第三章 气体探测器8096Word下载.docx
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(2)吸附
电子在运动过程中与气体分子碰撞时可能被分子俘获形成负离子,这种现象称为电子吸附效应。
每次碰撞中电子被吸附的概率称为吸附系数,用h表示,h大(h×
10-5)的气体称为负电性气体,例如O2和水蒸汽h为10-4,卤素气体h为10-3,负离子的速度比电子慢得多,这增加了复合的可能性。
从而导致电子数减少。
所以气体探测器应使用h值小的气体,并使负电性气体的含量减到最低。
(3)复合
电子与正电离子相遇或负离子与正离子相遇能复合成中性原子或中性分子,电子和正离子复合称为电子复合,负离子与正离子复合称为离子复合,复合概率与电子(负离子)、正离子的密度n–,n+成正比。
单位体积单位时间内,正负离子的复合数为:
式中为复合系数,它与气体的性质、压力、温度、正负离子的相对速度等因素有关,在一般情况下,只要不含负电性气体,复合效应是很小的。
(4)漂移
表3-1几种气体的电离能(eV)和最低电离电位I0(eV)[1]
气体
()
(X,)
I0
He
46.00.5
41.50.4
24.5
Ne
35.72.6
36.20.4
28.68
21.6
Ar
26.30.1
26.20.2
26.40.8
15.8
Kr
24.02.5
24.30.3
14.0
Xe
22.80.9
21.90.3
12.1
H2
36.20.2
36.60.3
15.6
N2
36.390.04
34.60.3
36.60.5
15.5
O2
32.30.1
31.80.3
31.52
12.5
CO2
34.10.1
32.90.3
34.90.5
14.4
C2H2
27.30.7
25.70.4
11.6
C2H4
28.030.05
26.30.3
12.2
C2H6
26.6
24.60.4
12.8
CH4
29.10.1
27.30.3
14.5
BF3
35.60.3
空气
34.980.05
33.730.15
表3-2气体的平均电离能和法诺因子值[1,2,3]
电离电位
第一激电位
平均电离能ω0(eV)
法诺因子
F
5.3MeV粒子
电子
氢H2
15.4
11.5
36.3
0.34
氦He
24.6
19.8
42.7
42.3
0.17
氮N2
6.1
36.6
35.0
0.28
氧O2
6
32.5
30.9
0.37
氖Ne
16.5
36.8
氩Ar
24.4
26.4
氪Kr
9.9
24.1
24.2
氙Xe
8.3
21.9
22.0
水H2O
12.6
二氧化碳CO2
13.7
34.5
32.9
0.32
35.5
34.0
甲烷CH4
13.1
29.2
27.3
0.26
乙炔C2H2
11.4
27.5
25.9
0.27
酒精C2H5OH
10.7
32.6
乙烯C2H4
10.8
28.0
26.2
乙烷C2H6
11.8
24.8
丁烷C4H10
23.0
氯Cl2
13.2
23.5
三氟化硼BF3
17
36.0
35.3
Ar+CH4
13.0
26.0
Ar+C2H2
20.3
Ne+Ar
25.3
0.050
He+Ar
30.1
0.055
He+Xe
28.7
0.060
He+CH4
30.3
0.075
由于探测器外加有一定的电压,在探测器气体空间形成了电场,电子和正离子在电场作用下分别向正负电极方向运动,这种定向运动叫做漂移运动。
电子在电场作用下,一方面会和气体分子碰撞损失能量,另一方面又能从电场获取能量,电子的能量低于气体分子的最低激发能时,每次碰撞损失的能量较小,只有电子的能量大于分子的激发能时,发生非弹性碰撞,才能引起较大的能量损失,当它损失的能量和它从电场获得能量相等时达到平衡状态,这电子的平均能量为:
