，且雪崩雪崩只限于只限于的区域，对一个初始电子的区域，对一个初始电子仅展宽仅展宽 200 m左右左右2023-1-267/84优点脉冲幅度较大；灵敏度较高；脉冲幅度几乎与原电离的地点无关；价格便宜，使用条件不苛刻缺点脉冲幅度随工作电压变化较大，且容易受外来电磁干扰，因此，对电源的稳定度要求也较高（0.1%）2023-1-268/84常用的正比计数器常用的正比计数器流气式4正比计数器低能X射线正

36、比计数器三氟化硼（BF3）正比计数器球形含氢正比计数器流气式4正比计数器 无窗流气式2正比计数器2023-1-269/84G-M计数管2023-1-270/84正比计数器正比计数器 G-M区区 2023-1-271/84G-M计数管计数管盖革-米勒(Geiger-Mller)计数管，简称G-M管。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通常是一个充气的圆柱形管，管内装设一圆筒式金属阴极和一根位于中心的细丝作阳极。根据外形主要可分为钟罩型（或称端窗式）和圆柱型。根据所充气体又分为有机管和卤素管。2023-1-272/84G-M计数管计数管灵敏度高，输出

37、脉冲幅度大，可以不经放大而直接记录，使用方便。对带电粒子如和粒子的探测效率几乎可达到100%，但对射线的探测效率较低，只有1%左右。在一定电压下，其输出脉冲幅度对不同能量、不同种类的射线均相同，不能直接用以鉴别射线的种类和测定能量的大小2023-1-273/84工作原理工作原理入射核辐射在G-M计数管灵敏体积内只要产生一对以上的初电离（即N01），则初电离电子在电场作用下向中心阳极漂移过程中，除了有正比计数管类似的次电离引起的电子雪崩（称为汤姆逊雪崩）以外，电子在向阳极漂移过程中还会使许多气体分子或原子激发。处于激发态的分子或原子退激发射波长在可见光或紫外光区的光子，光子与气体或阴极发生光电效

38、应产生光电子，这些光电子在电场作用下也向阳极漂移，并至少会再能触发一个新的次级雪崩。2023-1-274/84正离子鞘正离子鞘由于受激分子或原子退激可以向各个方向发射光子，因此气体放大不像正比计数管那样只局限在初电离那一侧的局部区域发生，而是在整个G-M计数管内发生。不管初电离发生在管内何处，雪崩放电都会逐渐包围整个阳极丝。在阳极丝附近的大量电子很快漂移到阳极而留下大量的正离子包围着阳极丝，形成一个“正离子鞘”。2023-1-275/84输出信号输出信号正离子鞘使G-M计数管中心阳极周围的电场强度减弱，以至于抑制电子增殖，最终使雪崩放电结束，电子完全被收集，“电子电流”消失。放电结束后，正离子

39、鞘向阴极漂移过程：形成“离子电流”，是形成输出脉冲的主要贡献，G-M计数管输出一个电脉冲。正离子在阴极表面的电荷中和过程G-M计数管内每次放电都以管内产生大致相同的总电荷数而结束，所以G-M计数管输出的脉冲幅度都是相同的。G-M管仅能用来记录入射粒子的数目，不能用于测量入射粒子的能量。2023-1-276/84G-MG-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，主要射线测量，而钟罩型由于有入射窗，主要用于用于，射线的测量射线的测量由计数管由计数管的的丝极丝极a，阴极与丝极阴极与丝极之比之比b/a、工作气体的工作气体的

40、组成组成与与压力压力等因素决等因素决定定2023-1-277/84探测效率探测效率对用于对用于带电粒子带电粒子探测的钟罩型探测的钟罩型GM管，只要管，只要入射入射粒子粒子进入灵敏体积，其探测效率可接近进入灵敏体积，其探测效率可接近100对用于对用于探测探测 射线射线的圆柱的圆柱型型GM管，仅当管，仅当次电子次电子进进入灵敏体积才能引起计数，其探测效率仅入灵敏体积才能引起计数，其探测效率仅12023-1-278/84G-M管工作特性管工作特性-坪特性曲线坪特性曲线2023-1-279/84G-M管工作特性管工作特性-坪特性曲线坪特性曲线入射粒子流强度一定的条件下，入射粒子流强度一定的条件下，计数

41、率随工作电压的变化关系计数率随工作电压的变化关系坪特性曲线可用三个指标衡量坪特性曲线可用三个指标衡量VA VBVA N高高压压AVBVBNAN100/%100)(VVVNNNABAAB 2023-1-280/84坪区坪区当工作电压加到一定数值后，核辐射产生的脉冲大部分超过阈电平的幅度，噪声也只有极少超过阈电平，此时被记录的脉冲数目基本趋于饱和，随工作电压增加计数增加很小，这个区域称为坪区。随着工作电压增加，将会有愈来愈多的噪声脉冲具有超过阈电幅度，此时脉冲数又在增加，这种增长是不需要的2023-1-281/84坪曲线特性坪曲线特性起始电压Vs：记录脉冲计数的电子学仪器开始计数时探测器所加的电压

42、称为起始电压。探测器的起始电压愈低，探测器性能就愈好坪长：坪曲线中计数率随着探测器所加电压的增加变化不大，出现比较平坦的一段，即所谓坪。坪区电压范围称为坪长，如图V2-V1为坪长。正比计数管和G-M计数管的坪长一般大于300V。坪斜：在坪区，实际上计数率仍随探测器所加电压的增加而有所增加，可用探测器所加电压每增加100V或1V时计数率增加的百分数来表示坪斜2023-1-282/84优缺点优缺点G-M 计数器探测射线的优点优点灵敏度高；脉冲幅度大；稳定性高；计数器的大小和几何形状可按探测粒子的类型和测量的要求在较大的范围内变动；使用方便、成本低廉、制作的工艺要求和仪器电路均较简单缺点缺点不能鉴别

43、粒子的类型和能量；分辨时间长，约102s，不能进行快速计数；正常工作的温度范围较小（卤素管略大些）；有乱真计数2023-1-283/84谢谢谢谢2023-1-284/84阈电平阈电平记录核辐射产生的脉冲时，既要把所有高度不同的脉冲记录下来，又要去掉一大批幅度很小的噪声脉冲使其不被记录。为同时达到这两个要求，在电子仪器上设置一个阈电平。其作用是允许超过阈的脉冲被记录下来，这种作用称为甄别阈电平要选得合适：选高：造成有些信号测量不到选低：噪声脉冲被记录。2023-1-285/84多道测量的脉冲幅度谱多道测量的脉冲幅度谱能量分辨率：能量分辨率：FWHM(Full width at half maximum)EhE 半高宽度半高宽度dndEEhdndhFWHMhdndhE EE EE EE 能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪谱仪对不同对不同入射粒子入射粒子能量能量的的分辨能力分辨能力。0000CeWECNeh E1E2E2E1E2E1E1E2E3E1 E2 E3