1、第三章第三章 气体探测器气体探测器 3-1 气体探测器的基本原理气体探测器的基本原理3-2 电离室电离室3-3 正比计数器正比计数器3-4 G-M计数器计数器2006-9中国科大 汪晓莲 2气体探测器u入射带电粒子引起气体电离。入射带电粒子引起气体电离。u气体探测器的特点：气体探测器的特点：1) 1) 探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制；2) 2) 没有辐射损伤或极易恢复；没有辐射损伤或极易恢复；3) 3) 经济可靠。经济可靠。2006-9中国科大 汪晓莲 33-1 气体探测器的基本原理气体探测器的基本原理n 气体电离：气体电离：当带电粒子通过气体时
2、，与气体原子的核外电子当带电粒子通过气体时，与气体原子的核外电子 发生库仑作用，入射粒子损失部分能量，而气体原子则电离发生库仑作用，入射粒子损失部分能量，而气体原子则电离或或 激发。轨道电子获得的能量足以克服原子的束缚成为自由电激发。轨道电子获得的能量足以克服原子的束缚成为自由电 子，形成电子离子对。子，形成电子离子对。n 入射粒子能产生电离的最小能量入射粒子能产生电离的最小能量：n 原初电离：原初电离：入射粒子和气体原子直接作用产生的电离对数目。入射粒子和气体原子直接作用产生的电离对数目。n 次级电离：次级电离：电离的次级粒子再次和气体原子作用产生的电离对数目。电离的次级粒子再次和气体原子作
3、用产生的电离对数目。n 总电离总电离N0：等于原初电离次级电离等于原初电离次级电离n 平均电离功：平均电离功：带电粒子在气体中产生一对电离粒子所需的平均能量带电粒子在气体中产生一对电离粒子所需的平均能量。)2min04eemMEIm M气体原子的电离电位入射粒子质量00EN总电离入射粒子在气体中损失的能量平均电离功一、气体的电离一、气体的电离2006-9中国科大 汪晓莲 4Ionization of gasesThe actual number of primary electron/ion pairs is Poisson distributed.!nem)n(Pmn iLNLm avera
4、ge number mDetection efficiencymdete)(P 101For example for 1 mm layer of Ar :mprimary= 2.5 det = 0.92100 electron/ion pairs created during ionization process is not easy to detect. Typical noise of the amplifier 1000 e- (ENC) gas amplification.2006-9中国科大 汪晓莲 51111 1220121 1221 122Z PZ PZ PZ PZ PZ PZ
5、：原子序数P：气体比分02.354FE2006-9中国科大 汪晓莲 6二、电子和离子在气体中的运动二、电子和离子在气体中的运动n不加外电场时，电子和离子与气体分子不断碰撞，三种不加外电场时，电子和离子与气体分子不断碰撞，三种运动状况：运动状况： 扩散：扩散：从密度大的区域向密度小的区域扩散运动从密度大的区域向密度小的区域扩散运动 电子吸附：电子吸附：电子被中性气体原子俘获形成负离子电子被中性气体原子俘获形成负离子 复合：复合：电子和正离子复合形成中性原子电子和正离子复合形成中性原子n加外电场时，电子和离子沿电场方向分别向正负电极做加外电场时，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
6、动。n漂移运动有利于总电离的收集，是我们需要的。前三种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。减小它们的影响。2006-9中国科大 汪晓莲 71. 离子的漂移运动离子的漂移运动n稳定状态下离子的漂移速度稳定状态下离子的漂移速度n迁移率与气体性质和电离粒子质量有关。迁移率与气体性质和电离粒子质量有关。n对重离子就每一种气体而言，其迁移率在相当宽范围内对重离子就每一种气体而言，其迁移率在相当宽范围内与与E/P无关（无关（E/P 3 103V.cm-1.atm-1），近于常数。当，
7、近于常数。当E/P很高时，很高时， 值不再是与值不再是与E/P无关的常数。无关的常数。n负离子的负离子的 值和正离子的值和正离子的 值是同数量级的，绝大部分值是同数量级的，绝大部分 比比 大一些，这与气体纯度有关。（大一些，这与气体纯度有关。（p56表表32）EWP电场强度气体压力约化场强离子迁移率2006-9中国科大 汪晓莲 82. 电子的漂移运动电子的漂移运动n对于电子，对于电子， 值只在值只在E/P很窄一段范围内近似于常数，很窄一段范围内近似于常数，在其他范围主要取决于在其他范围主要取决于E/P (p56 fig.3-2)。nE/P较小时，电子漂移速度比离子漂移速度大三个数较小时，电子漂