Ve为电子在电场中的运动速度(漂移运动和热运动)
为热运动能量,K为常数,T为气体的绝对温度,
为电子温度,它是电子在电场中运动能量和热运动能量的比值。
3、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,为了有效地收
集电荷,必须在气体电离空间加电场,即在探测器上设置二个电极,在电极上加电压形成电场使电子,正离子沿电场方向向两极漂移。
设带电粒子在气体探测器的有效气体空间形成N0个离子对(电子—正离子)(初电离)收集的离子对数N和外加电压的关系如图5-1,图中划分为五个区域。
区域I是复合区,外加电压V很小,离子漂移速率很小,扩散和复合效应起主要作用,由于复合,电极上收集到的离子对数小于初电离数N0,就是说在这个区域,收集到的只是部分电离粒子,因此电荷数少,粒子曲线2能量大于粒子曲线1它所产生的初电离粒子多,所以曲线2高于曲线1。
区域II,饱和区随着外加电压的增加,被收集到的初电离数N值也增加,当外加电压到某一定值Va时,复合效应消失,初总电离数N0被全部收集并达到饱和,而且在电压Va和Vb这一范围被称为饱和区,在这一区域内被收集到的电荷饱和值Q0=N0e,它只与入射粒子的种类和能量有关。
电离室工作在这饱和区。
区域IIIa正比区,外加电压超过Vb后,这时外加电场使电子获得很大能量,电子能使气体气分子电离,即可产生次级离子对,使总离子对数大于初电离数N0,因而收集到的电荷Q(Ne)>
Q0(N0e),这种现象叫做气体放大,其比值
叫做气体放大倍数,电极上收到的电荷数Q=Ne=MN0e,正比于初电离数N0,也就是正比于入射粒子的能量,随着外加电压增加,M值变大,保持这一关系的区域叫正比区,工作在这一区域的探测器称正比计数管。
区域IIIb:
有限正比区。
次级离子对数目的增加,并不是无止境的,当气体放大倍数M较大时,由于产生的大量离子对中的正离子漂移速度很慢,滞留在气体空间而形成空间电荷,它们所产生的电场部分地抵消了外电场,限制了次级电离的增长,这就是所谓的空间电荷效应。
该效应使气体放大倍数M随N0而变化,收集到的电离数N,偏离与N0成正比的关系,这个区域称为有限正比区。
区域IV,G-M计数区:
盖革—弥勒区。
外加电压继续增高到某个值,次电离的作用越来越大,到正离子形成的空间电荷区足以把整个探测器有效区的电场降低到不能再产生电离时,这时倍增过程自抑,而初电离仅起一个点火的作用,电流在电压加到某一值后开始激增形成自激放电,收集到的总电荷将成为一个与初电离N0完全无关的一个常数,即与入射粒子的能量无关。
区域V连续放电区。
外加电压继续增加,电极收集到的电离数N再次急剧增长,这就是气体连续放电区,这个区域有光的产生,是闪烁室,火花室,流光室的工作区。
综上所述,在不同区域内的探测器,电离粒子与气体分子的作用机制不同,输出信号的性质也不同,从而可将它们分为电离室,正比计数器,G-M和连续放电型探测器等四类的气体电离探测器。
3.2电离室
电离室是工作在饱和区的气体探测器,原则上它既不存在复合也没有气体放大,入射粒子电离产生的全部电子和正离子都被收集到正负电极上,它的工作电压必须在图中Va和Vb之间,对于不同大小,不同结构和它不同气体的电离室,为了达到收集电荷的饱和状态,外加电压值的差别很大,可以从几十伏到上千伏不等。
按工作方式,电离室可分为两类,一类是记录单个核辐射粒子的脉冲电离室,主要用于测量带电粒子的辐射量和能量。
这类电离室按输出电路的时间常数大小又可分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室,另一类是记录大量粒子平均电离效应的电流电离室,其中包括测量单位时间内入射粒子所产生的平均电离电流的电流电离室和测量相当长时间内大量入射粒子的积累电荷的累计电离室。
