【正文】 1R C n ?? 1V? ??109/189 三 . 累計(jì)電離室的主要性能 與脈沖電離室一樣具有飽和特性曲線，一般工作于飽和區(qū)。 1. 飽和特性 飽和電壓： 90％ 放電電壓 斜率： 靈敏體積的增大 復(fù)合的抑制 漏電流 …… 110/189 ? ? 輸 出 的 電 流 （ 電 壓 ） 值入 射 粒 子 流 的 強(qiáng) 度21/ ( )A cm s???????影響靈敏度的因素 : 單位 入射粒子流 強(qiáng)度 引起的電離室輸出信號(hào) 電流 或 電壓幅度 ： ① 電離室的結(jié)構(gòu) ② 氣體壓力和組分 ③ 入射粒子的類型和能量等 ? ?/ ( )A G y s?111/189 3. 線性范圍 ?只要電離室工作在 飽和區(qū) ，則信號(hào)電流與入射粒子流強(qiáng)度一定成 正比關(guān)系 ，即 線性關(guān)系 。 一定工作電壓下，輸出信號(hào)的 幅度 與入射粒子流 強(qiáng)度 的保持 線性關(guān)系的范圍 (一般用輻射強(qiáng)度的范圍表示 ) 。 ?但是，當(dāng)入射粒子流強(qiáng)度 增大 時(shí)，飽和電壓將 提高 。 ?一旦當(dāng)入射粒子流強(qiáng)度大到使飽和電壓超過(guò)了原來(lái)選好的工作電壓 V0時(shí)，電離室將不再工作于飽和區(qū)，信號(hào)電流將比預(yù)期值小。即出現(xiàn) 非線性 。 112/189 0I123451V 2V 3V 4V 5V)1(0I)2(0I)3(0I)4(0I)5(0I高壓 0I4VV?5VV?1 2 43 5)1(0I)2(0I)3(0I)4(0I)5(0I強(qiáng)度 113/189 4. 響應(yīng)時(shí)間 ?對(duì) 電流信號(hào) ， 其滯后時(shí)間將最大為 離子收集時(shí)間 T。T就是累計(jì)電離室電流信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間 。 對(duì) t = 0時(shí)的階躍變化，輸出電壓為： 00/2 1 0 0 2 1( ) ( 1 )t R CV I R R I I e ?? ? ? ?一般需要 5～ 7R0C0才能達(dá)到平衡。 反映當(dāng)入射粒子流強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，輸出信號(hào)的變化規(guī)律。 ?對(duì) 電壓信號(hào) ， 它跟隨輻射強(qiáng)度變化的響應(yīng)時(shí)間主要決定于電離室輸出回路的 時(shí)間常數(shù) R0C0值 。 114/189 5. 能量響應(yīng) 一般情況下，希望靈敏度與輻射能量無(wú)關(guān)，即相同的照射量率不因輻射能量不同而造成不同的輸出。 即 靈敏度 隨入射 粒子能量 而變化的關(guān)系。 115/189 四 .累計(jì)電離室的應(yīng)用 ? 累計(jì)電離室的應(yīng)用比脈沖電離室更為廣泛，特別是充入高壓工作氣體的累計(jì)電離室， 靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長(zhǎng) 。 ?由于其具有十分良好的承受惡劣工作環(huán)境影響的能力，所以，在工業(yè)上可應(yīng)用于 核輻射密度計(jì)、厚度計(jì)、料位計(jì)、水分計(jì)、核子秤等。 ? 累計(jì)電離室還可應(yīng)用于 劑量測(cè)量 、 反應(yīng)堆監(jiān)測(cè) 等方面。 116/189 第四次課結(jié)束 117/189 對(duì)低能粒子測(cè)量的問(wèn)題？ ? 使用脈沖電離室對(duì)低能粒子測(cè)量時(shí)，由于放大器噪聲的存在，信噪比很小，測(cè)量難于進(jìn)行。 ?如果能夠?qū)﹄婋x信號(hào)進(jìn)行放大，可以提高信噪比，這樣就可以對(duì)低能粒子（如 100keV以下的 X射線）進(jìn)行測(cè)量了。 – 正比計(jì)數(shù)器 m a xNeVC?1MeV的 α粒子，若 W=30eV，則 : 6195m ax 1010 1 .6 1 030 5 .3 3 3 1 010eV CNeVVCF?????? ? ? ?118/189 167。 氣體中離子與電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 167。 電離室的工作機(jī)制和輸出回路 167。 脈沖電離室 167。 累計(jì)電離室 167。 正比計(jì)數(shù)器 167。 GM計(jì)數(shù)管 √ 119/189 167。 正比計(jì)數(shù)器 ?利用 碰撞電離 將入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應(yīng)進(jìn)行放大了，使得正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)幅度比脈沖電離室顯著增大。 ?正比計(jì)數(shù)器屬于 非自持放電 的氣體電離探測(cè)器。 120/189 167。 正比計(jì)數(shù)器 一． 正比計(jì)數(shù)器的工作原理 二． 