第三章 电离辐射探测方法

第三章射线探测试用讲义，请勿传播射线探测•探测原则•主要探测器类型–电离探测器–闪烁探测器–其他探测原则一个粒子若要被探测到，这个粒子必须与探测器进行某种作用并在探测器中沉积下一定的能量。对于大多数探测器，入射粒子在探测器的灵敏区直接或间接激发出一定量的电荷，这些电荷被收集起来形成信号输出（也可以通过其他方式记录）。带电粒子一般可以直接探测；高能光子通常与核外电子作用后进行间接测量；中子一般通过核反应产生带电粒子进行间接测量。探测器的主要类型•电离探测器–气体或液体电离室，正比管，G-M探测器–半导体探测器•闪烁探测器–有机闪烁体–无极闪烁体•其他–云室、气泡室、胶片、热释光、固体径迹探测器、IP板…–切伦科夫辐射、穿越辐射电离室(IonizationChamber)电离室核心部件是一对电极及其间充满满的绝缘气体或液体，电极分别接外电路的正负极。无辐射时电极间无电流，当带电粒子在灵敏区通过时电离产生电子离子对，在电极间的电场作用下电子和正离子分别向阳极和阴极漂移，形成电流。多用于剂量测量。入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。总电离=原电离+次电离平均电离能：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法诺噪声(Fanonoise)与法诺因子(Fanofactor)带点粒子在探测器中产生电子离子对的数目正比于带电粒子的能损，但存在一定的波动，称为法诺噪声。法诺因子：w2wF其中w为时间窗口（测量时间），σ2为方差，μ为测量平均值。对于泊松过程F=1，法诺因子业可以写为：2P2OF其中O为实验观察量，P为泊松过程估计量作业:估算能量极限分辨率电子与离子在气体中的运动当不存在外加电场的情况下，电离产生的电子和正离子在气体中运动，并和气体分子或原子不断地碰撞，处于平衡状态。其结果会发生以下物理过程：扩散Diffusion电子吸附ElectronAttachment复合Recombination漂移Drift（存在外电场时）扩散(Diffusion)在气体中电离粒子的密度是不均匀的，原电离处密度大。由于其密度梯度而造成的离子、电子的定向运动叫扩散。由气体动力学，可得到扩散方程：nDj电子或离子粒子流密度电子或离子的扩散系数电子或离子密度若电离粒子的速度遵守麦克斯韦分布，则扩散系数D与电离粒子的杂乱运动的平均速度之间的关系为：vvD31平均自由程电子的平均自由程和热运动的平均速度都比离子的大，因此其扩散系数比离子的大，因而电子的扩散效应比离子的严重。电子吸附电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被气体分子俘获，形成负离子，这种现象称之为吸附效应。Electronattachmente-Negativeion例如O2、H2O的，卤素达410h310h每次碰撞中被电子俘获的概率称为吸附系数h。h大(h10-5)的气体称为负电性气体。复合(Recombination)有两个过程：电子与正离子，或负离子与正离子，相遇时可能复合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋nntntn：复合系数复合引起的离子对数目的损失率：负离子运动速度远小于电子，正离子与负离子的复合系数要比正离子与电子的复合系数大得多。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”。电子漂移速度一般为：scm610离子漂移速度一般为：scm310(2)电子的漂移速度对组成气体的组分极为灵敏在单原子分子气体中（如卤素）加入少量多原子分子气体（如CO2、H2O等）时，电子的漂移速度有很大的增加。脉冲工作的电离室气体有：惰性气体，N2，空气，混合气体等射线射入电离室→使气体电离→在电极上产生感应电荷→电子离子在电场中漂移→形成漂移电流→RC上输出波形+RCHV前置放大电路电离电流射线-假设回路中没有负载电阻0LR极板a上加高压V0，极板ab间电容量为C1，则两极板的电荷量：0100VCQQ输出信号产生的物理过程0Vab0Q0Q0Vabe0)()()()(2100qqeQQq在电离室内某一点引入一单位正电荷e+它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2根据高斯定律：1q2q12qqe1xqed2dxqed这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流i+(t)。当电荷沿电场向收集极运动，则上极板a上感应电荷减少，下极板b上感应电荷增加。且e1q2q21qq0Vab)(tie2q1q正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为：1q0Vab)(tie2q1q12qqe电子(负离子)漂移所引起的正感应电荷在回路中流过的电荷量为：2q同一点引入正负电荷：1qq2qq当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流：i(t)=i+(t)+i–(t)流过外回路的总电荷量：△q++△q-=e0Vab)(tie2q1qe2q1q12qqe(当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：tititINjjNjj11)()(tItI当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量的为：eNQCLR测量仪器RC总电阻RRRL//0总电容'01CCCC入1CRL：负载电阻；C1：探测器电容；R入：测量仪器输入电阻；C入：测量仪器输入电容；：杂散电容；如,电缆电容~100pF/m。