【正文】 ，而與初總 電離N。相關(guān)”“。收集到的電離數(shù)N，不再與初總電離N。嚴格成正比。 IIIb區(qū)稱為有限正比區(qū)。Ⅳ．蓋革一彌勒區(qū)外加電壓V繼續(xù)增高，至某個值后，電流開 始激增而形成自激放電。此時，電極收集到的電離(電荷)數(shù)再一次飽 和，且與電壓V關(guān)系不大，與初總電離數(shù)N。無關(guān)。初電離僅起“點火”哈爾濱工程大學碩士學位論文I||目日_ii|目j_i|i|目i‘tIi|ii_；_i|_目_iIii_目_|_目|_____i_目_11_作用。這一區(qū)域稱為蓋革一彌勒區(qū)。蓋革一彌勒計數(shù)管工作于這一區(qū)間。V．連續(xù)放電區(qū) 外加電壓繼續(xù)增高，電極收集的電離數(shù)N再次 急劇增長。這就是氣體連續(xù)放電區(qū)。在這一區(qū)間守，有光產(chǎn)生a電暈 管、閃光室、火花室和流光室工作于這一區(qū)問。綜上所述不同工作區(qū)域的探測器，電離粒子與氣體分子作用機制 不同，輸出信號的性質(zhì)也不同；從而，可將它們分為電離室、正比計 數(shù)器、蓋革一彌勒計數(shù)器及連續(xù)放電型探測器等四類不同的氣體電離 探測器。2電離室氣體電離室工作在圖3．5所示的飽和區(qū)。電離室內(nèi)由入射帶電粒 子產(chǎn)生的離子被電極全部收收集而且既無離子復合，也無氣體放大作 用。按工作性質(zhì)電離室可分為脈沖電離室(也稱為計數(shù)電離室)及電流 電離室(也稱為累計電離室)兩類。對于用于環(huán)境T場測量的電離室， 通常我們關(guān)心的是環(huán)境的輻射劑量水平，所以一般用于環(huán)境T射線探 測的電離室都是電流電離室““。電流電離室是測量在某一時間間隔內(nèi)出現(xiàn)的、由許多單個電離事 件產(chǎn)生的累積電荷的電離室。這類電離室不是記錄單個粒子的電離在 收集電極上感應的電荷，而是測量大量粒子的總電離。它工作在飽和 區(qū)，產(chǎn)生的全部離子都對電離電流，或累積電荷作貢獻。在收集極上收集到的飽和電流值為IsIs=eI％Nob，Y，z腳=NoP=心蘭P． F(3～14)。SO式中／7。一一每秒鐘進入電離室的粒子數(shù) 肛一每個粒子消耗的平均能量 r廠一產(chǎn)生一對離于所需的能量用于環(huán)境T射線測量的電離室通常是柱形或是球形的。 1．)圓柱形電離室哈爾濱上程人學碩士學位論文圓柱形的外殼是一個圓柱形的金屬殼，外殼是高壓極(陰極)。中 心收集極一般是一個圓棒或者是一根較細的絲，也有做成圓筒的。其 結(jié)構(gòu)如圖3．6圖3．6圓柱形電離室機構(gòu)圖圓柱形電離室的電場強度F(X)分布如下式FG)2硬V麗s i1 (3—1 5)式中：b一一電極間的電壓 擴一集電極(陽極)半徑 扣一高壓極(陰極)半徑 r一所求的電場強度點距中軸的距離2．)球形電離室球形電離室也是外殼是高壓極，中心是收集極。 只是球形電離室 的兩個電極都是球形。其結(jié)構(gòu)如圖3一哈爾濱工程大學碩士學位論文金屢圖3．7球形電離室結(jié)構(gòu)圖球形電離室的電場強度F(x)分布如下式F0)：Vs39。蘭與 (316)D—a X一式中：路一一電極間的電壓 儼一集電極(陽極)半徑 卜一高壓極(陰極)半徑 r一所求的電場強度點距電離室中心的距離。3蓋革一彌勒管計數(shù)器 蓋革一彌勒計數(shù)管是工作在蓋革一彌勒區(qū)(Ⅳ)的氣體電離探測器。蓋革一彌勒區(qū)是氣體放大系數(shù)遠大于1，脈沖幅度實際上與單次電離事件在靈敏體積內(nèi)生成的初電離無關(guān)的計數(shù)管的電壓區(qū)間“ 。 1．)工作原理蓋革一彌勒管計數(shù)器的工作包括放電和淬滅過程。