正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào) 三． 正比計(jì)數(shù)器的性能 四． 正比計(jì)數(shù)器的應(yīng)用 五． GEM探測(cè)器 121/189 一 . 正比計(jì)數(shù)器的工作原理 1. 正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ? 結(jié)構(gòu)上必須滿足實(shí)現(xiàn) 碰撞電離 的需要 —— 存在強(qiáng)電場(chǎng)。 ? 在一個(gè)大氣壓下，電子在氣體中的自由程約 103～ 104cm，氣體的電離電位 ～ 20eV。要使電子在一個(gè)自由程就達(dá)到電離電位，場(chǎng)強(qiáng)須 104V/cm。 ? 為達(dá)到這一要求，一般采用 非均勻電場(chǎng) ，以 圓柱型 為主（ 盤、球亦可 ）。 122/189 設(shè)計(jì)思想 ： 利用圓柱形電場(chǎng)的特點(diǎn)在 中央絲極附近 會(huì)產(chǎn)生 小范圍 的 強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域 。 距中心為 r的場(chǎng)強(qiáng)： ? ? 0lnVErbra?例如： V=1000V, a=, b=1cm時(shí)， E(r =)=8?103V/cm 。 E(r =)=?104V/cm 。 123/189 ? ? 0lnVErbra?由： 在 r＝ b時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最小， r＝ a時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大。 對(duì)于一個(gè)確定的正比計(jì)數(shù)器，只有當(dāng)工作電壓V VT 時(shí)，才工作于正比計(jì)數(shù)器工作區(qū)，否則工作于電離室區(qū)。 4~ 1 0 /lnTTVE V cmbaa?定義： VT 稱為正比計(jì)數(shù)器的 起始電壓 (閾壓 ) 124/189 ? 當(dāng) V 0 VT 時(shí)，僅在 r0～ a 區(qū)間內(nèi)發(fā)生碰撞電離。 ? r0很小，與 a是同一量級(jí)，這樣入射粒子在 r0 內(nèi)產(chǎn)生電離的可能性很小，可以忽略。 注意： 正比計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)主要由 正離子漂移 貢獻(xiàn)。 0 TVV? 0 TVV?雪崩區(qū)域：a~r0 0lnlnraVba電子漂移過(guò)的電位差 ? 不同位置射入的入射粒子所產(chǎn)生的電離效應(yīng)在正比計(jì)數(shù)器中都經(jīng)受同樣的氣體放大過(guò)程，都有 同一個(gè)氣體放大倍數(shù) 。 125/189 碰撞電離 只有 電子 才能實(shí)現(xiàn)（ 離子為什么不行？ ） 當(dāng)電子到達(dá)距絲極一定距離 r0 之后，通過(guò)碰撞電離過(guò)程，電子的數(shù)目不斷增殖，這個(gè)過(guò)程稱為氣體放大過(guò)程，又稱 電子雪崩 ( electron avalanche )。 2. 碰撞電離與氣體放大 定義： 氣體放大倍數(shù) 0( ) / ( )A n a n r?126/189 Townsend Coefficient dn dxn ??α: the first Townsend coefficient ( ) ( 0) xn x n e ??均勻電場(chǎng) 圓柱形電場(chǎng)，更陡 127/189 假定： (2) 近似認(rèn)為電子的能量就是電子在兩次碰撞間從電場(chǎng)獲得的能量。 1 / 2 00ln 1TVAVV??? ? ?????可得到關(guān)系 (1) 發(fā)生碰撞電離的截面正比于電子的動(dòng)能，即 ekE? ?當(dāng)電壓足夠高，即 V0/VT1時(shí)， 0ln AV?128/189 結(jié)論（關(guān)于氣體放大倍數(shù)） (2) A僅與 V0， VT有關(guān)，與入射粒子的位臵無(wú)關(guān)。 (1) lnA∝ V0，在半對(duì)數(shù)座標(biāo)圖上近似為直線。 129/189 3. 氣體放大過(guò)程中的光子作用 —— 光子反饋 在電子與氣體分子的碰撞中： ?不僅能產(chǎn)生碰撞電離 ?同時(shí)也能產(chǎn)生碰撞激發(fā) ? 氣體分子在退激時(shí)會(huì)發(fā)出紫外光子，其能量一般大于陰極材料的表面逸出功 ? 紫外光子在陰極打出次電子。次電子可以在電場(chǎng)的加速下發(fā)生碰撞電離。這個(gè)過(guò)程稱為 光子反饋 。 130/189 定義： 光子反饋概率 ?， 為 每個(gè)到達(dá)陽(yáng)極的 電子通過(guò)光子反饋又在陰極打出一個(gè)次電子的概率。 由于光子反饋，使得 總放大倍數(shù) 增加，為： 2 2 3A A A A??? ? ? ?總當(dāng) 時(shí)， 1A? ?1AAA???