電離室輸出脈沖幅度課件

工作原理：入射粒子使高壓電極和收集電極間的氣體電離，生成的電子離子對在電場的作用下向兩極漂移，漂移過程中收集電極上的感生電荷發(fā)生變化從而產(chǎn)生輸出脈沖。氣體探測器氣體探測器幾個典型工作區(qū)I:復(fù)合區(qū)II:飽和區(qū)III:正比區(qū)IV:有限正比區(qū)V:G-M工作區(qū)電離室工作在飽和區(qū)只有在電子或離子漂移過程中，兩極上的感應(yīng)電荷才有變化，才能產(chǎn)生電流脈沖。輸出脈沖可分為兩個部分：快成分（由電子的漂移產(chǎn)生）；慢成分（由離子的漂移產(chǎn)生）。電離室輸出脈沖的特點輸出回路的等效電路電離室可以用電流源I0(t)和探測器電容C0并聯(lián)等效。根據(jù)輸出回路時間常數(shù)的不同，分為離子脈沖電離室和電子脈沖電離室。離子脈沖電離室電子脈沖電離室輸出回路時間常數(shù)T>>T+,T-T-<T<T+電子和離子的收集情況電子和離子均收集完全電子收集完全，離子未能收集完全輸出電壓脈沖波形V=Q/CE0不再與輻射能量成正比，與地點有關(guān)。采用屏柵電離室可測量能量。脈沖電離室的種類相對能量分辨率：多道測量的脈沖幅度譜半高全寬絕對能量分辨率：（能譜）脈沖電離室主要用來測量重帶電粒子的能譜。1)

脈沖幅度譜與能量分辨率脈沖電離室的性能電離室輸出脈沖幅度同樣服從高斯分布電離室輸出脈沖幅度

0.1MeV的粒子，約為3%，5MeV約為0.4%。僅由電離統(tǒng)計漲落造成采用電離室對這些能量的粒子探測的極限能量分辨率相對能量分辨率（重點）(1)能量分辨率反映了譜儀對不同入射粒子能量的分辨能力。能量分辨率越?。ê茫?，則可區(qū)分更小的能量差別。這是譜儀的最主要的指標(biāo)。關(guān)于能量分辨率的小結(jié)：(2)電離過程統(tǒng)計偏差決定了譜儀所達到的分辨率的極限和理論值。并可檢驗譜儀的性能。(3)能量分辨率的數(shù)值是對某一能量而言的，它與入射粒子能量的關(guān)系為2)電離室的飽和特性曲線----脈沖幅度h與電離室工作電壓V0的關(guān)系V0hV1飽和電壓離子和電子的復(fù)合或擴散效應(yīng)通過測量飽和電壓曲線，來確定電離室的工作電壓。3)電離室的坪特性曲線對于單能入射粒子且束流不變的情況下：V0n甄別閾h----電離室的計數(shù)率與工作電壓的關(guān)系甄別閾hVdV0n最大輸出脈沖幅度等于電子學(xué)系統(tǒng)的甄別閾。最小輸出脈沖幅度等于電子學(xué)系統(tǒng)的甄別閾。輸出脈沖幅度與工作電壓V有關(guān)4)探測效率（本征探測效率）定義：原因：A帶電粒子可能只在靈敏體積內(nèi)損失一部分能量；B電離過程是漲落的。這樣可能有一部分幅度低于甄別閾的信號脈沖未被記錄下來。對帶電粒子對于能量大于一定值（原電離大于2000）的入射帶電粒子，幾乎100%的被探測下來。5)時間特性A：分辨時間——能分辨開兩個相繼入射粒子間的最小時間間隔。主要取決于輸出回路參數(shù)的選擇和放大器的時間常數(shù)的大小。電離室s量級。

與時滯d

（入射粒子的入射時刻與輸出脈沖產(chǎn)生的時間差）有關(guān)。B：時間分辨本領(lǐng)——即由探測器輸出脈沖來確定入射粒子入射時刻的精度。

對于電離室來說，電流脈沖沒有時滯，電壓脈沖要達到時間拾取電路的閾值，存在時滯。由于上升時間和閾值的漲落，電壓脈沖的時滯也是漲落不定的。電離室性能參數(shù)小結(jié)能量分辨率：電離統(tǒng)計漲落是極限（重點）飽和曲線和飽和電壓坪特性曲線探測效率（本征探測效率）分辨時間和時間分辨脈沖電離室典型應(yīng)用：重帶電粒子的能譜測量電離室正比計數(shù)器（重點）G-M計數(shù)器正比計數(shù)器正比區(qū)：離子收集過程中出現(xiàn)氣體放大現(xiàn)象，即被加速的原電離電子在向陽極漂移過程中與探測物質(zhì)原子或分子的電離碰撞中逐次倍增而形成電子的雪崩。Mee氣體放大倍數(shù)電子雪崩過程中，產(chǎn)生電子的其他可能原因：光電效應(yīng)二次電子發(fā)射當(dāng)處于正比區(qū)，可以忽略上面兩種情況。

