(4)第8章_气体电离探测器

气体电离探测器

第八章 气体电离探测器授课教师：丁卫撑 副教授2012年3月

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气体电离探测器

为什么需要探测器？ 辐射是人无法直接感 知的。 必须借助电离辐射探 测器来将辐射转换成 可观测的信号。 利用探测器，可获取如下信息： ① 类型(α、β、γ、中子…) ② 强度(注量率、源强) ③ 能量(662keV、1.33MeV) ④ 时间特性

信号类型： 电信号 非电信号 径迹 热释光 照相乳胶 云室 气泡室

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， 各类探 测器研 称之为电离辐射探测器，简称探测器。究的主 要内容

探测器是怎样形成信号的？①辐射粒子 射入“灵 敏体积”2 / 198

② 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

③ 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。

气体电离探测器

按探测介质和作用机 制，探测器可分为：①气体电离探测器电子-离子对

在学习各种探测器时， 应掌握四方面的内容：① 探测器的工作机制 入射粒子的能量转换为输出信 号的物理过程时怎样的？ 是谁携带了我们需要的关于射 线的信息？

②闪烁体探测器第一打拿极收集到的电子

Charge Carrier (信息)载流子② 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

③半导体探测器电子-空穴对3 / 198

④ 探测器的典型应用

气体电离探测器

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计数器等。

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

不断发展– 1992年，法国科学家G. Charpak(夏帕克)因发明多丝气体正比室获得 诺贝尔物理奖 – 1997年，Cern的科学家Sauli发明GEM探测器 – BNL的RHIC-STAR实验：MRPC 4 / 198

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§8 气体电离探测器√§8.1 气体中离子与电子的运动规律

§8.2 电离室的工作机制和输出回路§8.3 脉冲电离室 §8.4 累计电离室 §8.5 正比计数器 §8.6 G-M计数管

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§8.1 气体中离子与电子的运动规律

一.气体的电离与激发——载流子的产生 二.气体中离子、电子的漂移与扩散运动 ——载流子的移动 三.气体放电 ——载流子的“增多”

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一. 气体的电离与激发(载流子的产生)X射线、中子可以直接被测量 吗？ 不行，需要首先转换

为 次级电子、重带电粒子

带电粒子在介质中损失能量的 方式有哪四种？(请回顾第6章)

电离损失是带电粒子在 气体电离探测器中的主 要反应

电离损失的结果：① 使气体原子发生激发，不形成电子、离子对，但退激 后发出光子(可能形成光致电离)。② 使气体原子发生电离，形成电子、离子对，称之为 “原电离”。 ③ 原电离有可能产生δ射线(什么是δ射线？), δ射线 可以再次使气体原子形成电离，称为“次电离”。7 / 198

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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) 亚稳态原子的退激 亚稳态：某些激发态不能(难以)发生直接回到基态或较低 能级的跃迁

均在10-9秒 内完成

对载流 子的贡献 如何？

升到更高的能级，允 许(概率大)跃迁： 第一类非弹碰撞

第二类非弹性碰撞：当处于亚稳态(能量为E亚)的原子与其它激发电位或 电离电位低于E亚的气体原子碰撞时， 亚稳态原子可能将自己的亚稳态激发 能传给它们，造成它们的激发或电离， 而自己则回到了基态。

吸收光子8 / 198

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电离损失的结果：① 使气体原子发生激发，不形成电子、离子对，但退 激后发出光子(可能形成光致电离)。② 使气体原子发生电离，形成电子、离子对，称之为 “原电离”。 ③ 原电离有可能产生δ射线(什么是δ射线？), δ射 线可以再次使气体原子形成电离，称为“次电离”。 总电离 =原电离+次电离 比电离：单位长度路径内产 生的离子对数。

对载流子的 主要贡献9 / 198

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产生的离子对数目若能量为E0 的入射粒子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：

N E0 W对不同的气体，W 大约为30eV最低电 离电位 w( ) 29.9+0.5 28.6 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。

重要特性： 对同种气体， 不同种类或能量 的带电粒子的平 均电离能基本不 变。 可以据此来测 量入射带电粒子 的能量。 10 / 198

气体He Ne Ar O2 CH4 C2H4 空气

w( ) 46.0 0.5 35.7 2.6 26.3 0.1 32.3 0.1 29.1 0.1 28.03 0.05

w(X, ) 41.5 0.4 36.2 0.4 26.2 0.2 31.8 0.3 27.3 0.3 26.3 0.3

I0(eV)24.5 21.6 15.8

31.5 2

12.5 12.8 12.2

34.98 0.05 33.73 0.15

36.0 0.4

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法诺因子 电子——离子对的数目N是怎样的分布？如果射线交给气体的所有能量都用来 电离——最小电离电位 ① 激发：消耗的能量没有增加N ② 电离(但只一次):消耗的能量增 加了N,但增加的“代价”超过了 最低电离能 ③ 电离(后续还有

δ电离):消耗的 能量增加了N,但增加的“代价” 超过(但更接近)了最低电离能

N是个精确值

N服从法诺分布！ 离子对数的方差

E0 F W2

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不同气体的法诺因子F介于0.2~0.5之间。

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电离还没有结束……在原电离和次电离之后，电离并没有结束，还有其它的电 离过程：

光致电离：介质中原子吸收一个光子，放出一个电子而电离。

Cs原子的电离电位最低：3.88eV; 相应的光子波长为3184Å ,在紫外区； 紫外光或能量更高的光才能产生光致电离。 紫外光子能量较低，光致电离产生的电子动能 很低，一般不能再引起新的电离或激发。

离子反馈：正离子有可能在阴极表面再次产生电子。12 / 198

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电离产生的电子在电场中运动还可以再发生电离 电离产生的电子(除了δ 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。 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。

第一类非弹性碰撞：电子的能量高于气体原子的激发能或电离能，在碰撞时使气体原子激发或电离。

电子在电场中的倍增：正比计数器，G-M计数管13 / 198

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二. 电子与离子在气体中的运动(载流子的移动) 分两种情况来看： 1.没有外加电场的情况 2.有外加电场的情况

1. 不存在外加电场的情况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， …… 此处隐藏：2384字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……