第8章_气体电离探测器
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气体 电子复合系数e(cm3/s) 离子复合系数i(cm3/s)
H2
He
5.91011
1.7108
1.5106
N2
O2 Ar CO2 空气
21 / 198
1.4106
2.7107 8.8107 1.6106 1.5106 1.6106
复合的结果是把许多有用信号给复合掉（载流子减少） 使有用的信号减少（幅度降低、统计性变差） 因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免
v 为乱运动的平均速度。
由于离子的平均动能基本上不随电场而变化，则 常数，这样离子的迁移率近似为常数。
25 / 198
v近似为
对于自由电子：
电子与气体原子发生弹性碰撞时，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
② 使气体原子发生电离，形成电子、离子对，称之为 “原电离”。 ③ 原电离有可能产生δ射线（什么是δ射线？）， δ射 线可以再次使气体原子形成电离，称为“次电离”。 总电离 =原电离+次电离 比电离：单位长度路径内产 生的离子对数。
对载流子的 主要贡献
9 / 198
产生的离子对数目
若能量为E0 的入射粒子将能量全部损失在气体 介质中时，产生的平均电子－离子对数为：
按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比计数器、 G-M计数器等。
历史悠久
是最早被使用的射线探测器
居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时， 用到了电离室 Chadwick 发现中子时，用G-M计数器 来测量质子
仍在使用
剂量仪中的G-M计数器 测量中子的BF3、3He正比计数 器 集装箱检测系统的气体电离室 探测器
升到更高的能级，允 许（概率大）跃迁：
第一类非弹碰撞
第二类非弹性碰撞：当处于亚稳态
(能量为E亚)的原子与其它激发电位或 电离电位低于E亚的气体原子碰撞时， 亚稳态原子可能将自己的亚稳态激发 能传给它们，造成它们的激发或电离， 而自己则回到了基态。
吸收光子
8 / 198电离损失的结来自：① 使气体原子发生激发，不形成电子、离子对，但退 激后发出光子（可能形成光致电离）。
这种运动称为“漂移运动”
定向运动的速度为“漂移速度”
23 / 198
对于离子：
离子漂移速度
E u P
约化场强
电场强度
气体压强
离子的迁移率
在存在电场的情况下，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：
2 1 3 M v kT 2 2
e-
Negative ion
18 / 198
在与气体分子发生的每次碰撞中，电子都有可能被 俘获，这个概率称为该气体的吸附系数 h。 h大(h >10-5)的气体称为负电性气体。
负电性气体：
例如O2、H2O，的h≈10-4，卤素达h≈10-3
非负电性气体：
h小(h <10-6)的气体：惰性气体、H2、N2、CH4、多原子分子气体。
第八章 气体电离探测器
授课教师：丁卫撑 副教授
2012年3月
/ 198
为什么需要探测器？
辐射是人无法直接感 知的。 必须借助电离辐射探 测器来将辐射转换成 可观测的信号。 利用探测器，可获取如下信息： ① 类型(α、β、γ、中子…) ② 强度(注量率、源强) ③ 能量(662keV、1.33MeV) ④ 时间特性
24 / 198
假设：
1. 离子在电场方向上的漂移速度远小于乱运动的速度。 2. 两次碰撞间离子从电场获得的能量在碰撞时全部传给了气体原 子； 3. 碰撞后离子的运动取向为各向同性，即漂移速度为0。
离子的迁移率 可表示为：
e0 2Mv
M 为离子质量； 0 为离子在气体中单位气压下的自由程；
气体
He Ne Ar O2 CH4 C2H4 空气
w() 46.00.5 35.72.6 26.30.1 32.30.1 29.10.1 28.030.05
w(X, ) 41.50.4 36.20.4 26.20.2 31.80.3 27.30.3 26.30.3
I0(eV)
第一类非弹性碰撞：电子的能量高于气体原子的激发能或电
离能，在碰撞时使气体原子激发或电离。
电子在电场中的倍增：正比计数器，G-M计数管
13 / 198
二. 电子与离子在气体中的运动（载流子的移动） 分两种情况来看： 1.没有外加电场的情况 2.有外加电场的情况
1. 不存在外加电场的情况
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，会发 生以下物理过程：