在一個大氣壓下，電子在氣體中的自由程約10-3～10-4cm，氣體的電離電位～20eV。要使電子在一個自由程就達到電離電位，場強須>104V/cm。正比計數(shù)器通常采用圓柱形電極，便于產(chǎn)生高場強。

V0=1000V,a=510-3cm，b=1cm強場區(qū)存在于陽極絲附近，因此雪崩只在陽極絲附近發(fā)生。陽極陰極當(dāng)陽極和陰極間電壓為V0時，電場強度為：r(cm)E(r)(V/cm)510-3(陽極表面)0.010.050.10.51.0374001870037401870374187正比區(qū)氣體放大倍數(shù)

M決定于氣體性質(zhì)、氣體壓強、工作電壓和電極半徑。

電壓為V0時，電子在r0處開始雪崩；V0=Vd（閾電壓）時，

r0=a；m為電子從r0到a的路程上發(fā)生電離碰撞的平均數(shù)。

實驗表明，在單原子分子和雙原子分子氣體中，當(dāng)M<102，以及在多原子分子氣體中，當(dāng)M<104時，上面公式成立。氣壓較高假定：(1)

M>>1。即忽略初始電離的離子對對輸出信號的貢獻。(2)全部輸出信號均為正離子由陽極表面向陰極漂移而在外回路流過的感應(yīng)電荷。由于r0很小，以至電子在陰極的感應(yīng)電荷很小，而可以忽略電子對輸出信號的貢獻。正比計數(shù)器的輸出信號得到本征電流：由于：則：其中，僅取決于結(jié)構(gòu)、工作氣體及工作電壓等。由于t0很小，所以電流隨時間迅速下降。~50ns電壓脈沖波形與輸出回路時間常數(shù)的選取有關(guān)，與粒子入射位置無關(guān)。但無論時間常數(shù)選多大，最大幅度與入射粒子能量成正比。使用中常采用（s）時間常數(shù)。式中f(t)為僅與RC和t0有關(guān)的時間函數(shù)，與入射粒子的位置無關(guān)。輸出電壓信號：難點增殖的電子的作用正離子運動的作用增長先快后慢，這是由于正離子的漂移速度與場強成正比。離子從陽極到陰極的過程中，場強逐漸減弱。時滯：0-t1之間微弱的增長，原電離的貢獻，可忽略正比計數(shù)器的輸出電壓脈沖波形實際采用微秒的RC時間常數(shù)，電壓脈沖較窄，有利于高計數(shù)率情況下工作。脈沖幅度仍與入射輻射能量成正比。脈沖幅度大。是電離室的102-104倍。靈敏度高。原則上只有一個電子離子對就可以被分辨。脈沖仍然有兩部分組成：電子脈沖和離子脈沖。因為雪崩僅發(fā)生在陽極極小范圍內(nèi)，因此電子脈沖的影響很小，而正離子幾乎從陽極漂移到陰極，因此，正比計數(shù)管的電壓脈沖主要是由倍增后的正離子貢獻的。脈沖幅度與原電離地點無關(guān)（倍增后的正離子聚集在陽極附近）。雖然電荷全部收集的時間仍為ms量級，但輸出電流隨時間迅速下降，采用s的時間常數(shù)時，損失的脈沖幅度不大。無論時間常數(shù)選多大，最大幅度與入射粒子能量成正比。因此，時間性能與電子脈沖電離室相近。

正比計數(shù)器的輸出脈沖特點（重點）1)輸出脈沖幅度與能量分辨率輸出脈沖幅度的漲落是一個二級串級型隨機變量：輸出脈沖幅度：實驗表明，所以，相對能量分辨率

正比計數(shù)器的性能2)

坪特性Va:起始電壓，粒子最大輸出脈沖幅度與甄別閾相等；Vb:粒子最小輸出脈沖幅度與甄別閾相等。M隨電壓升高逐漸變大，輸出脈沖幅度逐漸增大，超過甄別閾的脈沖數(shù)越來越多。3)

探測效率（本征探測效率）X射線等中性粒子則取決于與介質(zhì)作用產(chǎn)生次級帶電粒子的截面，以及次級帶電粒子能否進入靈敏體積。對帶電粒子由于氣體放大作用，正比計數(shù)器可用來探測低能或低比電離的粒子如、X射線等。分辨時間主要由輸出電壓脈沖的寬度決定，與輸出回路的時間常數(shù)密切相關(guān)。s4)時間特性：時間分辨與時滯有關(guān)，時滯即初始電子從產(chǎn)生處漂移到陽極附近所需的時間。具有隨機性，限制了時間的測量精度。s以下注意時間分辨與分辨時間的不同。當(dāng)次電離除外其他產(chǎn)生電子雪崩的原因不能忽略時，進入有限正比區(qū)。：每個電子在向陽極漂移的過程中產(chǎn)生光電子的概率。光子的影響：光電子參加次電離雪崩過程在實驗上

