氣體探測器與中子探測

1、氣體探測器與中子探測氣體探測器概述氣體探測器是人類歷史上應用最悠久的核輻射探測器,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)現的,迄今已有一百多年的歷史。氣體探測器是以氣體作為探測介質,利用電極收集入射粒子在氣體中產生的電荷來探測粒子,獲取入射粒子的能量、時間及位置等相關信息。氣體探測器測量原理氣體探測器是以工作氣體（既可以是混合氣體,也可以是單一氣體）作為探測物質,利用電極收集入射粒子在氣體中產生的電離電荷來探測粒子,獲取入射粒子的能量、時間及位置等相關信息。盡管氣體探測器的形式和結構各種各樣,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,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電流,收集的電子-離子對數目決定了輸出電流的大小。氣體探測器正是利用此特性實現了探測粒子的功能。帶電粒子在工作氣體中的能量損失與統(tǒng)計規(guī)律入射帶電粒子通過氣體時，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（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。前一過程產生的離子對數稱為初電離，后一過程產生的離子對數稱為次電離，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生的離子對數稱為比電離。帶電粒子在氣體中產生一對電子-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為帶電粒子在探測器中的能量損失，N為電離過程產生的平均電子-離子對數目。在氣體中產生一個電子一離子對所需能量（平均電離能）約為30eV,若一個能量為3keV的帶電粒子與氣體相互作用則能產生3000/30100電子一離子對。作為測量能量用的探測器,它的輸出脈沖幅度一般與探測器對入射粒子所吸收的能量成正比。但是，即使探測器對粒子所吸收的能量

4、完全相同，所對應的輸出脈沖幅度也不完全一樣，即有大小不同的漲落，在能譜上形成一個具有一定寬度的峰。造成這種漲落的原因很多.其中一個重要的因素是由電離的統(tǒng)計漲落引起的。1.2.2電子與離子在氣體中的運動電子和離子在氣體中可能發(fā)生以下幾種物理過程:漂移、擴散、電子吸附和復合。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,因而它們的運動方向是隨機的,即瞬時速度v方向是不一定的。離子或電子在外電場中被加速，但是它又和氣體分子隨機碰撞沿著電場方向緩慢運動，損失能量而減速。不斷加速和減速的結果,宏觀上就表現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、設每次碰撞后電離粒子的動量全部損失,就可以導出下述公式：（2.2）式中上為電場強度，是氣體壓力，5是電離粒子的質量，人是它在latm下的平均自由路程，是它在電場下混亂運動的平均速度,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（；/；）路程所需時間。激活速度可以用平均激活能.I表示，是電離粒子混亂運動的能量在有電場時比無電場時所增加的倍數,即有關系式：(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：電子會從電場中得到能量和動量，同時它與氣體分子碰撞時又會損失能量和動量,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出現非彈性碰撞,這就阻止了平衡能量值的無限上升。因此,在惰性氣體中加入多原子分子氣體會大大降低n值,激活速度u減小,進而大大增加電子的漂移速度。例如,在氮氣中混入二氧化碳或甲烷,可以使電子漂移速度提高一個數量級。實驗測得的電子漂移結果如圖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)域擴散。由于擴散的結果，原初電離形成的離子隨時間增加向四周擴散，電離產生的電子和離子并不會完全沿

7、著外電場方向漂移;而是在漂移的同時還要向四周擴散。利用運動學理論可以得到室溫條件下,擴散平均距離1與漂移平均距離的關系如下：式（2.4）中，I表示平均激活能，V是離子產生地點到最終位置間的電位差，即電場強度乘漂移距離。表示電子或離子沿電場漂移一段距離后的橫向擴散程度。若在惰性氣體中加入多原子分子氣體會大大減小”，從而也就大大減小了擴散的影響電子吸附：電子在運動過程中,被中性氣體原子或分子俘獲,形成負離子。每一次碰撞，電子的吸附幾率稱為氣體的吸附系數ho不同氣體的h值相差很大,對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“負電性氣體”

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

9、在將會破壞原始入射粒子電離效應與輸出信號的對應關系,氣體探測器應盡量避免這種因素的影響。1.2.3外加電場對電離粒子運動的影響假設在探測器氣體空間形成.。個電子離子對，在外加電壓的作用下，這些電子和正離子分別向正、負電極漂移而被電極收集。圖2.2是外加電壓與離子對收集數的關系曲線的實驗結果?？梢钥吹?氣體探測器外加電壓與離子對收集數的關系曲線可明顯地分為五個區(qū)段.第I區(qū)復合區(qū)（外加電壓小于），外加電壓較低,離子漂移速度很小,擴散和復合效應起主要作用。由于復合，電極上收集到的離子對數小于初總電離數目I。第H區(qū)飽和區(qū)（電壓大于，但小于），外加電壓達到時,繼續(xù)增大電壓,氣體探測器中復合效應基本消失,

10、入射粒子在氣體中初始電離數N?？梢员浑姌O全部收集。在恒定強度放射源照射下，被收集的電荷數基本上保持不變，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)工作的氣體探測器稱為電離室。圖2.2中曲線的標記分別對應口和I2粒子，由于粒子在單位長度氣體中損失的能量大于電子的，所以口粒子初始電離產生的電荷量也大于電子的，所以粒子對應的曲線在B粒子對應曲線的上方可見工作在第II區(qū)的電離室既可以探測粒子的能量也可以探測粒子的強度。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,這是因為此時氣體的電場強度足以使初始電離出的電子獲得足夠的動能引起氣體進一步電