8、移速度比离子漂移速度大三个数量级，约为量级，约为106cm/s。n电子的漂移速度对气体成分非常灵敏。在惰性气体电子的漂移速度对气体成分非常灵敏。在惰性气体（如（如Ar等）中加入多原子分子气体（如等）中加入多原子分子气体（如CO2和和CH4等），可大大增加电子漂移速度。等），可大大增加电子漂移速度。2006-9中国科大 汪晓莲 93. 电子和离子的扩散电子和离子的扩散n电子和离子因空间密度不均匀而由密度大的空间向密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。度小的空间扩散。n根据气体动力学，粒子速度遵从麦克斯韦分布，则扩根据气体动力学，粒子速度遵从麦克斯韦分布，则扩散常数散常数
9、 与气体性质、与气体性质、 温度和压强有关。温度和压强有关。n电子的扩散常数大于离子的扩散常数。电子的扩散常数大于离子的扩散常数。dnD ndt 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粒子密度梯度负号表示粒子流方向与粒子密度梯度方向相反。13Du粒子杂乱运动速度平均自由程2006-9中国科大 汪晓莲 10n在扩散过程中，电子和离子与气体分子发生多次碰撞，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。通损失能量，最终达到气体的热运动平衡能量分布。通常条件下常条件下 并遵从麦克斯韦能量分布规律：并遵从麦克斯韦能量分布规律：n若不存在其他因素
10、的影响，则由于多次碰撞引起的电荷扩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散的空间分布遵从高斯分布 30.042TKTeV )KTFCe2414xDtdNedxNDt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这个分布的均方根偏差线扩散线扩散 ： 体扩散：体扩散：2xDt6xDt2006-9中国科大 汪晓莲 114. 电子的吸附电子的吸附n电子与气体分子碰撞时被捕获而形成负离子的现象称电子与气体分子碰撞时被捕获而形成负离子的现象称作作电子吸附效应电子吸附效应。n电子吸附系数用电子吸附系数用h表示，表示，定义为在一次碰撞时电子被中定义为在
11、一次碰撞时电子被中性分子吸附的几率。性分子吸附的几率。它与气体性质有关，不同的气体它与气体性质有关，不同的气体有不同的有不同的h值。值。nh值较大的气体称作值较大的气体称作负电性气体负电性气体。如卤素气体、氧气、。如卤素气体、氧气、水蒸气等。水蒸气等。n电子被捕获形成负离子后，其漂移速度大大减小，增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。加了离子复合的可能性，不利于电离数的收集。n减少电子被捕获的方法：减少电子被捕获的方法：1）使用）使用h值小的气体如惰性气体；值小的气体如惰性气体； 2）纯化气体；）纯化气体； 3）在单原子分子气体中掺加少量的双
12、原子或多原子分子）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。气体，提高电子漂移速度，减少电子被捕获几率。2006-9中国科大 汪晓莲 125. 复合复合n电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞时发生与电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。离相反的过程，即复合成中性分子或中性原子。 电子复合电子复合：电子正离子：电子正离子 复合复合 离子复合离子复合：负离子正离子：负离子正离子n复合几率与正负离子密度成正比复合几率与正负离子密度成正比，则复合率，即单位，则复合率，即单位时间单位体积内正负离子复合的数
13、目：时间单位体积内正负离子复合的数目：n离子的复合系数比电子的复合系数大几个量级离子的复合系数比电子的复合系数大几个量级（p56,表表32）dndnn ndtdt 复合系数2006-9中国科大 汪晓莲 13三、外加电场对电离粒子运动的影响三、外加电场对电离粒子运动的影响0d+ + + + + + + +- - - - - - - - -U0z外加电场使电离产生的电子和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，离子沿电场方向作漂移运动，有利于电荷的有效收集。有利于电荷的有效收集。2006-9中国科大 汪晓莲 14第一区段：复合区第一区段：复合区n外加电压很低，离子漂移速度很小，电子吸附
