氣體探測(cè)器與中子探測(cè)

1、氣體探測(cè)器與中子探測(cè)氣體探測(cè)器概述氣體探測(cè)器是人類歷史上應(yīng)用最悠久的核輻射探測(cè)器,在早期核物理發(fā)展中起了很大作用,例如宇宙線和中子是在電離室中發(fā)現(xiàn)的,迄今已有一百多年的歷史。氣體探測(cè)器是以氣體作為探測(cè)介質(zhì),利用電極收集入射粒子在氣體中產(chǎn)生的電荷來探測(cè)粒子,獲取入射粒子的能量、時(shí)間及位置等相關(guān)信息。氣體探測(cè)器測(cè)量原理氣體探測(cè)器是以工作氣體（既可以是混合氣體,也可以是單一氣體）作為探測(cè)物質(zhì),利用電極收集入射粒子在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來探測(cè)粒子,獲取入射粒子的能量、時(shí)間及位置等相關(guān)信息。盡管氣體探測(cè)器的形式和結(jié)構(gòu)各種各樣,但幾乎都是利用電極來收集電離電荷的,它們通常都是由高壓電極和收集電極組成。入射

2、粒子進(jìn)入靈敏區(qū)后，通過使電極間氣體電離,生成的電子和正離子在電場(chǎng)的作用下分別向相反方向漂移,最后被電極收集。在漂移過程中,由于靜電感應(yīng),電極上將感生電荷,并且隨他們的漂移而變化,于是在輸出回路中形成感應(yīng)電流,收集的電子-離子對(duì)數(shù)目決定了輸出電流的大小。氣體探測(cè)器正是利用此特性實(shí)現(xiàn)了探測(cè)粒子的功能。帶電粒子在工作氣體中的能量損失與統(tǒng)計(jì)規(guī)律入射帶電粒子通過氣體時(shí)，由于與氣體分子的電離碰撞而逐次損失能量，最后被阻止下來。碰撞的結(jié)果使氣體分子電離或激發(fā)，并在粒子通過的徑跡上生成大量的離子對(duì)（電子和正離子）。上述電離過程包括入射粒子直接與氣體分子碰撞引起的電離，以及由碰撞打出的高速電子（6電子）所引起的

3、電離。前一過程產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)稱為初電離，后一過程產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)稱為次電離，初電離和次電離的總和稱為總電離。此外，粒子在單位路程上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)稱為比電離。帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一對(duì)電子-離子所需的平均能量w稱為平均電離能，公式2.1所示。（2.1）式（2.1）中E為帶電粒子在探測(cè)器中的能量損失，N為電離過程產(chǎn)生的平均電子-離子對(duì)數(shù)目。在氣體中產(chǎn)生一個(gè)電子一離子對(duì)所需能量（平均電離能）約為30eV,若一個(gè)能量為3keV的帶電粒子與氣體相互作用則能產(chǎn)生3000/30100電子一離子對(duì)。作為測(cè)量能量用的探測(cè)器,它的輸出脈沖幅度一般與探測(cè)器對(duì)入射粒子所吸收的能量成正比。但是，即使探測(cè)器對(duì)粒子所吸收的能量

4、完全相同，所對(duì)應(yīng)的輸出脈沖幅度也不完全一樣，即有大小不同的漲落，在能譜上形成一個(gè)具有一定寬度的峰。造成這種漲落的原因很多.其中一個(gè)重要的因素是由電離的統(tǒng)計(jì)漲落引起的。1.2.2電子與離子在氣體中的運(yùn)動(dòng)電子和離子在氣體中可能發(fā)生以下幾種物理過程:漂移、擴(kuò)散、電子吸附和復(fù)合。漂移：微觀尺寸上,氣體中的電子和離子的漂移是電子和離子與氣體分子或原子碰撞后散射,因而它們的運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的,即瞬時(shí)速度v方向是不一定的。離子或電子在外電場(chǎng)中被加速，但是它又和氣體分子隨機(jī)碰撞沿著電場(chǎng)方向緩慢運(yùn)動(dòng)，損失能量而減速。不斷加速和減速的結(jié)果,宏觀上就表現(xiàn)為它們具有一定的平均速度,稱為漂移速度v,公式為式（2.2）。假