總131/189 對(duì)于光子反饋的影響，注意兩點(diǎn)： (1) 光子反饋很快： 光子反饋的過(guò)程 (109s)遠(yuǎn)快于電子的漂移過(guò)程 (106s)，對(duì)信號(hào)的形成而言，在時(shí)間上是 同時(shí)事件 。 (2) 多原子氣體分子的作用： ?加入少量的多原子分子氣體 M（ CO2, CH4） ，它可以強(qiáng)烈吸收氣體分子退激所發(fā)出的紫外光子而處于激發(fā)態(tài) M*； ?它不再發(fā)出光子而是 分解 為幾個(gè)小分子 (超前分解 )退激； ?這樣可以阻止紫外光子打到陰極而減小光子反饋，使 lnA∝ V0曲線的變化平緩 。 ?使發(fā)生自持放電的電壓更高，以獲得更大的正比工作區(qū)間 132/189 4. 氣體放大過(guò)程中正離子的作用 ① 停止電子倍增過(guò)程 ： ? 離子漂移速度慢，在電子漂移、碰撞電離等過(guò)程中，可以認(rèn)為正離子基本沒(méi)動(dòng)，形成 空間電荷 ，處于陽(yáng)極絲附近，會(huì)影響附近區(qū)域的電場(chǎng)，使電場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，影響電子雪崩過(guò)程的進(jìn)行。 ② 再次觸發(fā)電子倍增： ? 正離子漂移到達(dá)陰極，與陰極表面的感應(yīng)電荷中和時(shí)有一定概率產(chǎn)生次電子，發(fā)生新的電子雪崩過(guò)程，稱為 離子反饋 ；也可以通過(guò)加入少量多原子分子氣體阻斷離子反饋。 133/189 雪崩放電區(qū)域的大小 134/189 二 . 正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào) 假定： (1) A 1。即忽略初始電離的離子對(duì)對(duì)輸出信號(hào)的貢獻(xiàn)。 (2) 全部輸出信號(hào)均為正離子由陽(yáng)極表面向陰極漂移而在外回路流過(guò)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(duì)輸出信號(hào)的貢獻(xiàn)。 135/189 得到總電流： ? ?? ? ? ?? ?00() A N eI t E r t u r tV ???? ? 0ln /VEr r b a?? ? Eur P????? ? ()d r tur dt? ?? ?280ln102b PaasV? ? ?????其中 僅取決于結(jié)構(gòu)、工作氣體及工作電壓等。 ? ? 00 22( ) (l n / )A N e VIt p r t b a? ?? ? ? ?? ??22 0( ) 2lnVtr t abp a? ? ???則 01()2 l n /A N eItb a t ???? ?????0()( ) lndr t Vbdt p rt a? ???136/189 0 .02 .0 x 1 084 .0 x 1 086 .0 x 1 088 .0 x 1 081 .0 x 1 070 .00 .20 .40 .60 .81 .0normalized current? ?0 1Itt ?????????0()It? 3? 5?由于 ?很小，所以 電流隨時(shí)間而迅速下降。 137/189 電壓脈沖信號(hào) 式中 f(t)為僅與 R0C0和 ?有關(guān)的時(shí)間函數(shù) ? ? 0 0 0 00012 l ntt R C t R CA N eV t e e d tC b a t ?? ??? ??????? ?0()2 l nA N eV t f tC b a?與入射粒子的位臵無(wú)關(guān) R0C0 高計(jì)數(shù)率： 分辨時(shí)間 (μs) 能量測(cè)量 回顧一下：電子脈沖電離室、離子脈沖電離室，圓柱形電子電離室、屏柵電離室的特點(diǎn)？ 與 輸出回路時(shí)間常數(shù) 的選取 有關(guān) 與 粒子入射位臵 無(wú)關(guān) 138/189 結(jié)論（輸出信號(hào)） (1) 電流脈沖 I(t)的 形狀一定 ，與入射粒子的位臵無(wú)關(guān)；輸出電壓脈沖為 定前沿 脈沖。 (2) 由于 ?～ 108s，即使 t～ 100?，也就是輸出電流降為初始的約 1/100,也僅需要 ?s量級(jí)，可以獲得 快的響應(yīng)時(shí)間 特性。 (3) 當(dāng) R0C0T＋ 時(shí)，獲得最大輸出脈沖幅度 ANe/C0 ? 但不管選取什么 R0C0的值，電壓脈沖幅度均 正比于ANe。 ? 因此可選擇 小 的輸出回路時(shí)間常數(shù) ，獲得 好的分辨時(shí)間 。 139/189 三 . 正比計(jì)數(shù)器的性能 1. 輸出脈沖幅度與能量分辨率 輸出脈沖幅度 ： 0~/h A N e C輸出脈沖幅度的漲落是一個(gè) 二級(jí)串級(jí)型隨機(jī)變量 ： 2 2 2 211h N A AFN N N? ? ? ?? ? ? ?實(shí)驗(yàn)表明 2 0 .6 8A? ?，所以，能量分辨率 0 . 6 82 . 3 5 5 2 . 3 5 5hFN????? 2 : ~ : ~ AF?? 載流子 ?入射粒子電離產(chǎn)生的離子對(duì) ?碰撞電離產(chǎn)生的離子對(duì) 140/189 影響正比計(jì)數(shù)器能量分辨率的其它因素 ① 陽(yáng)極絲的均勻性