(1) 放電 蓋革一彌勒計數(shù)管的放電機制由兩種增殖過程組成：①電子增殖 電離粒子在計數(shù)管內(nèi)生成的電子在電場作用下朝收 集電極運動，一方面被電場加速，另一方面在加速過程中經(jīng)受多次碰哈爾濱工程大學碩士學位論文撞。當電子在一個自由程的距離上被加速而獲得的能量足夠使氣體分 子再電離時，碰撞便可產(chǎn)生次級電子；依此類推，電子不斷增殖。因 此電離一旦開始，電子便很快地增殖。這一現(xiàn)象稱為湯遜雪崩。當全 部雪崩電子到達計數(shù)器絲極后，初級湯遜雪崩過程終止。②光子一光電子增殖 在電子增殖過程中產(chǎn)生的受激原子、分子或離子放出光子，后者與陰極或氣體分子作用放出光電子。這些光電 子經(jīng)電場加速又會引起新的增殖。在蓋革一彌勒計數(shù)管中，一次光子 一光電子增殖過程后產(chǎn)生的光子數(shù)大于增殖前的光子數(shù)，因此新的增 殖過程將會繼續(xù)下去。由于光子可以向各個方向發(fā)射，因此氣體放大 不像正比計數(shù)管那樣只局限在初電離所限定的小范圍內(nèi)，而是在氣體內(nèi)或陰極上到處產(chǎn)生光電子，使離子增殖沿陽極絲方向擴展，以致整 個陽極絲附近都會產(chǎn)生正負離子對。這個現(xiàn)象通常稱為雪崩再生。充有純氣體的外淬滅的計數(shù)管中，光電子主要由計數(shù)管壁放出。 充有混合氣體的自淬滅計數(shù)管中，光電子主要由氣體混合物放出。由 于陽極絲附近的正、負離子對中的電子，很快地漂移到陽極而留下大 量正離子，它們包圍著陽極絲，形成一個“正離子鞘”，使陽極周圍 的電場強度減弱，氣體放大倍數(shù)減小，最終使光子一光電子增殖終止。放大過程終止后，在電場作用下正離子鞘向陰極漂移，在陽極上感應出一個電壓脈沖。對蓋革一彌勒計數(shù)管，脈沖主要是正離予運動 的結(jié)果，其大小取決于正離子鞘的總電荷，而基本上與初電離無關(guān)。 因此，蓋革一彌勒計數(shù)管的輸出脈沖在一定的工作電壓下。幅度相同 而與入射粒子的種類、能量、初電離地點無關(guān)。當工作電壓增高時， 正離子鞘的電荷量增加，相應地，輸出脈沖幅度也會變得更大”“。(2) 淬滅 為防止計數(shù)管內(nèi)連續(xù)放電，必須消除正離子鞘電荷被收 集時撞擊陰極表面發(fā)射的二次電子所引起的再次放電。這一過程稱為淬 滅。淬滅有兩種：外電路淬滅與自淬滅。①外電路淬滅 利用計數(shù)管輸出脈沖來控制電子學線路，當計數(shù) 管輸出一個脈沖之后，立即在陽極加一個負脈沖電壓，使陽極電壓瞬 時降到能引起(放電)雪崩再生的閥電壓以下，使放電淬滅。這種蓋革 一彌勒計數(shù)管稱為非自淬滅計數(shù)管，現(xiàn)已不再使用。哈爾濱工程太學碩士學位論文②自淬滅計數(shù)管 在計數(shù)管中加充多原子分子氣體作淬滅氣體，在沒有任何其他措施時就能白行淬滅的計數(shù)管。 充酒精、石油醚的稱為有機淬滅計數(shù)管；充溴、氯等鹵素氣體的稱為鹵素淬滅計數(shù)管。a有機淬滅機制 淬滅氣體的電離電位比主要氣體的低。如酒精 是11．3eV，而主要氣體氬為15．8eV。當氬的正離子鞘向陰極漂移時， 與酒精分子碰撞，氬很容易奪走酒精分子的電子而還原成氬原子，酒 精分子變成正離子，并放出一個能量較小(約4eV)的光予。這些光子 又被酒精分子強烈地吸收。由于加充的酒精量很多，所以氬離子幾乎 全部還原。最后到達陰極的實際上都是酒精離子。后者在陰極上打出 次級電子的幾率很小，主要是從陰極上獲得電子而中和，同時受激變 成激發(fā)態(tài)分子。激發(fā)能通過自身離解而放出。因此不會再發(fā)生第二次放電，計數(shù)管自持放電得到淬滅。b鹵素淬滅機制 與有機淬滅機制基本相同，兩者之間只略有差 異。鹵素管的工作氣體一般是在主氣體氖中加入0．5％左右的溴氣。 Ne的電離電位為21．