第七章_气体探测器.

第七章气体探测器西安交通大学核科学与技术学院西安交通大学核科学与技术学院第七章气体探测器7.1辐射探测器概述7.2气体探测器工作原理7.3电离室7.4正比计数器7.5G-M管西安交通大学核科学与技术学院辐射看不见、摸不着，要感知潜在的辐射性质，必须借助于辐射探测器探测各种辐射的存在，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。为什么需要辐射探测器？7.1辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院7.1辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院7.1辐射探测器概述建材（秦岭水泥）中典型放射性核素40K、232Th、226Rn含量的γ测量与分析7.1辐射探测器概述1.离子源系统2.低能质谱分析系统3.串列加速器系统4.高能质谱分析系统5.探测器系统6.控制系统多核素分析用的西安加速器质谱仪系统带电粒子与探测器中气体分子碰撞后，产生电子，损失能量。根据探测到的电子微电流，可确定入射的带电粒子数量。损失的能量与原子序数的平方成正比（Bethe-Block公式）：EZdxdE2~气体电离探测器E－带电粒子初始能量Z－带电粒子原子序数7.1辐射探测器概述14C计数0.00E+001.00E-112.00E-113.00E-114.00E-115.00E-116.00E-117.00E-118.00E-119.00E-111.00E-10129I/127I大亚湾核电站排水口附近129I水平西安交通大学核科学与技术学院辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。7.1辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院核信息获取：•辐射类型•时空分布•核寿命•强度•剂量•能量…….7.1辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院辐射探测的基本过程：辐射粒子射入探测器的灵敏体积；入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的输出信号。对非带电粒子通过次级效应产生次电子或重带电粒子,实现能量的沉积。7.1辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院射探测器基本工作原理：射线与物质相互作用7.1辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院在电信号辐射探测器中按探测介质类型及作用机制主要分为：气体探测器（Gas-filleddetectors）；闪烁探测器(Scintillationdetectors)；半导体探测器(Semiconductordetectors)。7.1辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院学习探测器的主要内容主要有：（1）探测器的工作机制——即将入射粒子能量转换成输出信号的物理过程；（2）探测器的输出信号，包括对信号的估算及涨落分析等；（3）探测器的主要性能；（4）探测器的典型应用实例。7.1辐射探测器概述西安交通大学核科学与技术学院7.2气体探测器工作原理气体探测器是以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输出电信号的探测器。由于产生信号的工作机制不同，气体电离探测器主要有电离室、正比计数器、G-M计数器及SQS计数器等类型。它们均有各自的特点以及相应的适用领域。核辐射引起气体的电离：入射带电粒子通过气体介质时，使气体分子、原子电离和激发，并在通过的路径周围生成大量离子对。电离产生的电子、离子在工作电场中漂移，形成输出信号。离子和电子在外加电场中的漂移离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。这种运动称为“漂移运动”，定向运动的速度为“漂移速度”。它是形成输出信号的基本过程。7.2气体探测器工作原理西安交通大学核科学与技术学院一．气体的电离与激发二．电子离子在气体中的运动三．气体放电四．气体探测器一般结构7.2气体探测器工作原理西安交通大学核科学与技术学院max024()mMEEmM空气中：E0,min()=22keV；E0,min(e)=I0。1、带电粒子在气体中的电离入射带电粒子M与电子m碰撞，电子能获得的最大能量：20,min0()4mMEImM一．气体的电离与激发0I西安交通大学核科学与技术学院入射带电粒子的电离过程产生电子，电子也会形成电离。原初电离：入射粒子和气体原子直接作用产生的电离对数目。次级电离：电离的次级粒子再次和气体原子作用产生的电离对数目。总电离：等于原初电离＋次级电离一．气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院一．气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院入射带电粒子能量消耗于：电离过程，产生N对电子离子对；气体原子的激发；电子离子和原子分子动能。一．气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院平均电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量。对不同的气体，W大约为30eV。若入射粒子的能量为E0，当其能量全部损失在气体介质中时，产生的平均离子对数为：WEN0一．气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院6505.3101.511035ENW例如：210Po，E0=5.3MeV，在空气中总电离为：实验测得N，可以得到入射粒子能量E0。总比电离：tdESWdx电离过程的随机性导致测量结果的不确定性。一．气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院几种气体的电离能W和最低电离电位气体W()W(X,)W()I0He46.00.541.50.429.9+0.524.5Ne35.72.636.20.428.6821.6Ar26.30.126.20.215.8O232.30.131.80.331.5212.5CH429.10.127.30.312.8C2H428.030.0526.30.312.2空气34.980.0533.730.1536.00.4一．