無法區(qū)分。當(dāng)

M0<1時，級數(shù)收斂，M0<<1時，M~M0，正比區(qū)；M0<1時，

M>M0，有限正比區(qū)；M0~1時，

M，G－M區(qū)自持放電改善方法：在單原子分子或雙原子分子氣體中加少量的多原子分子氣體。多原子分子能級多，能強烈吸收紫外光。tVCRCT+RC<<T+圖3.3.9多次雪崩的脈沖波形示意圖3)空間電荷效應(yīng)

正離子鞘：雪崩完成時，大量正離子幾乎不動地散布在陽極周圍，使陽極附近的電場變?nèi)?。在有限正比區(qū)，離子云的影響使氣體放大倍數(shù)不再是常數(shù)，而是與原電離密度、徑跡取向等有關(guān)。2)正離子與陰極作用產(chǎn)生二次電子：新電子產(chǎn)生新的雪崩。

改善方法：在單原子分子或雙原子分子氣體中加少量的多原子分子氣體。多原子分子離子在陰極表面拉出電子中和后就分解，不發(fā)射二次電子。1）低能X射線正比計數(shù)器特點：有入射窗，常用Be(鈹)窗。正比計數(shù)器的應(yīng)用2）單絲位置靈敏正比計數(shù)器

特點：陽極絲為高阻絲。由分流不同而確定粒子入射位置。3）多絲正比室和漂移室

多絲正比室的陰極為平板，陽極由平行的細絲組成多路正比計數(shù)器。位置靈敏度達到mm量級，為粒子物理等作出巨大貢獻，于1992年獲諾貝爾物理獎。

漂移室由快探測器確定入射時刻，由正比絲確定漂移時間，位置靈敏度可達0.1mm。正比計數(shù)器小結(jié)（重點）結(jié)構(gòu)特點為何為圓柱形的？為何中心電極為陽極？輸出信號特點主要是倍增后正離子貢獻的。無論輸出回路時間常數(shù)如何，輸出脈沖幅度與入射粒子位置無關(guān)。能量分辨率：與電離室相比，變差可用于低能粒子或低比電離離子的能譜測量、計數(shù)測量G-M計數(shù)器

在核物理發(fā)展的初期，是使用最廣的輻射探測器。至今，在放射性同位素應(yīng)用和劑量監(jiān)測中，仍是常用的探測元件。工作特點：放電和猝熄自持放電：每次次電離電子雪崩過程中產(chǎn)生一個新的光電子，放電便會持續(xù)地發(fā)展下去，很快在10-7s內(nèi)遍及整個靈敏區(qū)，放電就能持續(xù)下去。直到正離子鞘對強電場的削弱，使新電子無法再增殖，使第一次放電終止。在通常情況下，10-5，因此當(dāng)M0105時就能發(fā)生自持放電。外猝熄：利用外電路，使一次放電后工作電壓降到Vd以下。內(nèi)猝熄：加入猝熄氣體，自行猝熄。猝熄：電子收集后，正離子在電場作用下逐漸向陰極移動，轟擊到陰極表面有可能發(fā)出二次電子再次發(fā)生自持放電。因此，需要在一次放電后，令放電終止。閾電壓：當(dāng)工作電壓為Vd時，雪崩在陽極絲表面產(chǎn)生。自猝熄機制：

1）正離子鞘對強電場的削弱，使新電子無法再增殖，使第一次放電終止。2）猝熄氣體（多原子分子氣體）能強烈吸收紫外光，在減少紫外光打出光電子幾率的同時，能抑制正離子在陰極表面上的二次電子發(fā)射。

一次放電之后不能引起第二次放電，放電過程得以終止。增殖的電子的作用：有機管與正比管類似，貢獻很??；鹵素管貢獻要大些。脈沖形成主要是正離子的貢獻時滯約10－7sG－M計數(shù)器的輸出脈沖波形脈沖幅度與正離子鞘內(nèi)的總電荷有關(guān)，不再只是次電離電子雪崩的貢獻，不再與原電離有關(guān)，主要體現(xiàn)計數(shù)管本身的性質(zhì)。因此，無法給出入射粒子的信息。GM計數(shù)器的輸出脈沖特點（重點）脈沖幅度大?？蛇_幾伏甚至幾十伏。靈敏度高。不論何種輻射，只要有一個電子離子對產(chǎn)生就可以引起自持放電而被記錄。脈沖仍然有兩部分組成：電子脈沖和離子脈沖。G-M計數(shù)管的電壓脈沖主要是由正離子鞘內(nèi)的正離子貢獻的。脈沖幅度與原電離無關(guān)，主要體現(xiàn)計數(shù)管本身的性質(zhì)。因此，無法給出入射粒子的信息。

只用于計數(shù)，脈沖幅度的大小只要足以觸發(fā)記錄電路即可。無法用于能量測量。G－M計數(shù)器的性能1）