5、設(shè)每次碰撞后電離粒子的動(dòng)量全部損失,就可以導(dǎo)出下述公式：（2.2）式中上為電場(chǎng)強(qiáng)度，是氣體壓力，5是電離粒子的質(zhì)量，人是它在latm下的平均自由路程，是它在電場(chǎng)下混亂運(yùn)動(dòng)的平均速度,也稱激活速度。*弓”是在兩次碰撞之間（；/）電離粒子的加速度，（3療）為走過（；/；）路程所需時(shí)間。激活速度可以用平均激活能.I表示，是電離粒子混亂運(yùn)動(dòng)的能量在有電場(chǎng)時(shí)比無(wú)電場(chǎng)時(shí)所增加的倍數(shù),即有關(guān)系式：(2.(2.3)(2.4)(2.4)電子的n隨氣體種類的不同差別很大，惰性氣體的很大，雙原子分子氣體的n比較小。其原因是：電子會(huì)從電場(chǎng)中得到能量和動(dòng)量，同時(shí)它與氣體分子碰撞時(shí)又會(huì)損失能量和動(dòng)量,而激活能正是依賴于兩

6、者的平衡。多原子分子氣體在較低電子能量下就會(huì)出現(xiàn)非彈性碰撞,這就阻止了平衡能量值的無(wú)限上升。因此,在惰性氣體中加入多原子分子氣體會(huì)大大降低n值,激活速度u減小,進(jìn)而大大增加電子的漂移速度。例如,在氮?dú)庵谢烊攵趸蓟蚣淄?可以使電子漂移速度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電子漂移結(jié)果如圖2.1,電子的漂移速度一般比離子大103倍，約106cm/s,電子的漂移速度對(duì)組成氣體的成分非常靈敏。擊(V/l33cm*Pa)圖L1電子在氣體中的漂移速度1)擴(kuò)散電子和正離子由于空間密度不均勻，從密度大的區(qū)域向密度小的區(qū)域擴(kuò)散。由于擴(kuò)散的結(jié)果，原初電離形成的離子隨時(shí)間增加向四周擴(kuò)散，電離產(chǎn)生的電子和離子并不會(huì)完全沿

7、著外電場(chǎng)方向漂移;而是在漂移的同時(shí)還要向四周擴(kuò)散。利用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論可以得到室溫條件下,擴(kuò)散平均距離1與漂移平均距離的關(guān)系如下：式（2.4）中，I表示平均激活能，V是離子產(chǎn)生地點(diǎn)到最終位置間的電位差，即電場(chǎng)強(qiáng)度乘漂移距離。表示電子或離子沿電場(chǎng)漂移一段距離后的橫向擴(kuò)散程度。若在惰性氣體中加入多原子分子氣體會(huì)大大減小”，從而也就大大減小了擴(kuò)散的影響電子吸附：電子在運(yùn)動(dòng)過程中,被中性氣體原子或分子俘獲,形成負(fù)離子。每一次碰撞，電子的吸附幾率稱為氣體的吸附系數(shù)ho不同氣體的h值相差很大,對(duì)H2和所有惰性氣體，h生0；鹵素分子、氧分子、水分子的h值都比較較大。通常把吸附電子幾率h較大的氣體稱為“負(fù)電性氣體”

8、。電子被負(fù)電性氣體俘獲形成負(fù)離子后，漂移速度減小，同時(shí),負(fù)離子比電子更容易與正離子復(fù)合成中性粒子。從而導(dǎo)致收集到的電離數(shù)N減少,這在能量測(cè)量中是不希望的。為了盡量減少電子俘獲,探測(cè)器應(yīng)使用h值較小的氣體,并使負(fù)電性氣體雜質(zhì)的含量減到最低限度。復(fù)合：正離子和電子（或負(fù)離子）相遇時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電荷中和形成中性粒子。復(fù)合幾率與正負(fù)離子密度成正比。即：（2.5）式（2.5）中：一八十是單位體積內(nèi)的負(fù)、正離子數(shù)。比例系數(shù)n稱為復(fù)合系數(shù)，其與氣體本身有關(guān)，也與氣壓、溫度以及正負(fù)離子之間的相對(duì)速度等因素有關(guān)。電子的復(fù)合系數(shù)比負(fù)離子小很多。因此只要不含負(fù)電性氣體，在通常工作情況下復(fù)合效應(yīng)是很小的。復(fù)合現(xiàn)象的存