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 扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离产生 位臵信息的确定有一定影响
16 / 198
(2) 电荷转移效应(Charge transfer)
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。 后面在讨论G-M管时会用到。
17 / 198
(3) 电子的吸附和负离子的形成
吸附：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
N是个精确值
N服从法诺分布！ 离子对数的方差
E0 F W
2
11 / 198
不同气体的法诺因子F介于0.2～0.5之间。
电离还没有结束……
在原电离和次电离之后，电离并没有结束，还有其它的电 离过程：
光致电离：
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。
N E0 W
对不同的气体，W 大约为30eV
最低电 离电位 w() 29.9+0.5 28.68
电离能W：带电粒子在气体中产生一电子
离子对所需的平均能量。
重要特性：
对同种气体， 不同种类或能量 的带电粒子的平 均电离能基本不 变。 可以据此来测 量入射带电粒子 的能量。 10 / 198
②闪烁体探测器
第一打拿极收集到的电子
Charge Carrier （信息）载流子
② 探测器输出信号的特点，包括 对信号的估算及涨落分析 ③ 探测器的主要性能
③半导体探测器
电子－空穴对
3 / 198
④ 探测器的典型应用
气体电离探测器：
以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输 出电信号的探测器。
Recombination
＋ e—
20 / 198
＋
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（大2～3 个量级b）。 电子和离子的复合系数
§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
5 / 198
§8.1 气体中离子与电子的运动规律
一．气体的电离与激发
——载流子的产生 二．气体中离子、电子的漂移与扩散运动 ——载流子的移动 三．气体放电 ——载流子的“增多”
6 / 198
一. 气体的电离与激发（载流子的产生）
柱状重组：
同一个电离径迹上 重离子、裂变碎片发生严重
难以完全消除……
体积重组：
发生在扩散、漂移时， 不同的电离径迹
计数率高的时候严重
外加电场可以抑 制复合效应
22 / 198
2. 存在外加电场的情况
离子和电子在外加电场中的漂移
离子和电子，由于热运动和空间分布不均匀： 扩散 在外加电场下： 沿电场方向发生定向漂移。
不断发展
– 1992年，法国科学家G. Charpak(夏帕克)因发明多丝气体正比室获得 诺贝尔物理奖 – 1997年，Cern的科学家Sauli发明GEM探测器 – BNL的RHIC-STAR实验：MRPC 4 / 198
§8 气体电离探测器
√
§8.1 气体中离子与电子的运动规律
§8.2 电离室的工作机制和输出回路
离子反馈：
正离子有可能在阴极表面再次产生电子。
12 / 198
电离产生的电子在电场中运动还可以再发生电离 • 电离产生的电子（除了δ 电子）能量较低，无法 再形成电离。
• 当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得 能量。
• 随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。 • 弹性碰撞→激发→电离。
电子的吸附现象 对气体探测器产生 的是正面 or 负面 影响？
19 / 198
电子被俘获形成负离子，很容易 和正离子发生复合效应，减弱电 离的效果，因此是不利的。
气体探测器的工作气体应尽量选 择吸附系数小的气体。
(4) 复合(Recombination)
有两个过程： ① 电子与正离子 ② 负离子与正离子 它们相遇时可能复合成中性的原子或分子。
信号类型： 电信号 非电信号 •径迹 •热释光 •照相乳胶 •云室 •气泡室
什么是电离辐射探测器？
将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件， 各类探 测器研 称之为电离辐射探测器，简称探测器。
究的主 要内容
探测器是怎样形成信号的？
①辐射粒子 射入“灵 敏体积”
2 / 198
② 入射粒子与灵敏体积内 的工作介质相互作用， 损失能量并形成电离或 激发
7 / 198
被激发原子的退激方式
