第三章气体探测器(80-96)

80第三章气体探测器气体探测器是核科学技术中最早使用的探测器之一，它在早期的核物理发展中起了很大作用，由于其它探测器的发展如半导体探测器等，因而近二十年来气体探测器特别是测量带电粒子能量进行能谱分析的探测器，如离子脉冲电离室，基本已被半导体探测器所替代，但由于它具有结构简单，使用方便，可制备成各种各样较大型的电离室，因此在工业上的应用如料位计，核子秤、厚度计等等，仍得到广泛应用。而有的气体探测器，如气体闪烁正比计数器（GSPC）还有新的发展，用于安装在火箭和人造卫星上用来探测宇宙X射线。另外还可应用于穆斯堡尔谱仪、荧光X射线谱仪测量元素特征X射线，环境放射性测量，核医学等方面的应用。此外，球形电离室、重离子电离室等新产品相继研制成功，倍受人们重视。气体探测器种类很多，这在第1章第2节核辐射探测器的发展中已经作了详细的介绍，本章节主要介绍气体探测器的基本原理和目前仍在广泛应用的三种气体探测器：电离室、正比计算管、GM计数管的特点、性能及应用。3.1基本原理1、气体的电离气体探测器是内部充有气体，两极加有一定电压的小室，根据不同的气体探测器这加有一定电压的小室其形状结构有较大差别。入射带电粒子通过气体时，使气体分子电离或激发，在通过的路径上生成大量的离子对——电子和正离子。入射粒子直接产生的电离叫做初电离或直接电离。电离后产生的电子和正离子叫做次级粒子，如果它们具有的能量较大，足以使气体产生电离，这种电离叫做次电离。电子只要有很小的能量就能产生电离。所以引起次电离的主要是电子。通常把能够引起次电离的初电离电子叫“”电子。带电粒子在气体中产生一对离子，所需的平均能量称平均电离能，以ω表示。若能量为EO的入射粒子在气体中总共产生了NO对离子对，则产生一对电子正离子所需的平均能量（电离能）为：ccEN对混合气体平均电离能111jjiicijijiijjiijjZPZPZPZPZPZPωi,Pi，Zi；ωj,Pj，Zj分别为第i和j种气体粒子的平均电离能、分气压和有效原子序数。实验表明，对于不同能量的同种粒子，或不同类的粒子在同一种气体中的电离，其粒子电离能都很相似，大多在30eV左右，大于原子的电离电位一倍左右。这是因为一部分能量消耗仅使气体分子激发而没有产生电离的缘故。在电离碰撞中被激发的原子，受激原子有三种可能的退激方式：（1）辐射光子。发射波长接近紫外光的光子，这些光子可能在周围介质中打出光电子或被某些气体分子吸收而使分子离解。（2）发射俄歇电子，原子退激的能量直接转移给自身的内层电子，使电子脱出，这种电子称为俄歇电子。内层电子的空位在很短时间内（10-13S）被外层电子所填充，在填充过程中发射X射线。（3）亚稳态原子，以上两种辐射方式受激后，在10-9S内完成，但某些受激原子处于禁戒的激发态，不能自发地退回基态，只有当它与其它粒子发生非弹性碰撞才能退激，这种原81子的寿命较长，一般约为10-4～10-2S，称为亚稳态原子。2、电离生成的电子和正离子在气体中的运动电离产生的电子和正离子从入射粒子俘获动能，它们在气体中运行并和气体分子碰撞，其结果会发生如下的物理过程。（1）扩散在气体中电离粒子的密度是不均匀的，电离处密度大。电子和正离子从密度大的地方移向密度小的地方，这种现象叫扩散，由气体动力学可知道，若电离粒子的速度遵循麦克斯韦分布，则扩散系数D与电离粒子的杂乱运动速度U之间的关系为：13D，λ为平均自由程，即连接两次碰撞之间所经过的路程的平均值，温度越低，气压越高，扩散进行得越慢。电子的质量小，所以它的V比正离子的大，电子的平均自由程比正离子的大，所以电子扩散的影响比正离子的扩散要大得多。（2）吸附电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被分子俘获形成负离子，这种现象称为电子吸附效应。每次碰撞中电子被吸附的概率称为吸附系数，用h表示，h大（h×10-5）的气体称为负电性气体，例如O2和水蒸汽h为10-4，卤素气体h为10-3，负离子的速度比电子慢得多，这增加了复合的可能性。