14、效应、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。扩散效应和复合效应起主要作用。n复合的结果，电子离子数目减少，所以电极收集到的复合的结果，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。离子对数目小于总电离数目。第二区段：饱和区（电离室区）第二区段：饱和区（电离室区）n随着外加电压增大，离子漂移速度增大，电子吸附、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。的电荷数逐渐增加。n当电压达到某一定值当电压达到某一定值Va时，基本不存在复合，总
15、电离时，基本不存在复合，总电离数数N0全部被电极收集，达到饱和。全部被电极收集，达到饱和。n在一定电压范围内在一定电压范围内(Va-Vb)，被收集电荷不再增加，达，被收集电荷不再增加，达到饱和。到饱和。2006-9中国科大 汪晓莲 15第三段区：正比区第三段区：正比区n工作电压大于工作电压大于Vb后，外加电场很强，电离电子在漂移后，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，使电离的离子产生次级
16、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对数目比原总电离对数目N0增加很多，称作电子雪崩增加很多，称作电子雪崩过程。这种现象称作为气体放大。过程。这种现象称作为气体放大。n经气体放大得到的电荷数经气体放大得到的电荷数N与原总电离数与原总电离数N0之比叫做之比叫做气体放大倍数。气体放大倍数。n气体放大倍数随电压的增加而增加。气体放大倍数随电压的增加而增加。n对确定的探测器，外加电压一定时，放大倍数一定。对确定的探测器，外加电压一定时，放大倍数一定。电极收集的电荷数电极收集的电荷数N正比于原总电离数正比于原总电离数N0，正比于入，正比于入射粒子能量。射粒子能量。0NMN2006
17、-9中国科大 汪晓莲 16第四区段：有限正比区第四区段：有限正比区n当电场强度大到一定程度时，产生的大量离子对中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，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。间电荷效应。n由于空间电荷效应的影响限制了气体放大倍数的增由于空间电荷效应的影响限制了气体放大倍数的增长。这一区段称为有限正比区。长。这一区段称为有限正比区。2006-
18、9中国科大 汪晓莲 17第六区段：连续放电区第六区段：连续放电区n在该区电压继续增加，收集的离子对数再次急剧增加，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。气体被击穿，发生连续放电。第五区段：第五区段：GM区区n进入此区后，随着电压的增加，空间电荷效应越来越进入此区后，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，与原总电离强，收集到的电荷又一次饱和，与原总电离N0无关。无关。n由于空间电荷效应的影响，收集的电荷与入射粒子的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。种类和能量无关。2006-9中国科大 汪晓莲 183-2 电离
19、室电离室2006-9中国科大 汪晓莲 19一、电离室的特点一、电离室的特点2006-9中国科大 汪晓莲 202006-9中国科大 汪晓莲 21三、电离室的构造三、电离室的构造0d+ + + + + + + +- - - - - - - - 阴极阴极 阳极阳极 -U0z2006-9中国科大 汪晓莲 22四、电离室的工作气体四、电离室的工作气体2006-9中国科大 汪晓莲 23五、脉冲电离室2006-9中国科大 汪晓莲 24 ) )0Q tVtC ) )00QQ tU xV距集电极x处电荷距集电极x处电位 ) ) )000000000000txxNN eN etxxtxxtCQtQtN eV tU
20、xUxCV C设时，带电粒子在处产生对电子和正离子，电荷分别为：和，分别以和向阴极和阳极漂移。在 时刻到达：在上产生电压：2006-9中国科大 汪晓莲 25 平板电离室的脉冲幅度平板电离室的脉冲幅度)0()dxVUxEx dxdxd)00000000000( )tN extCdxtN exdxVttCdN edxtC 当当当 )0VE xd2006-9中国科大 汪晓莲 26 圆柱形电离室的圆柱形电离室的 脉冲幅度脉冲幅度0000000lnlnln( )lnxN extTbCaxN eaV ttTbCaN etTC -当当 T当2006-9中国科大 汪晓莲 27 脉冲电离室输出脉冲波形脉冲电离室