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 3) 亚稳态原子的退激 • 亚稳态：某些激发态不能（难以）发生直接回到基态或较低 能级的跃迁
均在10-9秒 内完成
对载流 子的贡献 如何？
① 扩散（Diffusion）
② 电荷转移效应（Charge transfer） ③ 电子吸附（Electron Attachment）
④ 复合（Recombination）
14 / 198
(1) 扩散(Diffusion) 扩散 ：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。 由气体动力学，可得到扩散方程：
X射线、中子可以直接被测量 吗？ 不行，需要首先转换为 次级电子、重带电粒子
带电粒子在介质中损失能量的 方式有哪四种？（请回顾第6章）
电离损失是带电粒子在 气体电离探测器中的主 要反应
电离损失的结果：
① 使气体原子发生激发，不形成电子、离子对，但退激 后发出光子（可能形成光致电离）。
② 使气体原子发生电离，形成电子、离子对，称之为 “原电离”。 ③ 原电离有可能产生δ射线（什么是δ射线？）， δ射线 可以再次使气体原子形成电离，称为“次电离”。
③ 探测器通过自身特有的工作 机制将入射粒子的电离或激 发效果转化为某种输出信号。
按探测介质和作用机 制，探测器可分为：
①气体电离探测器
电子－离子对
在学习各种探测器时， 应掌握四方面的内容：
① 探测器的工作机制 • 入射粒子的能量转换为输出信 号的物理过程时怎样的？ • 是谁携带了我们需要的关于射 线的信息？
j D n
电子或离子 粒子流密度
15 / 198
电子或离子 的扩散系数
电子或离子 的密度梯度
随着时间的推移，将 扩散为空间高斯分布
x , y ,or ,z 2 Dt
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
24.5 21.6 15.8
31.52
12.5 12.8 12.2
34.980.05 33.730.15
36.00.4
法诺因子
电子——离子对的数目N是怎样的分布？
如果射线交给气体的所有能量都用来 电离——最小电离电位 ① 激发：消耗的能量没有增加N ② 电离（但只一次）：消耗的能量增 加了N，但增加的“代价”超过了 最低电离能 ③ 电离（后续还有δ电离）：消耗的 能量增加了N，但增加的“代价” 超过（但更接近）了最低电离能
H2
He
5.91011
1.7108
1.5106
N2
O2 Ar CO2 空气
21 / 198
1.4106
2.7107 8.8107 1.6106 1.5106 1.6106
复合的结果是把许多有用信号给复合掉（载流子减少） 使有用的信号减少（幅度降低、统计性变差） 因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免
v 为乱运动的平均速度。
由于离子的平均动能基本上不随电场而变化，则 常数，这样离子的迁移率近似为常数。
25 / 198
v近似为
对于自由电子：
电子与气体原子发生弹性碰撞时，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
② 使气体原子发生电离，形成电子、离子对，称之为 “原电离”。 ③ 原电离有可能产生δ射线（什么是δ射线？）， δ射 线可以再次使气体原子形成电离，称为“次电离”。 总电离 =原电离+次电离 比电离：单位长度路径内产 生的离子对数。
对载流子的 主要贡献
9 / 198
产生的离子对数目
若能量为E0 的入射粒子将能量全部损失在气体 介质中时，产生的平均电子－离子对数为：
按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比计数器、 G-M计数器等。
历史悠久
是最早被使用的射线探测器
居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时， 用到了电离室 Chadwick 发现中子时，用G-M计数器 来测量质子
仍在使用
剂量仪中的G-M计数器 测量中子的BF3、3He正比计数 器 集装箱检测系统的气体电离室 探测器
升到更高的能级，允 许（概率大）跃迁：
第一类非弹碰撞
第二类非弹性碰撞：当处于亚稳态
(能量为E亚)的原子与其它激发电位或 电离电位低于E亚的气体原子碰撞时， 亚稳态原子可能将自己的亚稳态激发 能传给它们，造成它们的激发或电离， 而自己则回到了基态。
吸收光子
8 / 198电离损失的结来自：① 使气体原子发生激发，不形成电子、离子对，但退 激后发出光子（可能形成光致电离）。
这种运动称为“漂移运动”
定向运动的速度为“漂移速度”
23 / 198
对于离子：
离子漂移速度
E u P
约化场强
电场强度
气体压强
离子的迁移率
