第三章 气体探测器----气体漂移、复合、电压电流曲线、电离室、正比计数器、G-M管、四个时间
作者：互联网
文章目录
第三章 气体探测器
射线与气体的相互作用 → \rightarrow → 电离激发损失+辐射损失(x射线) → \rightarrow → x射线没有能量沉积下来，所以不是单能的 → \rightarrow → 能谱分布主要因素。
三个测量量：计数、能量、时间
气体中电子和离子
气体的电离 ( ！)
比电离：粒子，单位路径，产生的离子对数。
平均自由程：连续两次碰撞之间可能通过的各段自由程的平均值。平均自由程内获得动能，有更大的速度。
电离能：带电粒子，气体中，产生一对离子，所需平均能量。
粒子在同一种气体中的电离能都差不多，30eV上下。
总电离N与入射粒子能量E0、电离能ω (eV)关系：
N = E 0 / ω ( 个 ) N=E_0/\omega (个) N=E0/ω(个)
计算饱和电流要用到！
电离的统计涨落决定了探测器的能量分辨率的下限。
什么意思？
漂移与扩散
only 漂移 could be detected !
漂移：带电粒子,eg.离子、电子，在电场作用下，定向移动。统计它的感应电荷，表示电离数量。
扩散：高浓度向低浓度。密度梯度。
二者可以同时存在。
离子的漂移
实验表明，一定范围(
E
/
P
≤
0.03
V
⋅
c
m
−
1
⋅
P
a
−
1
E/P \leq 0.03 V·cm^{-1}·Pa^{-1}
E/P≤0.03V⋅cm−1⋅Pa−1),稳定状态下，离子漂移速度
W
±
W^{\pm}
W± 与电场强度E成正比，与气体的压力P成反比。
W
±
=
μ
±
E
P
W^{\pm}=\mu^{\pm} \frac{E}{P}
W±=μ±PE
μ
±
\mu^{\pm}
μ±，常数，离子迁移率；
E
P
\frac{E}{P}
PE，约化场强。
一般，
1
0
3
10^3
103cm/s。
电子的漂移
与约化场强E/P，不成正比。但不论是电子还是离子，约化场强up，漂移速度都up！
一般是离子的1000倍，因为平均自由程更大。
对组成气体成分敏感，单原子分子，加入少量多原子分子，加速。
负离子&复合 ( ！)
负离子的形成
电子+气体分子，碰撞，可能被捕获。
负电性：吸引负电荷的；
负电性气体杂质，电子被捕获up，使漂移速度大大减慢，增加了复合损失，不利气体探测器性能。
减小负电性杂质的途径：
- 纯化气体；
- 添加少量的多原子分子气体；(减小电子被捕获概率+增加电子漂移速度)
复合 ( ！)
- 辐射复合
一个正离子吸收一个电子变成激发态原子，并同时发出一个光子带走剩余能量。
这种过程是稀薄等离子体中的主要复合过程，对于天体等离子体研究非常重要。
A + + e − = A ∗ + h v A^++e^-=A^*+hv A++e−=A∗+hv - 碰撞复合
一个正离子与两个电子同时碰撞，其中一个电子与离子结合形成激发态原子，另一个电子带走剩余能量。
在比较稠密的等离子体中这是主要的复合形式。
A + + e − + e − = A ∗ + e − A^++e^-+e^-=A^*+e^- A++e−+e−=A∗+e− - 离解复合
一个带正电的分子离子吸收一个电子而变成一激发态分子，这个激发态分子非常不稳定，立即离解成一个激发态原子和一个中性原子。
其中剩余能量转化为离解碎片的动能。这种复合形式在电离层中经常出现。离子复合在物质化学反应中也有着重要作用。电荷转移学描述化学反应中离子的离化和复合过程。
( A B ) + + e − → ( A B ) ∗ → A + + B (AB)^++e^-\rightarrow (AB)^* \rightarrow A^++B (AB)++e−→(AB)∗→A++B
影响漂移速度的三个因素
一般只有三个变量方便改变：气体成分、电压、电离室形状
气体成分
- 电离能不同。电离能 ↓ \downarrow ↓，容易电离，统计涨落 ↓ \downarrow ↓(分布更窄)，误差 ↓ \downarrow ↓。电离能越小越好。(影响统计涨落)
- 电负性气体成分。 捕捉电子，形成负离子，并阻止放电。eg. S F 6 SF_6 SF6。复合 ↑ \uparrow ↑,漂移的电子数目 ↓ \downarrow ↓,统计涨落 ↑ \uparrow ↑，不好。
- 多原子气体。少量。3个及以上原子。漂移速度 ↑ \uparrow ↑，电流 ↑ \uparrow ↑，信号 ↑ \uparrow ↑。好。
