第三章 电离辐射探测方法

探测器的主要类型
• 电离探测器
– 气体或液体电离室，正比管，G-M探测器 – 半导体探测器
• 闪烁探测器
– 有机闪烁体 – 无Байду номын сангаас闪烁体
• 其他
– 云室、气泡室、胶片、热释光、固体径迹探测器、 IP板… – 切伦科夫辐射、穿越辐射
电离室(Ionization Chamber)
电离室核心部件是一对电极及其间充满满的绝缘气体或液体，电极分别 接外电路的正负极。无辐射时电极间无电流，当带电粒子在灵敏区通过 时电离产生电子离子对，在电极间的电场作用下电子和正离子分别向阳 极和阴极漂移，形成电流。多用于剂量测量。
电子漂移速度一般为： 10 cm
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（如卤素）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。
脉冲工作的电离室
射线
气体有： 惰性气体， N2， 空气， 混合气体等
+
-
前置放大电路 C R HV
q1 q2
a
e
i (t )

V0
b
电子(负离子)漂移所引起的正感应电荷在回路中流过的电荷量 为：
q2
同一点引入正负电荷：
q1 q1
q2 q2
q q1 q q2

a
V0
e
e
i(t )
b
q1 q2 e
当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流： i(t)= i+(t)+ i –(t)
http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/i/ionizationchamber.htm http://www.orau.org/ptp/collection/ionchamber/introionizationchamberr.htm
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。
t
I (t )
Ne u u I d


Neu I d
t
V (t )
输出电压只包含电子漂 移的贡献，工作于此状 态的电离室成为电子脉 冲电离室
当外电路的时间常数远小于离子 漂移时间但远大于电子漂移时间 时的输出电压曲线
Q C0
1 V t C0

0
t
Q t R0C0 e C0
流过外回路的总电荷量：△q+ +△q- = e
(当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在 外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：
I t i t i j t j j 1 j 1 N N
I (t ) I (t )


当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量的为：
1 D v 3
平均自由程
电子的平均自由程和热运动的平均速 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。
电子吸附
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
e-
Negative ion
常用气体的特性
气体
H2 He N2 O2 Ne Ar Kr Xe CO2 CH4
Z
2 2 24 26 20 18 36 54 22 10
Eex (eV)
10.8 19.8 8.1 7.9 16.6 11.6 10.0 8.4 5.2
Wi (eV)
37 41 35 31 36 26 24 22 33 28
第三章 射线探测
试用讲义，请勿传播
射线探测
• 探测原则 • 主要探测器类型
– 电离探测器 – 闪烁探测器 – 其他
探测原则
一个粒子若要被探测到，这个粒子必须与探测器进行某种作用 并在探测器中沉积下一定的能量。对于大多数探测器，入射粒 子在探测器的灵敏区直接或间接激发出一定量的电荷，这些电 荷被收集起来形成信号输出（也可以通过其他方式记录）。 带电粒子一般可以直接探测；高能光子通常与核外电子作用后 进行间接测量；中子一般通过核反应产生带电粒子进行间接测 量。
n n n n t t
：复合系数
—
负离子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。
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”。


当外电路的时间常数远大于离子 漂移时间时的输出电压曲线 Neu I d
V (t )
Ne C0
Q C0

t
R0C0
1 V t C0
t
I t dt
0 0
Ne t R0C0 e C0
输出电压包含了正离子漂移的贡 献，工作于此状态的电离室成为 离子脉冲电离室
T

T

入射粒子直接产生的离子对称为原电离。 初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为 次电离。
总电离 = 原电离 + 次电离
平均电离能：带电粒子在气体中产生一电子离子对所 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：
http://www.mssl.ucl.ac.uk/~mwt/propcounters/intro.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Proportional_counter
在一个大气压下，电子在气体中的自由程约 10-3～10-4cm， 气体的电离电位～ 20eV 。要使电子在一个自由程就达到电 离电位，场强须>104V/cm。

t dt I0
t
T
影响输出信号形状的因素


I (t )
0
d
x
t
V (t )
ut
t
I (t )
t
圆柱型电子脉冲电离室
2b 2a
r
C

V0
R
Ne a Q r0 Ne V0 ln b a


ln
r0
屏栅电离室（The Gridded Ion Chamber）
输出计算的例子
设入射粒子为210Po发射的α粒子，能量为5.3MeV， 并在空气电离室内消耗其全部能量。若空气的平均 电离能ω取35eV，则一个α粒子产生的离子对数 N0=5.3×106/35=1.5×105个离子对。这些离子对全 部被收集后的总电荷： Q=1.5× l05× 1.6× l0-19=2.4× 10-14C 设总电容量为20pF，则输出脉冲幅度为 △V =2.4× 10-14/2.0×10-11=1.2mV
漂移Drift（存在外电场时）
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。
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：
e 当 电荷沿电场向收集极运动，则上极板a上感应电荷q1 减少，下极板b上感应电荷 q2 增加。且 q q
1 2
这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流
i +(t)。
q1 q2
a
V0
e
i (t )