6eV，它在16．5eV處有一亞穩(wěn)態(tài)，因此在電離過 程中有相當一部分氖處于亞穩(wěn)態(tài)，而Br。的電離電位為12．8eV，它與 亞穩(wěn)態(tài)氖碰撞也可被電離。Br。與Ne+碰撞發(fā)生電荷交換，最后到達陰 極的是溴離子。溴離子在陰極表面上的作用也是發(fā)生離解而不會打出 電于。與有機分子不同的是，離解后的溴原子會重新復合成溴分子。 因此，管內(nèi)所含的溴分子雖少，但其壽命卻比有機管長得多。蓋革一彌勒計數(shù)管輸出脈沖的特點：I氣體放大倍數(shù)M大，輸出脈沖幅度可達lv以上，而且與入射粒 子的種類和能量無關(guān)。11分辨時間由正離子的整個漂移時間決定，約100—300“S。 Ⅲ氣體放大區(qū)域占滿整個陽極絲區(qū)，形成正離子鞘，電場減弱，使得在電場恢復之前即使有入射粒于射入，也不會形成雪崩再生。 Ⅳ由于淬滅不完全，在入射粒子產(chǎn)生的脈沖過后出現(xiàn)假脈沖的幾率隨工作電壓增大而加大。因此坪長短，坪斜大。有機管的坪長一般在200—300V之間，坪斜(5一10)％／lOOV。哈爾濱二r程大學碩士學位論文2．)蓋革一彌勒計數(shù)管構(gòu)造 通常用于T射線探測的蓋革一彌勒計數(shù)管稱為T計數(shù)管。其結(jié)構(gòu)如圖3．8。圖3．8 Y計數(shù)管結(jié)構(gòu)圖中央陽極是鎢絲，直徑為O．07一O．09mm。絲的端部外罩有玻璃套 管，確定了計數(shù)管的靈敏體積。管的外殼通常是玻璃管，內(nèi)壁襯有銅 皮、不銹鋼或其他金屬皮作陰極或直接在玻璃殼內(nèi)壁噴涂一層鎢粉、 石墨或氯化亞錫等導電材料作陰極。3．2．2閃爍體探測器1．閃爍體探測器的構(gòu)成 閃爍體探測器是利用某些物質(zhì)在核輻射的作用下會發(fā)光的特性探測核輻射的，這些物質(zhì)稱為熒光物質(zhì)或閃爍體。光電器件將微弱的閃爍光轉(zhuǎn)變成光電子，光電子經(jīng)過多次倍增放大后，輸出一個電脈沖， 這種裝置叫做閃爍體探測器。閃爍體探測器的主要組成部分有閃爍體、光學收集系統(tǒng)、光電倍 增管(或其他光電器件)以及給電倍增管各電極供電的分壓器。它們被 封閉在一個不透光的外殼內(nèi)，統(tǒng)稱為探頭。結(jié)構(gòu)如圖3．9哈爾濱工程大學碩士學位論文rIiI：1bl一反射層2一閃爍體3一硅油4一光導5一光電倍增管6一分壓器7一電信 號記錄儀器8～高壓電源圖3．9閃爍體探測器組成示意圖 2．閃爍體探測器的工作原理 閃爍體探測器的工作原理為：核輻射進入閃爍體中，使原子(或分子)激發(fā)，受激原子在退激過程中發(fā)光。光子穿過閃爍體、光導，一部 分到達光電倍增管的光陰極，在光陰極上打出光電子，被光電倍增管 的第一倍增極收集的光電子經(jīng)過光電倍增管各倍增極的倍增(或稱放 大)，便產(chǎn)生一個電脈沖信號”“。閃爍探測器的工作過程，也就是入 射拉子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭娒}沖的過程。可以分為以下幾個階段：(1)粒子進入閃爍體內(nèi)，使閃爍體的原子或分子激發(fā)電離，粒子 損失能量。(2)受激的或者電離后又復合而處在激發(fā)態(tài)的原子和分子在退激 過程中大部分發(fā)射光子，這是對探測有用的，另一部分不發(fā)射光子， 而是將能量轉(zhuǎn)化為晶格震動或熱運動的動能，這部分能量對探測沒有 用。設轉(zhuǎn)化為光子的能量轉(zhuǎn)換效率為C**，光子的平均能量為hv，則閃爍體中產(chǎn)生的光子數(shù)為光子：—E—K—1_C—齜一光子2—i廠 (317)(式中K，一一入射粒子在閃爍體內(nèi)的能量損失份額哈爾濱工程大學碩士學侮論文(3)光子產(chǎn)生后一部分穿過閃爍體和光導到達光電信增管光陰極 上，另一部分會被吸收成散射而不能到達光陰極。