9、在將會(huì)破壞原始入射粒子電離效應(yīng)與輸出信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,氣體探測(cè)器應(yīng)盡量避免這種因素的影響。1.2.3外加電場(chǎng)對(duì)電離粒子運(yùn)動(dòng)的影響假設(shè)在探測(cè)器氣體空間形成.。個(gè)電子離子對(duì)，在外加電壓的作用下，這些電子和正離子分別向正、負(fù)電極漂移而被電極收集。圖2.2是外加電壓與離子對(duì)收集數(shù)的關(guān)系曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥吹?氣體探測(cè)器外加電壓與離子對(duì)收集數(shù)的關(guān)系曲線可明顯地分為五個(gè)區(qū)段.第I區(qū)復(fù)合區(qū)（外加電壓小于），外加電壓較低,離子漂移速度很小,擴(kuò)散和復(fù)合效應(yīng)起主要作用。由于復(fù)合，電極上收集到的離子對(duì)數(shù)小于初總電離數(shù)目I。第H區(qū)飽和區(qū)（電壓大于，但小于），外加電壓達(dá)到時(shí),繼續(xù)增大電壓,氣體探測(cè)器中復(fù)合效應(yīng)基本消失,

10、入射粒子在氣體中初始電離數(shù)N?？梢员浑姌O全部收集。在恒定強(qiáng)度放射源照射下，被收集的電荷數(shù)基本上保持不變，曲線近似呈水平線形狀，電流趨于飽和，因此第II區(qū)稱為飽和區(qū)又稱電離區(qū)，在此區(qū)工作的氣體探測(cè)器稱為電離室。圖2.2中曲線的標(biāo)記分別對(duì)應(yīng)口和I2粒子，由于粒子在單位長(zhǎng)度氣體中損失的能量大于電子的，所以口粒子初始電離產(chǎn)生的電荷量也大于電子的，所以粒子對(duì)應(yīng)的曲線在B粒子對(duì)應(yīng)曲線的上方可見工作在第II區(qū)的電離室既可以探測(cè)粒子的能量也可以探測(cè)粒子的強(qiáng)度。第III區(qū)正比區(qū)（電壓大于V瓦但小于），外加電壓超過以后,電流又開始上升,這是因?yàn)榇藭r(shí)氣體的電場(chǎng)強(qiáng)度足以使初始電離出的電子獲得足夠的動(dòng)能引起氣體進(jìn)一步電

11、離,產(chǎn)生更多的次級(jí)電子一離子對(duì),被收集的離子對(duì)數(shù)大于初總電離數(shù),這種現(xiàn)象就是氣體放電理論中的湯生放電（又稱電子雪崩），而電子倍增量稱為氣體放大倍數(shù)。氣體放大倍數(shù)：M-；。外加電壓越高,M越大。一般地,湯遜放大可使電子-離子對(duì)數(shù)倍增至初始電離的10-105倍，但電壓固定時(shí),氣體放大倍數(shù)是恒定的。因此電極上收集的所有電荷數(shù)正比于初始電離的電荷數(shù),所以第III區(qū)稱為正比區(qū)，而將工作在此區(qū)的氣體探測(cè)器稱為正比室,可見氣體探測(cè)器工作在第III區(qū)時(shí),仍可用來測(cè)量粒子的能量和強(qiáng)度。對(duì)于正比室而言,其氣體放大倍數(shù)對(duì)高壓很敏感,因此正比室對(duì)電壓的穩(wěn)定度要求較高,應(yīng)小于0.1%。正計(jì)數(shù)器、多絲正比室和漂移室工作于