电压U或电场强度E
改变的是约化场强 E P \frac{E}{P} PE的上下两个变量。
- U or E
↑
\uparrow
↑，漂移速度
↑
\uparrow
↑，信号
↑
\uparrow
↑。
对于离子，E ↑ \uparrow ↑，but，m大，加速更困难，且碰撞也更多，所以漂移速度仅有不明显增大。电子则增大较多。 - 大气气压P。一般设定为负压(小于大气压)。气体密度 ↓ \downarrow ↓，碰撞 ↓ \downarrow ↓，平均自由程up，速度up，but信号 ↓ \downarrow ↓。
电离室形状
影响电压分布。
离子收集&电压电流曲线
离子收集
辐射使电极间的气体电离，生成的离子电子对在电场作用下漂移
，最后收集到电极上。电子和正离子(离子电子对)生成后，由于静电感应，电极上将感生电荷，并且随他们的漂移而变化。于是，在输出回路中形成电离电流，电流的强度决定于被收集的离子对数。
不是很懂耶，感应电荷来干嘛的呀？
感谢金学长的解答~~哈哈哈哈哈！
离子电子对的运动过程，产生感应电流，我们显示感应电流大小；离子电子对被极板吸收了，它打在板上，是不会有电流的。
电压电流曲线 ( ！)
很重要的图！
恒定辐照强度测量出图。
电路的复杂程度，从Ⅵ到Ⅰ，逐渐复杂。
Ⅰ- 复合区：复合损失逐渐减小，电离电流随电压增大而增加；
Ⅱ- 饱和区/电离区：复合逐渐消失，电流趋向饱和。该区内，离子可全部被收集。电离室
Ⅲ- 正比区：次级电离发生。气体放大系数，随电压而增大，电压固定则系数固定。电流正比于原电离的电荷数。
Ⅳ- 有限正比区：空间电荷效应，气体放大系数过大，空间离子密集，抵消了部分场强，使系数相对减小。气体放大系数不恒定了，原电离up，空间电荷效应up。这两个区都是，正比计数管。
Ⅴ- G-M区：
α
,
β
\alpha , \beta
α,β两曲线重合。只要发生电离，就会所有的都漂移过来，自持雪崩。G-M计数管，老便宜了。
Ⅵ- 火花区：火花室，观察径迹。
电离室、正比计数器、G-M计数器的基本结构和组成部分是相似的，只是工作条件不同，性能有差别，适用于不同场合。
电离室
-
累计电离室：光子、中子、电子的强度/通量/剂量，eg.反应堆控制、剂量监测；
脉冲电离室：重带电粒子；单个粒子；离子脉冲、电子脉冲。 -
结构：高压极K，收集极C(与记录仪相连)，保护级G(保护边缘电场不被畸变，保持均匀)，负载电阻 R L R_L RL。
平板型、圆柱形。
-
要根据辐射的性质、实验要求，来具体确定电离室。eg. α的，容积和气压要大；γ，要用高Z材料做室壁。
-
保持绝缘体表面干燥、清洁、少损伤，为了控制面电阻。
脉冲电离室
脉冲的形成
开始于离子对形成，结束于离子对全部被收集！ 时间ms。
测的是感应电流！
一个入射粒子的电离引起的。
电子漂移速度比正离子大三个量级。
| 脉冲类型 | 收集量 | 漂移速度 | 幅度决定于 |
|---|---|---|---|
| 电子脉冲 | 部分 | 快三个量级( μ s \mu s μs) | 离子对产生地点 x 0 x_0 x0 |
| 离子脉冲 | 全部 | 慢成分 | 总电离数目 |
离子脉冲电离室因为其频率小、噪声大，不实用了。多数用的还是电子脉冲电离室。
为了解决电子脉冲受
x
0
x_0
x0影响，把均匀E变为不均匀E，进行圆柱形电离室改造计划。
所以，为什么要有圆柱形呢？ x 0 x_0 x0咋影响了？
影响了脉冲幅度&速度。
圆柱形
在一般电压下(~kV),更容易获得强电场区，灵敏体积更大，脉冲幅度与电离产生的地点无关。
外壳阴极，内部阳极。
其电场分布大致如下：
为什么要外阴内阳呀？ ( ！)
myAnswer：电子速度快，所以测电子的感应电流，还可以计数。圆柱形是为了消除电子受限于位置的因素，内部场强大，相应的速度更大，更快，就让电子更快。
Answer：圆柱形电离室的目的在于发挥电子漂移速度快的优点，并使电子在漂移路径扫过大部分的阴阳极压降(为了准确测量粒子能量)，如果中央丝极不是阳极，则电子扫过的压降只是很小的一部分，并且随电离产生位置的变化明显，因此无法准确测量粒子的能量，所以其必须是阳极。
屏栅电离室
- 理想情况：电子不被栅极收集。(实验条件，栅极与收集极间的电场，远大于，栅极与阴极之间电场)
- 无法测时间，因为电子在灵敏体积内的大部分，不进行感应，直到进入栅极与收集阳极之间才开始记录感应电流。
延迟：表示电子云从产生点传至栅极所需时间间隔。
