【清华大学工物系课件】电离辐射探测-工程硕士课程(4)-气体电离探测器

辐射探测学第四章气体电离探测器2/189为什么要讨论探测器？射线是普遍存在、应用广泛的；类型不同：α，β，γ，中子来源不同：•人工射线•反应堆•加速器•同位素源•天然射线•40K：1.46MeV•208Tl：2.61MeV•能量不同：•137Cs：0.662MeV•60Co：1.17MeV,1.33MeV那么，我们是如何感知射线的存在，并知道射线的种类、能量、强度、时间等信息呢？我们感兴趣的是：射线→电信号的探测器：需要探测器气体电离室闪烁探测器半导体探测器……3/189什么是电离辐射探测器？将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件，称之为电离辐射探测器，简称探测器。探测器是怎样形成信号的？①辐射粒子射入“灵敏体积”②入射粒子与灵敏体积内的工作介质相互作用，损失能量并形成电离或激发③探测器通过自身特有的工作机制将入射粒子的电离或激发效果转化为某种输出信号。各类探测器研究的主要内容4/189在学习各种探测器时，应掌握四方面的内容：①探测器的工作机制•入射粒子的能量转换为输出信号的物理过程是怎样的？•谁、如何携带了我们需要的关于射线的信息？②探测器输出信号的特点，包括对信号的估算及涨落分析③探测器的主要性能④探测器的典型应用5/189“主角”——载流子：各种探测器关注的核心问题按探测介质和作用机制，探测器可分为三类：①气体电离探测器②闪烁体探测器③半导体探测器ChargeCarrier（信息）载流子电子－离子对第一打拿极收集到的光电子电子－空穴对今天，我们来讨论气体探测器6/189气体电离探测器：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。按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比计数器、G-M计数器以及SQS计数器等。不断发展•1992年，法国科学家G.Charpak因发明多丝气体正比室获得诺贝尔物理奖•1997年，Cern的科学家Sauli发明GEM探测器•BNL的RHIC-STAR实验：MRPC历史悠久是最早被使用的射线探测器居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时，用到了电离室Chadwick发现中子时，用G-M计数器来测量质子仍在使用剂量仪中的G-M计数器测量中子的BF3、3He正比计数器集装箱检测系统的气体电离室探测器7/189§4.1气体中离子与电子的运动规律§4.2电离室的工作机制和输出回路§4.3脉冲电离室§4.4累计电离室§4.5正比计数器§4.6G-M计数管√8/189§4.1气体中离子与电子的运动规律一．气体的电离与激发——载流子的产生二．气体中离子、电子的漂移与扩散运动——载流子的移动三．气体放电——载流子的“增多”9/189一.气体的电离与激发——载流子的产生关于“电子－离子对”，请大家思考两个问题：1.它们如何形成？“电子－离子对”是怎样形成的？2.如何携带信息－何以胜任“主角”？为什么“电子－离子对”可以作为“信使”，在射线和我们（观察者）之间架起认知的“桥梁”？带电粒子不带电粒子γ，中子射线快电子、重离子、裂变碎片等荷电粒子通过某些反应变成带电粒子：γ：光电效应、康普顿散射、电子对效应中子：俘获、反冲、裂变……仅在低能时考虑对载流子无贡献在探测器的介质中轫致辐射核阻止核外电子弹性碰撞电离与激发形成载流子10/189气体中的平均电离能若能量为E0的入射粒子将能量全部损失在气体介质中时，产生的平均电子－离子对数为：0NEW平均电离能W：带电粒子在气体中产生一个“电子－离子对”所需的平均能量。气体w()w(X,)w()I0(eV)He46.0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最低电离电位W大约都为～30eV①对同种气体，不同种类或能量的带电粒子的平均电离能基本不变。②可以据此来测量入射带电粒子的能量。重要特性能量为E0的射线进入探测器灵敏体积损失能量，通过电离产生“电子－离子对”平均电离能W基本为常数电子－离子对的数目N（服从法诺分布）0NE问题2：信息携带者11/189二.电子与离子在气体中的运动——载流子的移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，会发生以下物理过程：①扩散（Diffusion）②电荷转移效应（Chargetransfer）③电子吸附（ElectronAttachment）④复合（Recombination）1.不存在外加电场的情况分两种情况来看：1.没有外加电场的情况2.有外加电场的情况12/189(1)扩散(Diffusion)扩散：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：jDn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的密度梯度13/189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：v13Dv•电子的平均自由程和乱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扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离产生位置信息的确定有一定影响,,,2xyorzDt随着时间的推移，将扩散为空间高斯分布平均自由程14/189(2)电荷转移效应(Chargetransfer)电荷转移效应：正离子与中性的气体分子碰撞时，正离子与分子中的一个电子结合成中性分子，中性气体分子成为正离子。电荷转移效应在混合气体中比较明显。后面在讨论G-M管时会用到。15/189(3)电子的吸附和负离子的形成吸附：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-Negativeion16/189负电性气体：例如O2、H2O的h≈10-4，卤素达h≈10-3非负电性气体：h小(h10-6)的气体：惰性气体、H2、N2、CH4、多原子分子气体。在与气体分子发生的每次碰撞中，电子都有可能被俘获，这个概率称为该气体的吸附系数h。