在存在电场的情况下，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：
2 1 3 M v kT 2 2
e-
Negative ion
18 / 198
在与气体分子发生的每次碰撞中，电子都有可能被 俘获，这个概率称为该气体的吸附系数 h。 h大(h >10-5)的气体称为负电性气体。
负电性气体：
例如O2、H2O，的h≈10-4，卤素达h≈10-3
非负电性气体：
h小(h <10-6)的气体：惰性气体、H2、N2、CH4、多原子分子气体。
第八章 气体电离探测器
授课教师：丁卫撑 副教授
2012年3月
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为什么需要探测器？
辐射是人无法直接感 知的。 必须借助电离辐射探 测器来将辐射转换成 可观测的信号。 利用探测器，可获取如下信息： ① 类型(α、β、γ、中子…) ② 强度(注量率、源强) ③ 能量(662keV、1.33MeV) ④ 时间特性
24 / 198
假设：
1. 离子在电场方向上的漂移速度远小于乱运动的速度。 2. 两次碰撞间离子从电场获得的能量在碰撞时全部传给了气体原 子； 3. 碰撞后离子的运动取向为各向同性，即漂移速度为0。
离子的迁移率 可表示为：
e0 2Mv
M 为离子质量； 0 为离子在气体中单位气压下的自由程；
气体
He Ne Ar O2 CH4 C2H4 空气
w() 46.00.5 35.72.6 26.30.1 32.30.1 29.10.1 28.030.05
w(X, ) 41.50.4 36.20.4 26.20.2 31.80.3 27.30.3 26.30.3
I0(eV)
第一类非弹性碰撞：电子的能量高于气体原子的激发能或电
离能，在碰撞时使气体原子激发或电离。
电子在电场中的倍增：正比计数器，G-M计数管
13 / 198
二. 电子与离子在气体中的运动（载流子的移动） 分两种情况来看： 1.没有外加电场的情况 2.有外加电场的情况
1. 不存在外加电场的情况
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，会发 生以下物理过程：
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 扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离产生 位臵信息的确定有一定影响
16 / 198
(2) 电荷转移效应(Charge transfer)
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。 后面在讨论G-M管时会用到。
17 / 198
(3) 电子的吸附和负离子的形成
吸附：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
N是个精确值
N服从法诺分布！ 离子对数的方差
E0 F W
2
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不同气体的法诺因子F介于0.2～0.5之间。
电离还没有结束……
在原电离和次电离之后，电离并没有结束，还有其它的电 离过程：
光致电离：
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。
N E0 W
对不同的气体，W 大约为30eV
最低电 离电位 w() 29.9+0.5 28.68
电离能W：带电粒子在气体中产生一电子
离子对所需的平均能量。
重要特性：
对同种气体， 不同种类或能量 的带电粒子的平 均电离能基本不 变。 可以据此来测 量入射带电粒子 的能量。 10 / 198
②闪烁体探测器
第一打拿极收集到的电子
Charge Carrier （信息）载流子
② 探测器输出信号的特点，包括 对信号的估算及涨落分析 ③ 探测器的主要性能
③半导体探测器
电子－空穴对
3 / 198
④ 探测器的典型应用
气体电离探测器：
以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输 出电信号的探测器。
Recombination
＋ e—
20 / 198
＋
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（大2～3 个量级b）。 电子和离子的复合系数
§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
5 / 198
§8.1 气体中离子与电子的运动规律
一．气体的电离与激发
——载流子的产生 二．气体中离子、电子的漂移与扩散运动 ——载流子的移动 三．气体放电 ——载流子的“增多”