从而导致电子数减少。所以气体探测器应使用h值小的气体，并使负电性气体的含量减到最低。（3）复合电子与正电离子相遇或负离子与正离子相遇能复合成中性原子或中性分子，电子和正离子复合称为电子复合，负离子与正离子复合称为离子复合，复合概率与电子（负离子）、正离子的密度n–，n+成正比。单位体积单位时间内，正负离子的复合数为：dndnnndtdt式中为复合系数，它与气体的性质、压力、温度、正负离子的相对速度等因素有关，在一般情况下，只要不含负电性气体，复合效应是很小的。（4）漂移表3-1几种气体的电离能（eV）和最低电离电位I0（eV）[1]气体()(X，)()I0He46.00.541.50.41502924.5Ne35.72.636.20.428.6821.6Ar26.30.126.20.226.40.815.8Kr24.02.524.30.314.0Xe22.80.921.90.312.1H236.20.236.60.315.6N236.390.0434.60.336.60.515.5O232.30.131.80.331.5212.5CO234.10.132.90.334.90.514.4C2H227.30.725.70.411.6C2H428.030.0526.30.312.2C2H626.624.60.412.882CH429.10.127.30.314.5BF335.60.3空气34.980.0533.730.15表3-2气体的平均电离能和法诺因子值[1，2，3]气体电离电位第一激电位平均电离能ω0(eV)法诺因子F5.3MeV粒子电子氢H215.411.536.336.30.34氦He24.619.842.742.30.17氮N215.56.136.635.00.28氧O212.2632.530.90.37氖Ne21.616.536.836.60.17氩Ar15.811.524.426.40.17氪Kr14.09.924.124.2氙Xe12.18.321.922.0水H2O12.6二氧化碳CO213.734.532.90.32空气35.534.0甲烷CH413.129.227.30.26乙炔C2H211.427.525.90.27酒精C2H5OH10.732.6乙烯C2H410.828.026.2乙烷C2H611.826.624.8丁烷C4H1010.823.0氯Cl213.223.5三氟化硼BF31736.035.3Ar+CH413.026.0Ar+C2H211.420.30.17Ne+Ar15.825.30.050He+Ar15.830.10.055He+Xe12.128.70.060He+CH413.030.30.075由于探测器外加有一定的电压，在探测器气体空间形成了电场，电子和正离子在电场作用下分别向正负电极方向运动，这种定向运动叫做漂移运动。电子在电场作用下，一方面会和气体分子碰撞损失能量，另一方面又能从电场获取能量，电子的能量低于气体分子的最低激发能时，每次碰撞损失的能量较小，只有电子的能量大于分子的激发能时，发生非弹性碰撞，才能引起较大的能量损失，当它损失的能量和它从电场获得能量相等时达到平衡状态，这电子的平均能量为：21322emvkTVe为电子在电场中的运动速度（漂移运动和热运动）32kT为热运动能量，K为常数，T为气体的绝对温度，为电子温度，它是电子在电场中运动能量和热运动能量的比值。3、被收集的离子对数与外加电场的关系83气体探测器是利用收集核辐射在气体中产生的电离电荷来探测核辐射的，为了有效地收集电荷，必须在气体电离空间加电场，即在探测器上设置二个电极，在电极上加电压形成电场使电子，正离子沿电场方向向两极漂移。设带电粒子在气体探测器的有效气体空间形成N0个离子对（电子—正离子）（初电离）收集的离子对数N和外加电压的关系如图5-1，图中划分为五个区域。