h大(h10-5)的气体称为负电性气体。电子的吸附现象对气体探测器产生的是正面or负面影响？电子被俘获形成负离子，很容易和正离子发生复合效应，减弱电离的效果，因此是不利的。气体探测器的工作气体应尽量选择吸附系数小的气体。17/189(4)复合(Recombination)有两个过程：①电子与正离子②负离子与正离子它们相遇时可能复合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋18/189一旦形成了负离子，其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（大2～3个量级）。电子和离子的复合系数气体电子复合系数e(cm3/s)离子复合系数i(cm3/s)H25.910111.5106He1.7108N21.4106O22.71071.6106Ar8.8107CO21.6106空气1.5106复合的结果是把许多有用信号给复合掉（载流子减少）使有用的信号减少（幅度降低、统计性变差）因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免19/189离子和电子在外加电场中的漂移离子和电子，由于热运动和空间分布不均匀：扩散在外加电场下：沿电场方向发生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”2.存在外加电场的情况20/189EuP对于离子：离子漂移速度离子的迁移率约化场强电场强度气体压强离子的迁移率近似为常数。21/189对于自由电子：电子与气体原子发生弹性碰撞时，每次损失的能量很小因此，电子在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来直到使它的弹性碰撞能量损失和碰撞间从电场获得的能量相等，或发生非弹性碰撞为止21322eemvkT达到平衡状态时，即损失能量等于从电场获得的能量时，电子的平均能量为:称为电子温度，是场强的函数。22/189eEufP电子的漂移速度与约化场强不成正比，可用函数表示：这个函数关系均由实验测定，一般给出的是实验曲线。4ArCH66ppm30%VcmmmHgEPue(cm/s)30%20%10%5.3%2.1%66ppm纯Ar23/189(1)电子漂移速度一般为：610cms离子漂移速度一般为：310cms(2)电子的漂移速度对组成气体的组分极为敏感在单原子分子气体中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。重要特点：电子与离子漂移的区别24/189三.气体放电——载流子“增多”雪崩(avalanche)电子在气体中的碰撞电离过程。发生雪崩的阈值电场：ET~106V/m。Ee•电离产生的电子（除了δ电子）能量较低，无法再形成电离。•当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得能量。•随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。•弹性碰撞→激发→电离。25/189能“触发”雪崩的其它因素要实现雪崩效应，需要具备哪些条件？1.足够强的电场2.自由电子电离产生的电子二次电子发射：•雪崩区产生的正离子经过~103s到达器壁，•并可能在器壁上打出二次电子。•二次电子又可以引起新的雪崩。光子的作用：•雪崩形成大量的电离和大量的激发，~106s;•伴随着雪崩过程，退激产生大量的光子。•光子与气体和器壁作用，打出光电子，~107s；•光电子又可以引起新的雪崩。26/189气体放大自持放电：通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。非自持放电：雪崩从产生到结束，只发生一次。27/189小结：气体中离子与电子的运动0/NEw统计性N1.没有外加电场2.有外加电场E电场强度增大ENN统计性统计性？统计性？or光致电离二次电子发射N重带电粒子扩散电子复合吸附离子复合如果电压继续提高，电场强度再增大，会怎样……？雪崩法诺分布28/189I复合区II饱和区III正比区0NNMIV有限正比区0NNVG-M工作区VI连续放电区1E2E3E29/189§4.1气体中离子与电子的运动规律§4.2电离室的工作机制和输出回路§4.3脉冲电离室§4.4累计电离室§4.5正比计数器§4.6G-M计数管√30/189§4.2电离室的工作机制与输出回路一．电离室的基本结构二．工作气体三．输出信号产生的物理过程四．电离室的输出回路31/189一.电离室的基本结构•不同类型的电离室在结构上基本相同。•典型结构有平板型和圆柱型。1.高压极(K)：正高压或负高压；2.收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；3.保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；4.负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。均包括：32/189平板型电离室①高压极②收集极③保护极0VKCG高压LR④负载电阻外壳绝缘子α射线灵敏体积灵敏体积：由通过收集极边缘的电力线所包围的两电极间的区域。保护环G的作用：1)使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；2)若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL上通过，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流。33/189圆柱型电离室C0VLRKG34/189二.工作气体气体压力：从10-1~10大气压。充满电离室内部空间，是电离室的工作介质应选用电子吸附系数小的气体如Ar加少量多原子分子气体CH4。需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。但也可以是流气的。35/189三.输出信号产生的物理过程——怎样数清楚N？0010QQCV0Q0Q第一步：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：0Vab让我们以气体探测器的简化结构