6 / 198
一. 气体的电离与激发（载流子的产生）
柱状重组：
同一个电离径迹上 重离子、裂变碎片发生严重
难以完全消除……
体积重组：
发生在扩散、漂移时， 不同的电离径迹
计数率高的时候严重
外加电场可以抑 制复合效应
22 / 198
2. 存在外加电场的情况
离子和电子在外加电场中的漂移
离子和电子，由于热运动和空间分布不均匀： 扩散 在外加电场下： 沿电场方向发生定向漂移。
不断发展
– 1992年，法国科学家G. Charpak(夏帕克)因发明多丝气体正比室获得 诺贝尔物理奖 – 1997年，Cern的科学家Sauli发明GEM探测器 – BNL的RHIC-STAR实验：MRPC 4 / 198
§8 气体电离探测器
√
§8.1 气体中离子与电子的运动规律
§8.2 电离室的工作机制和输出回路
离子反馈：
正离子有可能在阴极表面再次产生电子。
12 / 198
电离产生的电子在电场中运动还可以再发生电离 • 电离产生的电子（除了δ 电子）能量较低，无法 再形成电离。
• 当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得 能量。
• 随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。 • 弹性碰撞→激发→电离。
电子的吸附现象 对气体探测器产生 的是正面 or 负面 影响？
19 / 198
电子被俘获形成负离子，很容易 和正离子发生复合效应，减弱电 离的效果，因此是不利的。
气体探测器的工作气体应尽量选 择吸附系数小的气体。
(4) 复合(Recombination)
有两个过程： ① 电子与正离子 ② 负离子与正离子 它们相遇时可能复合成中性的原子或分子。
信号类型： 电信号 非电信号 •径迹 •热释光 •照相乳胶 •云室 •气泡室
什么是电离辐射探测器？
将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件， 各类探 测器研 称之为电离辐射探测器，简称探测器。
究的主 要内容
探测器是怎样形成信号的？
①辐射粒子 射入“灵 敏体积”
2 / 198
② 入射粒子与灵敏体积内 的工作介质相互作用， 损失能量并形成电离或 激发
7 / 198
被激发原子的退激方式
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 3) 亚稳态原子的退激 • 亚稳态：某些激发态不能（难以）发生直接回到基态或较低 能级的跃迁
均在10-9秒 内完成
对载流 子的贡献 如何？
① 扩散（Diffusion）
② 电荷转移效应（Charge transfer） ③ 电子吸附（Electron Attachment）
④ 复合（Recombination）
14 / 198
(1) 扩散(Diffusion) 扩散 ：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。 由气体动力学，可得到扩散方程：
X射线、中子可以直接被测量 吗？ 不行，需要首先转换为 次级电子、重带电粒子
带电粒子在介质中损失能量的 方式有哪四种？（请回顾第6章）
电离损失是带电粒子在 气体电离探测器中的主 要反应
电离损失的结果：
① 使气体原子发生激发，不形成电子、离子对，但退激 后发出光子（可能形成光致电离）。
② 使气体原子发生电离，形成电子、离子对，称之为 “原电离”。 ③ 原电离有可能产生δ射线（什么是δ射线？）， δ射线 可以再次使气体原子形成电离，称为“次电离”。
③ 探测器通过自身特有的工作 机制将入射粒子的电离或激 发效果转化为某种输出信号。
按探测介质和作用机 制，探测器可分为：
①气体电离探测器
电子－离子对
在学习各种探测器时， 应掌握四方面的内容：
① 探测器的工作机制 • 入射粒子的能量转换为输出信 号的物理过程时怎样的？ • 是谁携带了我们需要的关于射 线的信息？
j D n
电子或离子 粒子流密度
15 / 198
电子或离子 的扩散系数
电子或离子 的密度梯度
随着时间的推移，将 扩散为空间高斯分布
x , y ,or ,z 2 Dt
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
24.5 21.6 15.8
31.52
12.5 12.8 12.2
34.980.05 33.730.15
36.00.4
法诺因子
电子——离子对的数目N是怎样的分布？
如果射线交给气体的所有能量都用来 电离——最小电离电位 ① 激发：消耗的能量没有增加N ② 电离（但只一次）：消耗的能量增 加了N，但增加的“代价”超过了 最低电离能 ③ 电离（后续还有δ电离）：消耗的 能量增加了N，但增加的“代价” 超过（但更接近）了最低电离能