电流脉冲宽度：电子从栅极至收集极的漂移时间。
eg. 高压氙电离室，俄best，高压改变N密度，所以约化场强，P up，E也需要Up，才能使 W + / − W^{+/-} W+/− up,
正比计数器
( ！)
优点：1. 脉冲幅度大；2. 灵敏度高；3. 脉冲幅度几乎与原电离的地点无关。可作快速计数
缺点：1. 脉冲幅度随工作电压变化较大；2. 容易受外来电磁干扰；3. 对电源稳定性要求较高。
几乎都是圆柱形。
少数多丝平板，中间阳极也是许多阳极丝构成的，是中心的电场仍然聚集。
易受外界电磁场干扰，对电源稳定性要求高。
W
+
W^+
W+增大，不可忽略它贡献的脉冲了。
正比区内，电子增殖由于电离碰撞，光子效应极弱，一次雪崩，增殖终止。
雪崩：在漂移过程中，电子在平均自由程内获得的能量足以使气体分子电离，新的电子又被加速，继续发生电离碰撞，越靠近阳极，碰撞概率越大，不断增殖的结果将倍增出大量的电子和正离子。
电离碰撞过程
1.电子在漂移过程中，越接近阳极，电场强度越大。到达某一距离后，次级电离接连发生。
越接近阳极，电离碰撞概率越大。 电子雪崩。
2. 正比区仅电离碰撞；
有限正比区还会出现光子反馈。
有限正比区的气体放大
光子反馈：
- 光电效应(产生)：电子这边；原子退激、复合过程，产生光子，能量，足够在气体或阴极表面，发射光电子。
- 阴极表面的二次发射(产生)：离子+阴极表面，产生光子，继续光电效应，光电子。
- 空间电荷效应 ( ！)(后果)：雪崩中，正离子漂移速度较慢，会在某个时间(死时间)几乎停滞在阳极附近，形成正离子云。阳极附近的电场减弱，使放大倍数M减小。
上述三种效应均随着U的up而up。但是，电离碰撞仍占据主要地位，约80%。
为什么阳极附近的电场会减弱？
相当于阴阳极之间d减小，d ↓ \downarrow ↓ ，则，U ↓ \downarrow ↓，但要注意，E不变。
使光子反馈减小的因素
- 阴极表面氧化，使光电发射概率减小。
- 极板表面积减小
- 增加多原子分子气体
eg. C H 4 CH_4 CH4,能强烈地吸收紫外光而分解，从而抑制了光子作用。
(不同于猝熄：复合转荷过程，吸收正离子，成为新的正离子，抑制阴极上的二次发射)
G-M计数管
( ！)
- 优点：灵敏度高、脉冲幅度大、稳定性高(对电源要求小)，大小和外型可多变、便宜简单
- 缺点：死时间长(100 μ \mu μs)、不能鉴别粒子的类型和能量
- 非自熄计数器(淘汰)
自猝熄计数器：有机、卤素 - 圆柱形(主)
- 为了控制外壳阴极、中央阳极，可以通过接地和正负高压来进行调节。
eg.中央阳极接地+阴极接负高压；阴极接地+阳极接正高压。 - 自持放电，G-M区内，不可控的，很多的光子反馈。
离子对 → \rightarrow → 漂移 → \rightarrow → 电离碰撞 → \rightarrow → 电子 → \rightarrow → 光子 → \rightarrow → 电子 → \rightarrow →漂移 …( 1 0 − 7 s 10^{-7}s 10−7s)
作为射线探测器，要求一个入射粒子，一次放电，一个脉冲。自持放电不可取，需要猝熄。
但仍保证有一次雪崩！
自持放电：每次雪崩能够产生一个新电子，放电便会持续地发展下去，很快10^(-7)s内遍及整个灵敏区。
猝熄：一次放电后，就必须使它终止后续电离。
有机自熄计数器(有机管)
寿命短，气体分子不可再生。
猝熄气体作用： ( ！)
- 吸收紫外光，之后猝熄分子超前解离成简单分子；
- 抑制正离子发射，电荷交换。
卤素管
寿命更长。
解离后会重新复合。eg. Br、Br 原子会重新复核成
B
r
2
Br_2
Br2 分子。
死时间、恢复时间、分辨时间 ( ！)
- 死时间：正离子鞘，开始削弱U，使放电停止，直到移动到，U可以使其继续放点为止，的时间段。
- 恢复时间：死时间后，粒子产生的脉冲恢复到正常值所需时间。
- 分辨时间：从第一个脉冲开始到第二个脉冲的幅度恢复到Vd的时间，这段时间，进入技术官的粒子均无法被记录下来。
触发阈Vd：电子线路所有，脉冲必须超过幅度Vd才能触发记录电路。
- 扩展型：30s内，按一下，再加30s；
非扩展型：30s内，按一下，没反应
主要原因，看分辨时间那一条线，是在死时间上面(扩展)还是下面(非)。
标签：离子,电离,电离室,电子,气体,----,漂移 来源： https://blog.csdn.net/qq_30869745/article/details/116721643