气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院3、光致电离Cs原子的电离电位最低，3.88eV；相应的光子波长为3184Å，在紫外区；紫外光或能量更高的光才能产生光致电离。介质中原子吸收一个光子，放出一个电子而电离。紫外光子能量较低，光致电离产生的电子动能很低，一般不能再引起新的电离或激发。电子离子对数N服从法诺分布，方差为：20EFNFW一．气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院4、退激方式辐射光子：发射光子，波长接近紫外光；发射俄歇电子：退激能量直接交给外层电子，使电子脱离原子的束缚；亚稳态原子：受激原子的激发态到基态的跃迁是禁戒的，只有与其他粒子发生非弹性碰撞，改变激发态而退激。一．气体的电离与激发西安交通大学核科学与技术学院1、杂乱运动电子离子与作热运动的气体分子碰撞，与气体分子不断交换动能，电子离子作无规则的运动。电子离子与气体原子分子碰撞，损失能量；同时又在电场作用下得到加速。2、漂移运动电子离子在电场作用下，沿着电场方向或相反方向的定向运动。二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院假设：(1)离子在电场方向的漂移速度远小于杂乱运动速度；(2)离子从电场获得的能量全部传递给气体分子；(3)碰撞后被散射的方向是各向同性的。离子的平均定向漂移速度：1122eEuatMv0P电子离子在电场方向具有一定的平均速度，叫做漂移速度。二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院21322eemvkT达到平衡时，电子的平均能量：eEufP电子的与气体种类、电场强度E/P有关。所以，对正负离子，EuP当电子能量大于气体分子的激发能时，通过非弹性碰撞才能引起较大的能量损失。离子的、为常数。v02eMv二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院(2)ue对气体组分极为灵敏。在单原子分子气体中(Ar等)加入少量多原子分子气体(CO2，CH4等)，电子的漂移速度有很大提高。(1)电子与离子的漂移速度不同：610cm/seceu310cm/secu电子与离子在电场中漂移速度的主要区别：多原子分子气体存在低能级，电子能量积累不高。32kTev()u二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院二．电子离子在气体中的运动4ArCH66ppm30%VcmmmHgEPue(cm/s)30%20%10%5.3%2.1%66ppm纯Ar西安交通大学核科学与技术学院3、扩散运动当气体中电子、离子的密度不均匀时，由密度大处向密度小处定向流动。单位时间通过单位面积的粒子数，dnDndt13Dv20.18SkTSeVV扩散漂移离子：~1，扩散可忽略；电子：很大，扩散严重。二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院二．电子离子在气体中的运动4西安交通大学核科学与技术学院二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院5二．电子离子在气体中的运动西安交通大学核科学与技术学院三、气体放电西安交通大学核科学与技术学院三、气体放电西安交通大学核科学与技术学院三、气体放电气体探测器有平行板和圆柱形两种，常见的是两个同轴的圆柱形电极，四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院电极间充气体并外加一定的电压，辐射使电极间的气体电离，生成的电子和正离子在电场作用下漂移，最后收集到电极上。电子和正离子生成后，因静电感应，电极上将感生电荷，并且随它们的漂移而变化。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。四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构电离电流随电压增大而增加，这是因为复合损失随电压升高而减小。继续增大电压时复合逐渐消失，电流趋向饱和。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。四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院该区内离子可全部被收集，电流强度等于单位时间产生的原电离电荷数。四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院在电离室区，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VB时，基本不存在复合，总电离数全部被电极收集，达到饱和。在一定电压范围内(VC-VB)，被收集电荷不再增加，达到饱和。四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院电压超过VC以后，电流又开始上升而进人第Ⅲ区，这时的电场强度足以使被加速电子进一步引起电离，离子对数将倍增至原电离的10－104倍。此种现象称气体放大。倍增的系数称气体放大系数A，其大小等于经气体放大得到的电荷数N与原总电离数N0之比；它随电压而增大。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。即电压固定时气体放大系数恒定。电流正比于原电离的电荷数，所以第Ⅲ区称为正比区。四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院电压超过VD后，电压继续增大时由于气体放大系数过大，空间离子密集，抵消了部分场强，使气体放大系数相对地减小，称为空间电荷效应。显然，原电离越大这种影响也越大。这时气体放大系数不是恒定的，而与原电离有关，所以，第Ⅳ区称为有限正比区。四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院四、气体探测器结构西安交通大学核科学与技术学院进入第Ⅴ区后，倍增更加剧烈，电流猛增，形成自激放电。此时，电流强度不再