設閃爍體的透明度 為T(定義為物質(zhì)對光不吸收的概率)，光陰極的收集因子為G(G又稱 為收集效率)，則到達光陰極的光子數(shù)目n纛+為”0；=咒*旱TG (3—18)(4)光陰極將光子轉(zhuǎn)換為光電子。設光陰極的光電轉(zhuǎn)換效率為C m自，則光陰極發(fā)射的光電子數(shù)目為n電子=聹光子C光皂 (319)若光電子從光陰極到倍增系統(tǒng)的第一倍增極(倍增極又稱為打拿極)的 傳輸系數(shù)為K。，則至q達第一倍增極的光電子數(shù)n’電子為；以電于=胛光子10光電K2 (320)(5)光電子經(jīng)各倍增極倍增，最后被陽極收集形成電脈沖。3．3各種T射線監(jiān)測器的比較對于這三種探測器用于測量環(huán)境T射線各有各的優(yōu)缺點。電離室 的結(jié)構(gòu)簡單、牢靠，幾何形狀可做成各種各樣，對于環(huán)境T射線場可 以把電離室做成球形，這樣對可以使得探測器的角響應比較好。由于 處于飽和區(qū)，沒有其它復雜的電離過程，因而工作的性能穩(wěn)定可靠， 同時飽和區(qū)的電壓范圍一般比較廣，因此對電離室的高壓電源要求并 不很嚴格。但是電離室不對所產(chǎn)生的電流放大，所以產(chǎn)生的電流非常 弱，一般需要靈敏的電流計才能測出，這樣對后續(xù)的放大電路要求比 較嚴格。同時也是因為其產(chǎn)生的電流非常弱，微弱的漏電都會對測量 產(chǎn)生較大的影響，所以電離室的漏電保護要求嚴格。蓋革一彌勒計數(shù)管的結(jié)構(gòu)非常簡單因而制作簡單，造價便宜。氣 體放大倍數(shù)M大，輸出脈沖幅度可達lv以上，可以不經(jīng)放大直接被記 錄。但是蓋革一彌勒計數(shù)管工作于蓋革一彌勒區(qū)，要求的電壓比較高， 同時這一區(qū)的坪長短，坪斜大，所以要求高壓電源穩(wěn)定性好，在這區(qū) 域會形成j下離子鞘，電場減弱，使得在電場恢復之前即使有入射粒子 射入，也不會形成雪崩再生，造成漏計數(shù)。蓋革一彌勒計數(shù)管對粒子哈爾濱上程大學碩士學位論文的種類和能量不敏感，只要有一個粒子在管內(nèi)發(fā)生反應，就產(chǎn)生很強 的一個脈沖，因此蓋革一彌勒計數(shù)管在粒子計數(shù)方面應用很多，但是 對于劑量監(jiān)測卻較為困難。由于在蓋革一彌勒區(qū)工作需要在單位距離 上產(chǎn)生很大的電壓差，所以這一類的探測器基本上都是管狀且直徑不 會很大，使得探測器的靈敏體積較小。另外蓋革一彌勒計數(shù)管為了減 少粒子復合的幾率，所充氣體的壓力一般是負壓，這樣就使得蓋革一 彌勒計數(shù)管的探測效率降低。對于閃爍體探測器，它對環(huán)境T射線場的探測很大程度上由探頭 的成分及光電倍增管的性能所決定。測量T射線閃爍體探測器的探頭 使用最廣泛的是NaI(T1)閃爍體。NaI(T1)閃爍體的主要優(yōu)點是密廢 大，原于序數(shù)高，對T射線的阻止本領(lǐng)大，因而探測效率高。另外它 的發(fā)光效率高，閃爍衰減的時間短，約230nS，對自身的閃爍光不產(chǎn) 生自吸收，因此可以做成大塊的閃爍體。而且產(chǎn)生的光譜能跟光電倍 增管很好的配合。能制成很大尺寸的單晶和多晶，并易于加工成各種 形狀。但是NaI(T1)閃爍體發(fā)光效率對T射線的能量響應不是很理 想，當T射線的能量小于150KEY時NaI(T1)的能量響應較大，而當 當T射線的能量小于150KEY時NaI(T1)的能量響應才比較接近線性。 而且NaI(T1)閃爍體有發(fā)光效率的溫度效應。溫度每變化1℃時，在 一40一一10℃之間發(fā)光效率變化1％，在一10一0℃之間為(0．5一O．7)％，在O一10℃之間為0