12、這一區(qū)間內(nèi)。第IV區(qū)有限正比區(qū)（電壓大于但小于），電壓繼續(xù)增大時(shí)，氣體放大倍數(shù)過大,漂移速度較慢的正離子會(huì)“滯留”在陽(yáng)極附近形成空間電荷,削弱陽(yáng)極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度,電子雪崩就會(huì)受到抑制,反而使氣體放大倍數(shù)隨外加電壓的增加也相對(duì)地減小,形成所謂的空間電荷效應(yīng)。顯然,初始電離越強(qiáng),這種效應(yīng)越明顯。因第IV區(qū)的電子雪崩受到了空間電荷效應(yīng)的抑制,氣體放大倍數(shù)不再恒定,而與初始電子-離子對(duì)數(shù)相關(guān),收集到的電荷數(shù)不再與初始電離離子對(duì)嚴(yán)格成比例,所以第IV區(qū)稱為有限正比區(qū)。第V區(qū)蓋勒-彌勒區(qū)（電壓大于心,但小于），進(jìn)入第丫區(qū)段后，此時(shí)不僅存在電子雪崩,同時(shí)也存在光子和電子,因此電子倍增更加劇烈,電流開始激增而

13、形成自激放電，電極收集的電荷再次達(dá)到飽和，電流強(qiáng)度不再與初始電離有關(guān),初始電離只對(duì)放電起“點(diǎn)火”作用因此在第V區(qū)段，匕和I2的兩支曲線出現(xiàn)重合。在第V區(qū)中，如果每次放電都能采用某種方法（如采用脈沖供電或使用猝滅性氣體）使放電終止,那么單位時(shí)間里的電流強(qiáng)度就可放映粒子的輻射強(qiáng)弱,所以盡管第V區(qū)不能再測(cè)量粒子的能量但可用來探測(cè)粒子的輻射強(qiáng)度。由于工作在第V區(qū)的氣體探測(cè)器G-M計(jì)數(shù)管是由Geiger和Mueller發(fā)明的，因此第V區(qū)段稱為G-M區(qū)。第V區(qū)連續(xù)放電區(qū)（大于工），當(dāng)外加電壓繼續(xù)增高時(shí)，電極收集的電離數(shù)再次劇烈增長(zhǎng),電子倍增會(huì)導(dǎo)致連續(xù)放電,同時(shí)伴有大量光子,利用此特性,人們也設(shè)計(jì)出了流光室

14、、火花室及自猝滅流光室。綜上所述,不同工作區(qū)域的探測(cè)器,電離粒子與氣體分子作用機(jī)制不同,輸出信號(hào)的性質(zhì)也不同,從而,可將它們分為電離室、正比計(jì)數(shù)器、蓋革一彌勒計(jì)數(shù)器及連續(xù)放電型探測(cè)器等不同的氣體電離探測(cè)器。fO1HfO1Hr11-)蓋本1卜然區(qū)電慶V圖2.2外加電壓與電離電流的關(guān)系曲線萋+gg1.3中子探測(cè)概述中子探測(cè)概述由于中子本身不帶電，所以要對(duì)中子進(jìn)行探測(cè)，必須先把它轉(zhuǎn)化為帶電粒子進(jìn)行探測(cè)。中子是通過與物質(zhì)的彈性散射、核反應(yīng)、核裂變、活化等產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子對(duì)其進(jìn)行探測(cè)的。所有的中子探測(cè)器，至少包含了一種可以把中子轉(zhuǎn)化為可探測(cè)的帶電粒子的材料，而和中子發(fā)生相互作用的材料，它們的截面依賴于

15、入射中子的能量，并且不同的探測(cè)器專注于探測(cè)某一特定能區(qū)的中子。常用的中子探測(cè)器分為兩大類：熱中子探測(cè)器和快中子探測(cè)器，轉(zhuǎn)化材料通常需要滿足以下五點(diǎn)要求：具有大的中子作用截面，它能夠使中子更容易轉(zhuǎn)化為可探測(cè)的帶電粒子。應(yīng)該是一種自然界同位素豐度較高的核素，或者是一種容易提純得到并被探測(cè)器使用的人造物質(zhì)。參加反應(yīng)的Q值很高，這樣就容易區(qū)分由gamma射線引起的脈沖幅度。中子產(chǎn)生的次級(jí)粒子應(yīng)該有足夠大的能量逃出轉(zhuǎn)化層到達(dá)探測(cè)器的靈敏區(qū)，這樣才能產(chǎn)生大量的可探測(cè)的有效信號(hào)。對(duì)中子成像探測(cè)器來說，中子轉(zhuǎn)化出來的次級(jí)粒子射程不能太長(zhǎng)，因?yàn)殚L(zhǎng)射程的粒子可能使讀出電路板的像素（pixel）或者盤（pad）點(diǎn)火