11、離,產生更多的次級電子一離子對,被收集的離子對數大于初總電離數,這種現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。氣體放大倍數：M-；。外加電壓越高,M越大。一般地,湯遜放大可使電子-離子對數倍增至初始電離的10-105倍，但電壓固定時,氣體放大倍數是恒定的。因此電極上收集的所有電荷數正比于初始電離的電荷數,所以第III區(qū)稱為正比區(qū)，而將工作在此區(qū)的氣體探測器稱為正比室,可見氣體探測器工作在第III區(qū)時,仍可用來測量粒子的能量和強度。對于正比室而言,其氣體放大倍數對高壓很敏感,因此正比室對電壓的穩(wěn)定度要求較高,應小于0.1%。正計數器、多絲正比室和漂移室工作于

12、這一區(qū)間內。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，氣體放大倍數過大,漂移速度較慢的正離子會“滯留”在陽極附近形成空間電荷,削弱陽極附近的電場強度,電子雪崩就會受到抑制,反而使氣體放大倍數隨外加電壓的增加也相對地減小,形成所謂的空間電荷效應。顯然,初始電離越強,這種效應越明顯。因第IV區(qū)的電子雪崩受到了空間電荷效應的抑制,氣體放大倍數不再恒定,而與初始電子-離子對數相關,收集到的電荷數不再與初始電離離子對嚴格成比例,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），進入第丫區(qū)段后，此時不僅存在電子雪崩,同時也存在光子和電子,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到飽和，電流強度不再與初始電離有關,初始電離只對放電起“點火”作用因此在第V區(qū)段，匕和I2的兩支曲線出現重合。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,那么單位時間里的電流強度就可放映粒子的輻射強弱,所以盡管第V區(qū)不能再測量粒子的能量但可用來探測粒子的輻射強度。由于工作在第V區(qū)的氣體探測器G-M計數管是由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），當外加電壓繼續(xù)增高時，電極收集的電離數再次劇烈增長,電子倍增會導致連續(xù)放電,同時伴有大量光子,利用此特性,人們也設計出了流光室

14、、火花室及自猝滅流光室。綜上所述,不同工作區(qū)域的探測器,電離粒子與氣體分子作用機制不同,輸出信號的性質也不同,從而,可將它們分為電離室、正比計數器、蓋革一彌勒計數器及連續(xù)放電型探測器等不同的氣體電離探測器。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系曲線萋+gg1.3中子探測概述中子探測概述由于中子本身不帶電，所以要對中子進行探測，必須先把它轉化為帶電粒子進行探測。中子是通過與物質的彈性散射、核反應、核裂變、活化等產生的次級帶電粒子對其進行探測的。所有的中子探測器，至少包含了一種可以把中子轉化為可探測的帶電粒子的材料，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，并且不同的探測器專注于探測某一特定能區(qū)的中子。常用的中子探測器分為兩大類：熱中子探測器和快中子探測器，轉化材料通常需要滿足以下五點要求：具有大的中子作用截面，它能夠使中子更容易轉化為可探測的帶電粒子。應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器使用的人造物質。參加反應的Q值很高，這樣就容易區(qū)分由gamma射線引起的脈沖幅度。中子產生的次級粒子應該有足夠大的能量逃出轉化層到達探測器的靈敏區(qū)，這樣才能產生大量的可探測的有效信號。對中子成像探測器來說，中子轉化出來的次級粒子射程不能太長，因為長射程的粒子可能使讀出電路板的像素（pixel）或者盤（pad）點火

16、區(qū)域增大導致分辨率下降。中子探測器中子徑跡探測器由特定固體材料制成，中子與該特定材料核反應產生的次級粒子會對探測器造成一定的輻射損傷，通過化學蝕刻方法，使這些損傷顯現出來，這樣就得到了中子徑跡。中子顯像屏由一層薄熒光粉與轉化層組成，它們通過混合有機粘合劑粘合而成，并被涂覆在聚合薄膜上。它的探測原理是入射中子產生的次級粒子使感光材料曝光，后續(xù)電子學收集這些信號并以數字或者圖像的形式輸出?；罨綔y器是通過在特定位置和方向測量中子與探測器中的特定材料發(fā)生輻射俘獲反應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器。它具有成本低、物理過程簡單和易于校準等優(yōu)點。反沖質子技術是利用測量反

17、沖質子的能量和方向來推斷入射中子信息的一種技術，常用于測量快中子，其所使用的轉化層通常是富含氫的材料薄層。通過對反沖質子攜帶的信息進行精確提取，就可以在較大能量范圍獲得高精度的中子能譜。正比型探測器是指那些工作在正比區(qū)的氣體探測器，如3He管、裂變室、多絲正比室、微條氣體探測器、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器廣泛地使用在高能物理和中子探測上，如微網型氣體探測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甄別在中子探測過程中，由于中子與周圍其他物質會發(fā)生非彈性散射和慢化中子的俘獲等作用，在中子輻射場中會存在大量的Y本底，因此需要采用n-Y甄別技術，扣除Y本底，減少Y本底帶來的干擾。一個中子探測器，除了探測效率，能量分辨率，有效增益等性能參量以外，其對Y射線是否靈敏,能否用n-Y甄別方法排除Y射線，這往往也會成為中子探測系統(tǒng)的重要指標。因此，如何從中子和Y的混合場中挑選出中子信號、除掉伽馬信號是快中子探測的關鍵問題。n-Y甄別技術的最終目的是消除伽馬射線對中子探測的干擾。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相互作用不同的機理: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（中子能量應低于非彈性散射閾值），且對中子束強度的影響也不大?？梢酝ㄟ^選擇探測器參數與位置,來大大改善中子探測的效果。飛行時間法:利用中子的飛行速度比伽馬射線小的特點,在時間上把中子、伽馬信號區(qū)分,這對測量環(huán)境空間有所要求,并需要有足夠的中子注量率。輻