3气体探测器-08PPT课件下载推荐.ppt

3气体探测器-08PPT课件下载推荐.ppt

《3气体探测器-08PPT课件下载推荐.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3气体探测器-08PPT课件下载推荐.ppt（57页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,9,1.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。

（p56表32）,电场强度,气体压力,约化场强,离子迁移率,2023/4/28,中国科大汪晓莲,10,2.电子的漂移运动,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（p56fig.3-2）。

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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,11,3.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。

根据气体动力学，粒子速度遵从麦克斯韦分布，则扩散常数与气体性质、温度和压强有关。

电子的扩散常数大于离子的扩散常数。

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。

粒子杂乱运动速度,平均自由程,2023/4/28,中国科大汪晓莲,12,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。

通常条件下并遵从麦克斯韦能量分布规律：

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,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：

2023/4/28,中国科大汪晓莲,13,4.电子的吸附,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几率。

它与气体性质有关，不同的气体有不同的h值。

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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,14,5.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（p56,表32）,复合系数,2023/4/28,中国科大汪晓莲,15,三、外加电场对电离粒子运动的影响,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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,16,第一区段：

复合区,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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,17,第三段区：

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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,18,第四区段：

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。

这一区段称为有限正比区。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,19,第六区段：

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。

第五区段：

GM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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,20,3-2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？

2023/4/28,中国科大汪晓莲,21,一、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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,22,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。

二、电离室的类型,2023/4/28,中国科大汪晓莲,23,三、电离室的构造,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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,24,四、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。

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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,25,五、脉冲电离室,脉冲形成,2023/4/28,中国科大汪晓莲,26,输出脉冲幅度,距集电极x处电荷,距集电极x处电位,2023/4/28,中国科大汪晓莲,27,平板电离室的脉冲幅度,各点电场强度均匀在c处电位代入电压公式,2023/4/28,中国科大汪晓莲,28,圆柱形电离室的脉冲幅度,2023/4/28,中国科大汪晓莲,29,脉冲电离室输出脉冲波形,2023/4/28,中国科大汪晓莲,30,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tT-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-tT+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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,31,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。

由于没有R，集电极外面的负电荷很快通过外电路流到电源内，形成电离室电离电流。

当电子和正离子到达电极后，与极板上感应电荷中和，因而外电路中电流消失，从而在外电路产生一个电流脉冲信号。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,32,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,2023/4/28,中国科大汪晓莲,33,六、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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,34,脉冲电离室的坪特性,甄别阈坪特性,2.高压坪特性,2023/4/28,中国科大汪晓莲,35,七、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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,36,3-3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是原初电离感生应脉冲幅度的M倍。

优点：

脉冲幅度较大，比电离室大102104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,2023/4/28,中国科大汪晓莲,37,Electronsliberatedbyionizationdrifttowardstheanodewire.Electricalfieldclosetothewire（fewtensofm）issufficientlyhigh（10kV/cm）forelectronstogainenoughenergytoionizefurther-avalancheexponentialincreaseofnumberofelectronionpairs.,一、工作原理和脉冲波形,1.Gasamplification,2023/4/28,中国科大汪晓莲,38,ChoiceofGas:

Densenoblegases.Energydissipationmainlybyionization.（highspecificionization）（Ar）Quenchers:

De-excitationofnoblegasesonlyviaemissionofphotons;

e.g.11.6eVforAr.Thisisaboveionizationthresholdofmetals;

e.g.Cu7.7eV.Additionofpoly-atomicgasasaquencher.CH4;

i-C4H10;

CO2Methane:

absorptionband7.9-14.5eV,AmplificationfactororGain,2023/4/28,中国科大汪晓莲,39,t（ns）,2023/4/28,中国科大汪晓莲,40,正比计数器输出脉冲波形,第73页图3-18,2023/4/28,中国科大汪晓莲,41,二、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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,42,能量分辨率和能量线性响应能量分辨率能量线性响应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。

高计数率特性探测效率寿命,2023/4/28,中国科大汪晓莲,43,三、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（4-50m）。

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100-150mBe窗，充Ar气；

10KeV的X射线充Xe，以提高探测效率。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,44,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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,45,3-4G-M计数器,工作在电离放大曲线的第五区，M105。

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。

Q0MN0e常数。

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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,46,GM计数器的种类,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、GM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,2023/4/28,中国科大汪晓莲,47,在GM计数器中，M0已经很大，所以M01，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。

光子光电子倍增,2023/4/28,中国科大汪晓莲,48,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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,49,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，而是在阴极上产生光电子进入气体。

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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,50,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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,51,脉冲波形,由于M很大，故GM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100300s。

负载电阻选515M。

R太大会使RC大于上述死时间，R太小，坪特性变坏。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,52,二、GM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。

2023/4/28,中国科大汪晓莲,53,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,2023/4/28,中国科大汪晓莲,54,二、GM计数器的特性,坪特性和寿命有机管：

坪长200300V，坪斜0.050.1/V，寿命108脉冲卤素管：

坪长约80V，坪斜约0.1/V，寿命1010脉冲,2023/4/28,中国科大汪晓莲,55,放电现象：

出现几率小，但存在破坏性大的1）当雪崩过程中的超过107-108电子离子对时，原初雪崩位置附近的电场的增大会引起流光放电。

2）为了探测最小电离粒子，气体探测器的增益一般要达到104，偶尔发生的大量电离很容易引起局部放电。

3）在探测高能强子时，重粒子和探测器材料发生强相互作用也很容易在工作气体中产生高密度的电子离子对。

4）电荷堆积也会引起的放电消除电荷堆积堆积的办法1）在放大结构的边缘覆盖适当绝缘层，使之进一步钝化2）使用多极放大结构,3-5气体探测器的工作寿命,2023/4/28,中国科大汪晓莲,56,老化：

在辐照过程中破坏性小，但持续。

1）探测器材料特性的变化，通常是电极或者绝缘性能受到损害；

2）工作气体的变化，特别是淬灭气体的分解；

3）电极和场丝表面沉积和氧化。

这些都会导致探测器性能的不稳定,2023/4/28,中国科大汪晓莲,57,小结,气体探测器均以气体作为探测介质。

电离室、正比计数器、GM计数器是工作在电离放大曲线不同区段的探测器。

在气体探测器中电子雪崩倍增过程起着十分重要的作用。

具有制备简单、性能可靠、成本低廉、使用方便等优点，有广泛的应用。

20世纪70年代以来，气体探测器有很大发展，在高能物理和重离子物理实验中获得新的应用，并广泛应用于核医学、生物学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。