16、區(qū)域增大導(dǎo)致分辨率下降。中子探測(cè)器中子徑跡探測(cè)器由特定固體材料制成，中子與該特定材料核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子會(huì)對(duì)探測(cè)器造成一定的輻射損傷，通過化學(xué)蝕刻方法，使這些損傷顯現(xiàn)出來，這樣就得到了中子徑跡。中子顯像屏由一層薄熒光粉與轉(zhuǎn)化層組成，它們通過混合有機(jī)粘合劑粘合而成，并被涂覆在聚合薄膜上。它的探測(cè)原理是入射中子產(chǎn)生的次級(jí)粒子使感光材料曝光，后續(xù)電子學(xué)收集這些信號(hào)并以數(shù)字或者圖像的形式輸出?；罨綔y(cè)器是通過在特定位置和方向測(cè)量中子與探測(cè)器中的特定材料發(fā)生輻射俘獲反應(yīng)釋放出光子以及新生成的核素所釋放出的B電子來反演中子信息一種探測(cè)器。它具有成本低、物理過程簡(jiǎn)單和易于校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。反沖質(zhì)子技術(shù)是利用測(cè)量反

17、沖質(zhì)子的能量和方向來推斷入射中子信息的一種技術(shù)，常用于測(cè)量快中子，其所使用的轉(zhuǎn)化層通常是富含氫的材料薄層。通過對(duì)反沖質(zhì)子攜帶的信息進(jìn)行精確提取，就可以在較大能量范圍獲得高精度的中子能譜。正比型探測(cè)器是指那些工作在正比區(qū)的氣體探測(cè)器，如3He管、裂變室、多絲正比室、微條氣體探測(cè)器、平行板雪崩室和多氣隙阻性板。近年來一種新型微模式氣體探測(cè)器廣泛地使用在高能物理和中子探測(cè)上，如微網(wǎng)型氣體探測(cè)器以及它的衍化型和微孔型氣體電子倍增器（GasElectronmultiplier,GEM）和它的衍生型，如厚氣體電子倍增器（ThickGEM，THGEM），阻性氣體電子倍增器（REsistiveGEM，REGM

18、E）等。n-Y甄別在中子探測(cè)過程中，由于中子與周圍其他物質(zhì)會(huì)發(fā)生非彈性散射和慢化中子的俘獲等作用，在中子輻射場(chǎng)中會(huì)存在大量的Y本底，因此需要采用n-Y甄別技術(shù)，扣除Y本底，減少Y本底帶來的干擾。一個(gè)中子探測(cè)器，除了探測(cè)效率，能量分辨率，有效增益等性能參量以外，其對(duì)Y射線是否靈敏,能否用n-Y甄別方法排除Y射線，這往往也會(huì)成為中子探測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)。因此，如何從中子和Y的混合場(chǎng)中挑選出中子信號(hào)、除掉伽馬信號(hào)是快中子探測(cè)的關(guān)鍵問題。n-Y甄別技術(shù)的最終目的是消除伽馬射線對(duì)中子探測(cè)的干擾。完成n-Y甄別的主要方法包括以下幾種：5差分法:利用中子伽馬射線與物質(zhì)相互作用不同的機(jī)理:如鉛、鐵、鎢等重金屬材料可以有效減弱Y射線，但它們卻不改變中子能譜（中子能量應(yīng)低于非彈性散射閾值），且對(duì)中子束強(qiáng)度的影響也不大?？梢酝ㄟ^選擇探測(cè)器參數(shù)與位置,來大大改善中子探測(cè)的效果。飛行時(shí)間法:利用中子的飛行速度比伽馬射線小的特點(diǎn),在時(shí)間上把中子、伽馬信號(hào)區(qū)分,這對(duì)測(cè)量環(huán)境空間有所要求,并需要有足夠的中子注量率。輻