课前回顾及8.1气体中离子与电子的运动规律

C、光致电离（光电效应） 介质中原子吸收一个光子，放出一个电 子而电离。 Cs原子的电离电位最低，3.88eV； 相应的光子波长为3184Å ，在紫外区； 紫外光或能量更高的光才能产生光致电 离。
紫外光子能量较低，光致电离产生的电 子动能很低，一般不能再引起新的电离或 激发。
D. 被激发原子的退激方式：
复合引起的离子对数目的损失率：
n n n n t t
为复合系数
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。
复合的结果是损失了离子对数目，使产生 信号的离子对数目减少，破坏了原入射粒子电 离效应与输出信号之间的对应关系。因此，复 合现象在探测器正常工作中应尽量避免。
D.离子和电子在外加电场中的漂移
离子和电子除了与作热运动的气体分 子碰撞而杂乱运动和因空间分布不均匀造 成的扩散运动外，还有由于外加电场的作 用沿电场方向定向漂移。
这种运动称为“漂移运动”，定向运 动的速度为“漂移速度”。
对于离子： 存在电场的情况下，两次碰撞之间离子 从电场获得的能量又会在碰撞中损失，离 子的能量积累不起来。离子的平均动能与 没有电场的情况相似，为： 1 Mv2 3 kT
2、电子与离子在气体中的运动
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，处于平衡状态。 其结果会发生以下物理过程： 扩散； 电子吸附； 复合； 漂移； 电荷转移；
A. 扩散(Diffusion) 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。
E2
E3
2 2
离子漂移速度
离子的迁移率
E u P


电场强度
气体压强
约化场强
离子的迁移率可表示为：

M为离子质量；
e0 2 Mv
0为离子在气体中单位气压下的自由程；
v 乱运动的平均速度。
由于离子的平均动能基本上不随电场而 变化，则 v 近似为常数，这样离子的迁移 率近似为常数。
对于自由电子： 电子与气体分子发生弹性碰撞时，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。 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: 1 3 2 me v e kT 2 2
电子与离子在气体中在外电场作用下的 漂移速度的主要区别为：
cm 10 (1)电子漂移速度一般为：
6
s
s
离子漂移速度一般为： 103 cm
(2)电子的漂移速度对组成气体的组分极为 灵敏
在单原子分子气体中（如Ar）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。
E、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。 电荷转移效应可以减小离子的迁移率， 降低离子的漂移速度。 复合效应、电子吸附效应、电荷转移效 应等，都不利于电荷收集。
称为电子温度，是场强的函数。
电子的漂移速度与约化场强不成正比， 可用函数表示：
ue f E
P
这个函数关系均由试验测定。一般给出 的是实验曲线。 电子漂移速度对气体成分很敏感， 少量某种气体的混入就可显著提高电子 漂移速度。
这些气体一般是甲烷、二氧化碳及氮等 多原子或双原子分子气体。这些气体分子 有很多低能级，有它们存在，电子能量不 用积累到很高，就可能发生非弹性碰撞而 大量损失能量了。这样，少量多原子分子 的加入使气体中电子的平均动能显著下降， 也就可以使乱运动的平均速度下降，这将 会提高漂移速度。这一效应在气体探测器 的研制中经常要用到。
3．气体放电 A、雪崩 电子在气体中的碰撞电离过程。
E
e
发生雪崩的阈值电场：ET ~106V/m。
能引起雪崩的其他因素：
光子的作用： 雪崩形成大量的电离和大量的激发，~106sec ; 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，~107sec； 光电子又可以引起新的雪崩。
8.1 气体中离子与电子的运动规律
1、气体的电离与激发 2、电子与离子在气体中的运动 3、气体放电
8.2 电离室的工作机制与输出回路 8.3 脉冲电离室 8.4 累计电离室
8.5 正比计数器
8.6 G-M计数管
8.1 气体中离子与电子的运动规律 1、气体的电离与激发
电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程
二次电子发射： 雪崩区产生的正离子经过~103sec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。
B、气体放大
非自持放电： 雪崩从产生到结束，只发生一次。 自持雪崩： 通过光子的作用和二次电子发射，雪崩 持续发展。也叫自持放电。
I : 复合区
II : 饱和区
E1
III : 正比区 N A N0 IV: 有限正比区 N N 0 V: G-M工作区 VI: 连续放电区
个电子离子对所需的平均能量。
对不同的气体， W大约为30eV 若入射粒子的能量为 E0 ，当其能量全 部损失在气体介质中时，产生的平均离子 对数为：
N E0 W
B. The Fano Factor 电离产生的离子对数 N 是随机变量.
它服从 法诺分布 离子对数的方差
E0 F W
2
实验测量不同气体的法诺因子介于 0.2～0.5之间。
1) 辐射光子。发射波长接近紫外光的光子，
这些光子又可能在周围介质中打出光电子，或 被某些气体分子吸收而使分子离解。
2) 发射俄歇电子。
上述两过程均在10-9秒内完成。
3) 亚稳态原子的退激。受激原子处于亚稳 态，仅当它与其它粒子发生非弹性碰撞时 才能退激。
亚稳态原子寿命较长，一般为10-2 ~ 10-4秒
电子的吸附现象对气体探测器产生的是 正面 or 负面影响？ 气体探测器的工作气体应尽量选择吸 附系数小的气体，在不得已采用时，将 会影响探测器的性能。
C. 复合(Recombination) 有两个过程：电子与正离子，或负离子 与正离子，相遇时可能复合成中性的原子 或分子。 Recombination ＋ e— ＋
入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用， 使电子获得能量而引起原子的电离或激发。
电离——核外层电子克服 束缚成为自由电子，原子 成为正离子。
激发——使核外层电子由低 能级跃迁到高能级而使原子 处于激发状态，退激发光。
A. Number of Ion Pairs Formed
电离能W：带电粒子在气体中产生一
B. 电子的吸附和负离子的形成
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。
Electron attachment
e-
Negative ion
每次碰撞中电子被俘获的概率称为吸附 系数 h。 h大(h >10-5)的气体称为负电性气体。
例如O2、H2O，的 h 10 ，卤素达 h 10 3
由气体动力学，可得到扩散方程：
j D n
电子或离子的 扩散系数
电子或离子 粒子流密度
电子或离子 密度
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 v 之间的关系为：
1 D v 3
平均自由程
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。