探测等效电路tI1tduuNeIT2tTdNeuI~s~mst2为开始有正离子到达b极板的时间；t1为开始有电子到达a极板的时间；T–为电子全部到达a极板的时间；T+为正离子全部到达b极板的时间。u为电子或粒子的漂移速度；d为平行板电极间距；平行板电离室输出电流曲线T0CNedttICtVt00010CQT00CR000CRteCNetduuNeIdNeuIt)(tI)(tV当外电路的时间常数远大于离子漂移时间时的输出电压曲线输出电压包含了正离子漂移的贡献，工作于此状态的电离室成为离子脉冲电离室dttICtVt00010CQT000CRteCQtduuNeIdNeuIt)(tI)(tV当外电路的时间常数远小于离子漂移时间但远大于电子漂移时间时的输出电压曲线输出电压只包含电子漂移的贡献，工作于此状态的电离室成为电子脉冲电离室影响输出信号形状的因素0dxt()Itt()Itt()Vttu圆柱型电子脉冲电离室C0VRa2b2rabarNerVNeQlnln000屏栅电离室（TheGriddedIonChamber）输出信号计算•如果入射粒子的能量为E，并且全部损失在电离室内，气体的平均电离能为ω•一般气体为20—40eV，空气为33eV，•则产生的平均离子对数为：•则电容上产生的总电荷数为：•则电容上产生的电压为：N0=E/ωQ0=eN0=eE/ωV0=Q0/C=eE/(Cω)输出计算的例子设入射粒子为210Po发射的α粒子，能量为5.3MeV，并在空气电离室内消耗其全部能量。若空气的平均电离能ω取35eV，则一个α粒子产生的离子对数N0=5.3×106/35=1.5×105个离子对。这些离子对全部被收集后的总电荷：Q=1.5×l05×1.6×l0-19=2.4×10-14C设总电容量为20pF，则输出脉冲幅度为△V=2.4×10-14/2.0×10-11=1.2mV常用气体的特性气体ZEex(eV)Wi(eV)H2210.837He219.841N2248.135O2267.931Ne2016.636Ar1811.626Kr3610.024Xe548.422CO2225.233CH41028正比计数管~allen/252/PHY251_Geiger.html•I区——复合区：电离出的离子与电子在漂移中由于碰撞而复合，成为中性原子，此复合几率随外加的电压（偏压）的增加而减小。•II区——饱和区：原电离出的离子和电子全部被吸收，无复合效应。•III.1区——正比区：由于电场强度大到足以使加速电子撞击原子产生新的电离，离子对数将倍增（10—104倍），这种现象叫气体放大。在固定外加电压下，气体放大系数M恒定。•III.2区——有限正比区：在固定外加电压下，气体放大系数M不能恒定与初电离失去正比关系。•IV区——G—M区：外加电压较高，离子对增加比D区更为猛烈，高达108电离电流猛增，产生持续放电现象，要终止放电应加淬熄气体（卤素和有机物），此区电离电流大小不再与入射粒子的能量有关。•V区——连续放电区工作区与探测器工作区气体探测器作用及性能复合区无无饱和区电离室可作能量、强度、剂量的测量，输出较小正比区正比计数管可作能量、强度的测量，输出较大有限正比区无无G-M区G-M计数器只作强度测量（计数测量），输出幅度大连续放电区闪烁室、火光室略://~mwt/propcounters/intro.htm通常正比计数管采用细丝作为阳极，可以在阳极周围产生一个较大的电场满足雪崩放大的要求在一个大气压下，电子在气体中的自由程约10-3～10-4cm，气体的电离电位～20eV。要使电子在一个自由程就达到电离电位，场强须104V/cm。abrVrEln0例：当V0＝1000V，a＝25m，b＝1cm时，在r＝0.02cm处，电场强度相当于临界场强ET。输出脉冲幅度的涨落是一个二级串级型随机变量：输出脉冲幅度：正比计数器的能量分辨率0/~CANeh222211AANhNNFN实验得到68.02ANFh68.0355.2355.2能量分辨率影响正比计数器能量分辨率的其他因素：①阳极丝的均匀性。④电子学系统的影响。③末端效应和室壁效应。②负电性气体的存在。使不同区域A不同，故同样能量粒子在不同入射位置产生信号的大小不同。使一些初级电子消失，影响输出脉冲幅度。入射粒子能量未完全损失在灵敏体积。放大器噪声等的影响。多丝正比室：原理，读出方式，用途，发展GEM探测器：原理，用途GM计数管(Geiger–Müllertube)~derose/labs/exp2.html计数管使用较低的充气气压（0.1atm）电子在其中具有较大的平均自由程。在两次碰撞间可以在电场中获得更大能量，并在与气体分子碰撞时产生紫外光子。紫外光子在管壁或工作气体中激发出电子继续参与气体放大，这个过程可以蔓延到整个阳极附近区域。由于电子的漂移速度比离子大三个量级，电子在阳极周围倍增并迅速被收集，而在阳极周围留下正离子形成鞘层，使样机附近电场低于雪崩倍增