常见的电离室结构主要由两个处于不同电位的电极和保护环等组成。
两个电极中的一个和高压电源直接连接,加上所需电压称为负高压电极(或阴极)用K表示。
另一个电极和记录电子仪器的连接并通过负载电阻RL接地称为收集电极,或阳极,以A表示,两电极之间用绝缘体隔开,两电极之间的保护环以P表示,它的主要作用是使收集极边缘的电场保持均匀,这就可使电离室有确定的灵敏体积(入射核辐射与气体相互作用的有效体积)也可使高压电极到地的漏电流不通过收集电极。
保护环保证了灵敏体积内形成的离子对被收集电极全部收集。
1、脉冲电离室
脉冲电离室是记录单个入射粒子的电离室,一定能量的带电粒子进入电离室灵敏体积后,将产生一定数量的离子对,当电离室两电极加上工作电压V0后,电子和正离子在电场作用下向两极漂移,从而在收集电极上产生电流脉冲I(t),如果在电离室的输出电路中接入负载RL则电流脉冲在负载电阻上使形成一个电压脉冲V(t),脉冲幅度正比于入射粒子在电离室灵敏体积中损失的能量,通过测量脉冲数目可以求得入射粒子数,通过分析脉冲幅度可以知道入射粒子的能量。
输出电压脉冲的形成和脉冲幅度的大小,以平行极电离室为例来讨论脉冲的形成,假定所加电压V0足够高,可忽略电子和正离子的复合,输出回路的时间常数,比正离子的收集时间长得多。
采用负高压,阴极为K接负高压,而电极A阳极通过-负载电阻RL接地,收集极对地的电容为C(包括电离室两极之间的电容和分布电容),工作电压V0恒定不变(稳压电源)。
t=0时,没有粒子入射时,输出端的电位为地电位,当有一个粒子进入电离室,并在距阴极K为X0处产生若干离子对时,由于电子和正离子相距很近,它们在两个电极板上感生电荷相互抵消,输出端电位无变化,t=t1>
0时,在电场作用下,电子和正离子分别以速度Ve和V+向A极和K极漂移,由于Ve>
>
V+,在漂移过程中,电子在A电极上感生的正电荷,比正离子在A极上感生的负电荷增加的快的多,因而在A极内侧出现正的感生电荷,同时,在电容上出现数目与之相同的负电荷,这是形成脉冲的开始阶段,电子越靠近A极,感生正电荷越多,电容C上积累的负电荷越多,脉冲继续上升,当电子到达极A时与电子自身感应的正电荷中和。
这时,正离子还在漂移,收集极内侧还有部分正离子感生的负电荷。
当正离子逐渐漂移靠近K极时,A极上感生的负电荷逐渐释放,因而电容上的积累的电荷继续增加,当正离子到达K极,A极上的电荷达到最大值,则在t时刻产生的电压脉冲为:
由静电学基本定理给出,在距收集极A[d-x0]处的电荷Q0在收集极上感应出并积累在电容C的电荷为:
Q0=N0e,U(x)是电离室内X处的电位。
所以我们可以认为,在t=0时,相应于一个入射带电粒子在离阴极KX=X0处产生N0个离子对,电荷为N0e和–N0e分别以速V+和Ve向负高压极(阴极K)和收集极(阳极A)漂移,在t时刻正离子和电子分别到达x+=x0-v+t,x–=x0–+Vet位置,(X0是指离阴极的位置)在C上感生出的电压为:
平行极电离室二极间距离d小于电极板的尺度且极间距离均匀,电离室就被认为是一个孤立的电容器。
所以得出:
我们便可得到电离室的脉冲电压的表达式:
(te为电子的收集时间,t+为正离子的收集时间),X0是指离负高压电极(阴极K)的位置。
分别是对正离子和电子的收集时间,它们分别是ms和μs量级。
t<
te时,正离子和电子对输出脉冲都有贡献,因ve>
vt,主要是电子对脉冲的贡献。
te≤t<
t+,电子漂移到达收集极,正离子还在漂移,所以输出脉冲幅度在增加。
当t>t+,正离子也漂移到高压电极,电子和正离子全部被收集输出脉冲幅度达到饱和值:
若为圆柱型电离室,电极为中心位置(中心电极)。
则我们可得到:
若入射粒子的能量E0全部损失在电离室灵敏体积内,则产生的平均离子对数目
N0=E0/ω。
便得到输出的饱和电压脉冲幅度为
表示脉冲幅度与入射粒子能量成正比,ω为平均电离能,负号是阴极加负高压时输出脉冲是负极性。
由上讨论可得到如下结论:
(1)电离室以及所有的气体探测器的输出脉冲是电子和正离子分别在收集极上感应电荷产生的,不是电子和正电离子到达电极后才产生的。
电子和正离子一经产生并分别向两电极漂移,脉冲就开始产生,随着漂移运动的进行,电压脉冲幅度不断增大,当电子和正离子全部被收集时则达到饱和值(最大值)。
(2)电离室输出脉冲幅度很小,而且当探测器输出电路时,时间常数RC>
t+时,脉冲信号的幅度值达到最大。
与离子对在电离室内产生的位置无关。
例如C=20×
10-12F的空气电离室。
5.3MeV的α粒子,α粒子能量全部损失在电离室内。
这样小的脉冲幅度,必须配用噪声很小的放大器才能测到。
(3)脉冲变化率取决于漂移速度,由于ve>
vt,Ve=106cm/s,Vt=103cm/s。
因此电子漂移构成脉冲的快成份,正离子漂移构成脉冲的慢成份,前者称为电子脉冲,后者称为离子脉冲,电子和正离子对输出脉冲的贡献与电离室结构及电离地点有关。
对于平板电离室。
电子对脉冲幅度的贡献为
对圆柱型电离室电子对输出脉冲辐度的贡献
在X0=d时,即电离发生在靠近收集极(阳极),电子对脉冲的贡献很小,脉冲主要是正离子的贡献,电离发生在X0=0(阴极位置)脉冲主要是电子的贡献,正离子的贡献很小。
(4)脉冲对一个入射粒子而言,无论是电压脉冲还是电流脉冲,均是电子和离子脉冲的总和,脉冲开始于离子对生成并向各自的电极漂移时,终结于离子对的全部被收集,但不能认为电子和离子对脉冲的贡献各占一半。
2、几种常用的脉冲电离室
(1)离子脉冲电离室:
用于测量入射粒子的能量,因为输出脉冲幅度(饱和值)与初电离N0成正比,且与离子对产生地点x0无关,入射粒子损耗在电离室内的能量产生的正负离子全部被收集,使电压脉冲达到饱和。
缺点:
①脉冲较宽,RC常数较大(1~10)×
10-3s〖(1~10)ms〗。
②当计数率达到102/s时,脉冲就可能重叠,使脉冲幅度变高,影响能量测量的精度。
(2)电子脉冲电离室:
工作条件te<
RC<
<
t+脉冲幅度主要由电子漂移贡献,输出(脉冲)幅度与电离产生地点有关,不能用于测量粒子的能谱,但可获得较高的计数率。
离子脉冲电离室和电子脉冲电离室的主要差别在探测器的输出电路的RC常数。
(3)屏栅电离室:
它又叫栅网状电离室,在电离室的负高压电极K和收集电极A之间放置一个金属网状栅电极G,核辐射在栅极G和阴极K之间电离产生电子正离子对,只有电子通过栅极后才开始形成脉冲,所以输出脉冲幅度与地点无关。
但要注意脉冲形成起始于第一个电子穿过栅极的时刻,因此输出脉冲出现的时刻与发生电离时时刻有一段延时,延时与电离地点有关,所以在符合测量中,使用屏栅电离室时必须考虑这个问题。
(4)裂变电离室:
用来探测中子通量密度的涂裂变物质的脉冲电离室,处在收集电子的工作状态,裂变物质涂在电离室板表面,中子入射后与裂变物质发生裂变反应,产生具有很大能量和电荷量的核裂片。
裂变碎片在气体中产生电离,使电离室输出较大幅度的脉冲信号。
3、脉冲电离室的能量分辨
FWHM=△V=2.355σv
脉冲幅度与入射能量成正比关系,所以又可表示为:
FWHM=△E=2.355σE=2.355ωσN=2.355(ωE0)1/2
E为能谱高斯分布的标准偏差,△E为能谱的半高宽,它表示电离室能分开两种不同能量粒子的能量分辨特性。
,
表示用百分数来表示的能量分辨。
,F为法诺因子。
电离室的极限能量分辨率,对0.1MeV约为3%,对5MeV约为0.4%,对实际测量系统,还要考虑其它涨落因素导致的谱线展宽,以屏栅电离室为例,其谱线的半宽度E是由下列因素决定。
