南华大学《核辐射探测学》教学课件 第二章 气体探测器

《南华大学《核辐射探测学》教学课件 第二章 气体探测器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第二章气体探测器常用的气体探测器有电离室、正比计数管和盖革—弥勒(G—M)计数管。火花室和流光室主要用于高能物理。气体探测器是内部充有气体(称为探测介质)，两个电极之间加有工作电压的小室。入射带粒子进入探测器后与气体相互作用，使气体原子或分子电离或激发。在入射带电粒子的路径上形成大量的离子对(电子和正离子)。所以首先讨论在气体中电离产生的电和正离子的运动规律。第一节气体中电子和离子对的运动规律一气体的电离：入射带电粒子进入气体探测器后可以直接使气体原子或分子电离，电离产生的电子也可能会使气体电离。若入射带电粒子在气体中产生一个离子对所需能量为(称为

2、平均电离能)，而探测器的气体空间又大于入射带电粒子的射程，则入射带电粒子的能量E0全部损失到气体探测器中，产生的离子对(初电离)为；N0E0/(2.1)对于纯化学混合气体(一般是单原子分子气体和多原子分气体混合)，平均电离能可用下式计算：1ZiPi1ZjPjijij(2.2)ZiPiZjPjZiPiZjPj对于一束能量相同的带电粒子，由于每个带电粒子在探测介质中碰撞次数不同，每次碰撞损失的能量不同，所以总电离会有统计涨落，涨落的大小用方差2表示，即2E0FNF(2.3)式中F<1为法诺因子(可查表得到)。二电子和离子在

3、气体中的运动电离产生的电子和正离子从入射带电粒子得到动能，在气体中运动，除了由于和作热运动的气体分子碰撞而作杂乱无章的运动外，还可以在外电场的作用下沿电场方向作漂移运动和由密度大的地方向密度小的地方作扩散运动。电子和正离子在运动过程中相遇会发生复合，电与气体分子碰撞还可能被气体分子俘获而形成负离子。1漂移(1)离子漂移漂移速度P式中约为103cm/s1e0为迁移率，是离子运动的特征量2u之一，可查表得到，在很大的/P范围内，为常数。0——平均自由程u——杂乱运动平均速度——电场强度P——气体压力/P——约化场强(2)电子漂移电子

4、的漂移速度约为106cm/s量级。电子在气体中，一方面不断和气体分子碰撞而损4me失能量，弹性碰撞时，一次碰撞损失能量较小(最大为EeMM为气体分子质量)，另一方面电子还不断地从电场获得能量，当损失能量等于获得能量时，漂移速度不再变化，这时电子的平均能量为：123EemeuekT(2.4)22式中，ue——电子在电场中的运动速度(包括漂移运动和热运动。3kT——热运动能量。2k——波尔兹曼常数。T——气体的绝对温度。——电子温度，它是电子在、有电场时与无电场时(绝热运动)动量之比。2扩散在入射带电粒子在气体中产生的电子和离子对(称为电离粒子)

5、的密度是不均匀的，电子和正离子从密度大的地方向密度小的地方扩散的扩散系数为1D(2.5)3式中：——电离粒子杂乱运动速度——电离粒子杂乱运动平均自由程dn单位时间内通过空间某一点一单位面积的电离粒子流dt正比于粒子的密度梯度：dnDn(2.6)dt式中负号表示粒子流方向与密度梯度方向相反。若粒子漂移的平均距离为S，扩散的平均距离为SD，在室温下有SD0.2(2.7)SV式中V为漂移路程两端的电位差。实际上希望扩散的影响小一些，显然工作电压高些，而且在单原子分子气体中加入少量多原子分子气体可以降低扩散影响。3电子吸附负离子形成和复合

6、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而形成负离子的现象称为电子吸附。电子在一次碰撞中被吸附的概率称为吸咐系数，用h表示。h>10-5的气体称为负电性气体，如O2，水蒸汽和卤素气体。而惰性气体和N2、CH4、H2等的吸附系数6。吸效效应可以使电离电子减少，且形成负离子，h10负离子由于速度慢又容易和正离子复合。吸附和复合都影响探测器的性能。因此探测器应使用h值小的气体作探测介质。在单原子分子气体中添加少量的多原子分子气体能使电子表漂移速度加快并减少电吸附。所谓复合是指电子与正离子相遇而复合成中性原子(称为电子复合)或负离子与正离子相

7、遇会复合成中性分子(称为离子复合)。单位体积单位时间内的复合数(称为复合率)为：dndnnn(2.8)dtdt式中n-——电子或负离子的密度n+——正离子的密度——复合系数正负离子由于相对运动速度慢，故离子复合系数大，电子与正离相对运动速度快，电子复合系数小。三被收集的离子对数与外加电场的关系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。为了有效收集电荷，采用在气体探测器的两极上加电压形成电场，使电子和正离子在电场作用下向两极漂移而被电极收集。设入射带电粒子在探测器的灵敏体积(两极间的有效空间)内形成N0个离子对(

8、初电离)，收集的离子对数N与外加电压V的关系如下图所示。图中曲线分为五段或5个区。在第I区(称为复合区),N随着V的加大而