21、输出脉冲波形2006-9中国科大 汪晓莲 28 几点结论几点结论2006-9中国科大 汪晓莲 29 脉冲电离室输出电流脉冲大小脉冲电离室输出电流脉冲大小 ) ) )00000000000( )QtQtN eI tUxtUxttV txN etdxdxI tN etddxQt当当当2006-9中国科大 汪晓莲 30 脉冲电离室输出电流脉冲波形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t3：开始有正离子到达阴极的时间；t4：全部正离子到达阴极的时间2006-9中国科大 汪晓莲 31六、脉冲裂变电离室六、脉冲裂变电离室2006-9中国科大 汪晓莲 32
22、七、电流电离室七、电流电离室00EIN ene入饱和2006-9中国科大 汪晓莲 333-3 正比计数器正比计数器0MN eQVCC M：气体放大倍数：气体放大倍数N0：原初电离对数：原初电离对数C：电容：电容：负极性脉冲：负极性脉冲2006-9中国科大 汪晓莲 34Electrons 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
23、 enough energy to ionize further-avalanche exponential increase of number of electron ion pairs.一、工作原理和脉冲波形一、工作原理和脉冲波形1.Gas amplification2006-9中国科大 汪晓莲 35Choice of Gas:Dense noble gases. Energy dissipation mainly by ionization.(high specific ionization) (Ar)Quenchers : De-excitation of noble gases o
24、nly via emission of photons; e.g. 11.6 eV for Ar.This is above ionization threshold of metals;e.g. Cu 7.7 eV. Addition of poly-atomic gas as a quencher. CH4; i-C4H10;CO2 Methane: absorption band 7.9-14.5eVAmplification factor or Gain2006-9中国科大 汪晓莲 36t (ns)2006-9中国科大 汪晓莲 37二、正比计数器的特性二、正比计数器的特性)212121
25、2100%/NNKVVNN2006-9中国科大 汪晓莲 38)1/21/20012.3542.354FfFfNE2006-9中国科大 汪晓莲 39三、正比计数器的构造和应用三、正比计数器的构造和应用2006-9中国科大 汪晓莲 402006-9中国科大 汪晓莲 413-4 G-M计数器计数器2006-9中国科大 汪晓莲 42 GM计数器的种类计数器的种类一、一、GM计数器的工作原理计数器的工作原理 2006-9中国科大 汪晓莲 43光子光电子倍增光子光电子倍增23200000002320000000111NMNM NM NM NMMMMMMMMM若，则若，则级数发散。2006-9中国科大 汪晓
26、莲 442006-9中国科大 汪晓莲 452006-9中国科大 汪晓莲 46猝灭的机制猝灭的机制2006-9中国科大 汪晓莲 47 )0020002ln 12ln /ln /QVU ttCb aPab aQMN e常数2006-9中国科大 汪晓莲 48二、二、GM计数器的特性计数器的特性死时间死时间：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恢复时间：脉冲幅度恢复到正常幅度的时间。分辨时间分辨时间：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。2006-9中国科大 汪晓莲 49)00000000000011111111nnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 分分即真正计数率实际计数率由于分辨时间造成探测器探测效率降低较小时，则，当使时，漏记数增加，效率降低)0001nnnn 设计数率相对误差2006-9中国科大 汪晓莲 50二、二、GM计数器的特性计数器的特性2006-9中国科大 汪晓莲 51小结小结