区域I是复合区，外加电压V很小，离子漂移速率很小，扩散和复合效应起主要作用，由于复合，电极上收集到的离子对数小于初电离数N0，就是说在这个区域，收集到的只是部分电离粒子，因此电荷数少，粒子曲线2能量大于粒子曲线1它所产生的初电离粒子多，所以曲线2高于曲线1。区域II，饱和区随着外加电压的增加，被收集到的初电离数N值也增加，当外加电压到某一定值Va时，复合效应消失，初总电离数N0被全部收集并达到饱和，而且在电压Va和Vb这一范围被称为饱和区，在这一区域内被收集到的电荷饱和值Q0=N0e，它只与入射粒子的种类和能量有关。电离室工作在这饱和区。区域IIIa正比区，外加电压超过Vb后，这时外加电场使电子获得很大能量，电子能使气体气分子电离，即可产生次级离子对，使总离子对数大于初电离数N0，因而收集到的电荷Q（Ne）Q0(N0e)，这种现象叫做气体放大，其比值MNN00叫做气体放大倍数，电极上收到的电荷数Q=Ne=MN0e，正比于初电离数N0，也就是正比于入射粒子的能量，随着外加电压增加，M值变大，保持这一关系的区域叫正比区，工作在这一区域的探测器称正比计数管。区域IIIb：有限正比区。次级离子对数目的增加，并不是无止境的，当气体放大倍数M较大时，由于产生的大量离子对中的正离子漂移速度很慢，滞留在气体空间而形成空间电荷，它们所产生的电场部分地抵消了外电场，限制了次级电离的增长，这就是所谓的空间电荷效应。该效应使气体放大倍数M随N0而变化，收集到的电离数N，偏离与N0成正比的关系，这个区域称为有限正比区。区域IV，G-M计数区：盖革—弥勒区。外加电压继续增高到某个值，次电离的作用越来越大，到正离子形成的空间电荷区足以把整个探测器有效区的电场降低到不能再产生电离时，这时倍增过程自抑，而初电离仅起一个点火的作用，电流在电压加到某一值后开始激增形成自激放电，收集到的总电荷将成为一个与初电离N0完全无关的一个常数，即与入射粒子的能量无关。区域V连续放电区。外加电压继续增加，电极收集到的电离数N再次急剧增长，这就是气体连续放电区，这个区域有光的产生，是闪烁室，火花室，流光室的工作区。综上所述，在不同区域内的探测器，电离粒子与气体分子的作用机制不同，输出信号的性质也不同，从而可将它们分为电离室，正比计数器，G-M和连续放电型探测器等四类的气图3-1收集的电荷数与外加电压的关系[2]84体电离探测器。3.2电离室电离室是工作在饱和区的气体探测器，原则上它既不存在复合也没有气体放大，入射粒子电离产生的全部电子和正离子都被收集到正负电极上，它的工作电压必须在图中Va和Vb之间，对于不同大小，不同结构和它不同气体的电离室，为了达到收集电荷的饱和状态，外加电压值的差别很大，可以从几十伏到上千伏不等。按工作方式，电离室可分为两类，一类是记录单个核辐射粒子的脉冲电离室，主要用于测量带电粒子的辐射量和能量。这类电离室按输出电路的时间常数大小又可分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室，另一类是记录大量粒子平均电离效应的电流电离室，其中包括测量单位时间内入射粒子所产生的平均电离电流的电流电离室和测量相当长时间内大量入射粒子的积累电荷的累计电离室。常见的电离室结构主要由两个处于不同电位的电极和保护环等组成。两个电极中的一个和高压电源直接连接，加上所需电压称为负高压电极（或阴极）用K表示。另一个电极和记录电子仪器的连接并通过负载电阻RL接地称为收集电极，或阳极，以A表示，两电极之间用绝缘体隔开，两电极之间的保护环以P表示，它的主要作用是使收集极边缘的电场保持均匀，这就可使电离室有确定的灵敏体积（入射核辐射与气体相互作用的有效体积）也可使高压电极到地的漏电流不通过收集电极。保护环保证了灵敏体积内形成的离子对被收集电极全部收集。1、脉冲电离室脉冲电离室是记录单个入射粒子的电离室，一定能量的带电粒子进入电离室灵敏体积后，将产生一定数量的离子对，当电离室两电极加上工作电压V0后，