电离统计涨落对半宽度的影响,
放大器增益涨落对半高宽的影响,
探测器及放大器噪声对半高宽的影响,
放射源厚度自吸收对半高宽的影响,
为电子脉
冲上升时间涨落对半高宽的影响,
多道分器道宽涨落对半高宽的影响
对210Po5.3MeV,△Ei约1keV;
为16.8keV;
为0.53keV;
和△En的总和为29.1keV;
约2keV。
结合这些结果,脉冲电离室的能量分辨,
=34.1keV,实际测量到的最佳值为35keV,对应的能量分辨n≤1%。
3.3电流电离室和累计电离室
由上所述,脉冲电离室所能记录的带电粒子数目不能过大,否则脉冲将重迭,甚至无法分辨。
因此,在大量入射粒子的情况下,只能由平均电离电流或积累的总电荷来测定射线的强度,这就是电流电离室和累计电离室。
电流电离室,是通过测定单位时间内入射粒子在电离室内产生的平均电离电流来探测核辐射。
在单位时间内入射的粒子数为n,每个粒子在电离室内平均损失的能量为E,而在电离室的工作气体中产生一对离子的平均电离能为ω,假定没有复合和扩散,在恒电离的情况下形成的平均电离电流(饱和电流)为
N0为平均一个入射粒子产生的离子对数,每个入射粒子的能量E0,全损耗在电离室内,则
所以,E0,ω已知,则测出I饱和就可知道n,即根据探测效率求得粒子辐射量。
电离电流很弱,而它的强弱与入射粒子流的强弱有关。
对充氦气的电离室,5.3MeV的粒子,n为5×
104/s,能量全部损失在电离室中,则电离电流为
而用于反应堆控制的电离室,I饱和可达到10-6A,即1A。
饱和电流在10-6A可用电流计测量,对<
10-7A的弱电流一般可用动电容静电计来测量。
用于测量个人剂量用的电离室,
I饱和可达到10-16A。
累计电离室,是测量某段时间内大量入射粒子所积累的电荷来探测核辐射。
若收集极上的感应电荷不漏掉,那么经过t时间后累积的电荷Q=N0etn,测量极上的电压变化VA。
即可求得Q,C0是K、A两极的极间电容。
即累计电离室的电容。
1、电流电离室的工作特性。
特性指标有:
饱和特性,灵敏度,线性电流,时间响应,能量响应。
(1)饱和特性:
输出电流与工作电压的关系即V-I(伏安)特性
电流电离室工作在饱和区。
影响饱和特性的因素有:
1)射线种类和注量率(单位1/cm2·
s)。
2)电离室内充入气体的种类、压力和纯度。
3)电离室自身结构。
(2)灵敏度:
对于给定能量的粒子,电流电离室的灵敏度定义为:
A/cm2·
s,I为输出电流单位(A)安培,为探测器所在位置上粒子的注量率(单位为cm-2s-1)。
灵敏度与电离室的壁材料,气压,结构等有关。
(3)线性电流:
在一定的工作电压下,电离室输出的电离电流与辐射注量率(或粒子通量密度)保持线性关系,相应的最大线性电流为在这个工作电压下的线性电流I线,所以有时又称最大线性电流。
一个好的电流电离室应该在相当宽的粒子注量率范围内,其饱和电流与入射粒子注量率保持线性关系。
(4)时间响应:
时间响应是指辐射注量率改变时,整个测量系统的反应速度。
整个测量系统的时间响应主要决定于探测器的时间响应,而探测器的时间响应由射线作用产生电荷的过程和电荷收集过程决定。
(5)能量响应特性:
在使用电流电离室用于剂量测量时,必须考虑它的能量响应特性。
灵敏度与辐射的能量有关,它随能量的变化称为能量响应。
因此,电离室的灵敏度指标均指特定能量下(例如1MeV的或中子的数值。
2、电流电离室的应用
电流电离室具有线性范围宽,能量响应好,工作稳定可靠的优点,被广泛用于射线照射测量,放射性气体测量和辐射监测。
(1)测量射线或X射线照射量
γ射线照射量
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