辐射探测与防护 第2讲

第二章气体探测器

电离室

正比计数器

盖革-弥勒计数器

2-1 气体中电子和离子的运动规律

一.气体的电离

入射带电粒子通过气体时,会使气体分子电离或激发, 从而在粒子通过的径迹上生成大量的离子对(电子和正离子)。

带电粒子在气体中产生一对离子对所需的平均能量ω称为电离能

几种气体电离能ω(eV)和最低电离电位I0(eV)

二.电子和离子在气体中的运动(外加电场下)

气体分子被电离后, 生成的电离电子和正离子存在下列几种运动情况:

1.由于外加电场的加速作用,电子与正离子将被电场拉开而沿电

场方向漂移;

2.电子和离子因空间分布不均匀而由密度大处向密度小处扩散;

3.电子被中性气体分子俘获, 形成负离子;

4.正负粒子复合, 形成中性分子。

电子和离子的漂移

1.2 电子的漂移

电子的漂移速度与约化场强E/P不成正比关系。下图给出了电子在几种气体中的漂移速度。

与离子的漂移相比，电子的漂移有两点重要差别①电子漂移速度约106cm/s ，比离子大103倍。

这是因为电子的质量比离子小约103倍，而其平均自由程比离子大数倍，因而在平均自由程内电子将获得较大的动能，从而有更大的漂移速度。

②电子的漂移速度对组成气体的成分非常灵敏。在单原子分子气体中（如Ar ，Xe ，Kr 等）加入少量的多原子分子气体（如CO 2，CH 4，N 2等）时，电子的漂移速度甚至可增大一个数量级。这是因为多原子分子气体的激发电位很低，因而在单原子分子气体中加入少量后，电子做杂乱运动的程度降低，从而漂移速度相应增大

2.电子和离子的扩散

粒子的扩散与气体的性质、压强和粒子杂乱运动的速度有关。由于电子的杂乱速度很大，所以扩散要比离子快得多。✦在单原子分子气体中加入少量的多原子分子气体，可以减小电子扩散的影响。

3.负离子的形成

☐电子在一次碰撞中被中性分子捕获的几率与气体的性质有关。有些气体捕获的几率特别大，如O 2、水蒸气和卤族气体，称为负电性气体；而惰性气体和N 2、CH 4、H 2等捕获几率却很小。

☐形成负离子的结果使漂移速度大大地减慢，从而增加了复合损失，这将对气体探测器的性能产生不利影响，因此应尽量避免。

为减少负离子的形成，一种办法可通过纯化工作气体的方式实现；另一种办法是在单原子分子气体中加入少量的捕获电子几率小的多原子分子气体，减少粒子的扩散来实现。

4. 正负粒子的复合

电子与正离子的复合称为电子复合

负离子与正离子的复合称为离子复合

†电子或离子的复合率与气体的性质、压强及粒子杂乱运动的速度有关, 还与正负粒子的相对速度有关。

‡由于正、负离子碰撞时的相对速度比电子和正离子碰撞时的相对速度小得多，因此离子复合率比电子复合率大几个量级。

一. 电离室工作原理

电离室的基本工作原理在于完全地收集由带电粒子所引起的全部离子。平行板电离室结构示意图

1.只有当正离子在漂移过程中,外回路

才有电流讯号I +(t)存在。一旦正离子到

达负极板，电流讯号立即为零；

2.正离子从其初始位置漂移到负极板上

的整个过程，在外回路流过的电荷总

量等于正离子初始时在正极板上的感

应电荷q 1，而不是正离子的电荷e 。正

离子初始位置不同，q 1也就不相同。

关于正离子漂移：

2-2 电离室

☐与正离子在电场中的漂移类似，关于电子在电场作用下的漂移，会产生一个电流讯号I-(t),其流动方向与I+(t)方向相同。一旦电子到达正极，I-(t)立即等于零。

☐带电粒子穿过电离室时产生的都是离子对，即正离子和电子永远都在同一位置同一时刻产生，所以它们在两个电极上感应电荷的总和为零，对外回路不产生任何影响。只有在电场作用下，它们做背向漂移运动时，外回路中就有电流讯号出现，显然I(t)= I-(t)+ I+(t)。当正离子和电子全部到达极板时，电流I(t)立即为零。一对正负离子对从其初始位置漂移到被上下两个极板收集的整个过程中，在外回路流过的电荷总量等于电荷e，与这对离子对产生的位置无关。

☐如果带电粒子在电离室内产生N0对离子，它们都将在电场作用下漂移，

这时它们产生的总电流信号为I(t)= ∑I

i -(t)+ ∑I

i

+(t)（∑为对i=0到N

求和）。

显然，在这N

0对离子对被收集过程中，外回路流过的电量为N

e。

☐实验上可以测量出I(t)，或测量电流I(t)流过负载电阻时形成的电压信号，即可记录入射粒子。

二. 电离室的构造

电离室的结构简图

❒电离室电极形状大多是平行板和圆拄形的,与记录仪器相

连的一个电极叫收集电极，它通过负载电阻接地。另一个电

极则加上数百至数千伏电压，叫高压电压。电极间用绝缘体

隔开,并密闭于充一定气体的容器内。

❒在收集电极和高压电极之间还有一个保护环，其电位和收

集电极相同。保护环与两电极间也是由绝缘体隔开。保护环

的作用是使从高压电极到地的漏电流不通过收集电极，并使

收集电极边缘的电场不被畸变而保持均匀。

❒电离室的大小和形状，室壁和电极的材料及所充的气体成分、压强都要根据辐射的性质、实验的要求来确定

三.电离室的类型

1. 脉冲电离室

通过记录单个入射粒子与气体作用产生的电离电荷在收集电极上所引起的电压脉冲来实现的.

由于电子漂移引起的脉冲变化率远大于正离子所引起的,所以电子脉冲构成电压脉冲的快成分,而离子脉冲构成电压脉冲的慢成分.但它最后达到的幅度只决定于总电离,而与电离产生的地点无关.