b
正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为： q1
q1 q2 e
N E0 W
法诺噪声(Fano noise)与法诺因子(Fano factor)
带点粒子在探测器中产生电子离子对的数目正比于带电粒 子的能损，但存在一定的波动，称为法诺噪声。法诺因子：
2 w F w
其中w为时间窗口（测量时间），σ2为方差，μ为测量平 均值。对于泊松过程F=1，法诺因子业可以写为：
b
在电离室内某一点引入一单位正电荷e+它将在两极板上分别
感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2
q1
q2
a
e
V0
根据高斯定律：
b
q (Q0 ) (Q0 ) e (q1 ) (q2 ) 0
q1 q2 e
x q1 e d dx q2 e d
电离电流
射线射入电离室→使气体电离 →在电极上产生感应电荷→电子离子在电场中漂移 →形成漂移电流→RC上输出波形
输出信号产生的物理过程
假设回路中没有负载电阻 RL 0
极板a上加高压V0，极板a b 间电容量为C1， 则两极板的电荷量：
Q0
Q0
Q0 Q0 C1V0 a
V0
Q N e
探测等效电路
C1
RL ：负载电阻； C1 ：探测器电容； R入 ： 测量仪器输入
电阻；
RL
C
R C
测 入电容； 量 仪 器
C入 ： 测量仪器输
总电阻 R0 RL // R
总电容
C0 C入 C ' C1
：杂散电容； 如, 电缆电容 ~100pF/m。
平行板电离室输出电流曲线
工作区与探测器
工作区 复合区 饱和区 正比区 气体探测器 无 电离室 正比计数管 无 可作能量、强度、剂量的测量，输 出较小 可作能量、强度的测量，输出较大 无 作用及性能
有限正比区 无
G-M区
G-M计数器
只作强度测量（计数测量），输出 幅度大
略
连续放电区 闪烁室、 火光室
通常正比计数管采用细丝作为 阳极，可以在阳极周围产生一 个较大的电场满足雪崩放大的 要求
2 O F 2 P
其中O为实验观察量，P为泊松过程估计量
作业: 估算能量极限分辨率
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Diffusion 电子吸附Electron Attachment 复合Recombination
I
u 为电子或粒子的漂移速度；
Neu I

u


d 为平行板电极间距； t1 为开始有电子到达a极板的时间；
T– 为电子全部到达a极板的时间；
d
t2 为开始有正离子到达b极板的时间； T+ 为正离子全部到达 b极板的时间。
Neu I d
t1
~ s
T

t2
~ ms
T
t
I (t )
Ne u u I d
E r V0 r ln b
a
例：当V0＝1000V，a ＝25m，b＝1cm时， 在r＝0.02cm处，电场 强度相当于临界场强 ET。
正比计数器的能量分辨率 输出脉冲幅度：
每次碰撞中被电子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 103
4
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。
复合引起的离子对数目的损失率：
Recombination e＋ ＋
输出信号计算
• 如果入射粒子的能量为E，并且全部损失在 电离室内，气体的平均电离能为ω • 一般气体为20—40eV，空气为33eV， • 则产生的平均离子对数为： N0=E /ω Q0=eN0=eE /ω • 则电容上产生的总电荷数为： • 则电容上产生的电压为： V0=Q0/C=eE /(Cω)
正比计数管
http://felix.physics.sunysb.edu/~allen/252/PHY251_Geiger.html
• I区——复合区：电离出的离子与电子在漂移中由于碰撞而 复合，成为中性原子，此复合几率随外加的电压（偏压） 的增加而减小。 • II区——饱和区：原电离出的离子和电子全部被吸收，无 复合效应。 • III.1区——正比区：由于电场强度大到足以使加速电子撞 击原子产生新的电离，离子对数将倍增（10—104倍），这 种现象叫气体放大。在固定外加电压下，气体放大系数M 恒定。 • III.2区——有限正比区：在固定外加电压下，气体放大系 数M不能恒定与初电离失去正比关系。 • IV区——G—M区：外加电压较高，离子对增加比D区更为 猛烈，高达108电离电流猛增，产生持续放电现象，要终 止放电应加淬熄气体（卤素和有机物），此区电离电流大 小不再与入射粒子的能量有关。 • V区——连续放电区