G-M特性及核衰变统计规律

G-M特性及核衰变统计规律

实验目的

1.了解G-M计数器的工作原理，有关特性及使用方法。

2.以G-M计数器为探测设备，验证核衰变的统计规律。

3.了解统计误差的意义，掌握计算统计误差的方法。

实验内容

1.在一定甄别阈值下，测量G-M计数管的坪曲线，确定坪曲线

的各个参量，并确定其工作电压。

2.用示波器测定计数装置的分辨时间。

3.观察G-M计数管的工作电压与输出脉冲幅度的关系。

4.在相同条件下，对某放射源进行重复测量，画出放射性计数

的频率直方图，并与理论正态分布曲线作比较。

5.在相同条件下，对本底进行重复测量，画出本底计数的频率

分布图，并与理论泊松分布作比较。

实验原理

1G-M计数管

1.1G-M管的结构和工作原理

G-M计数管是一种气体探测器，结构类型很多，最常见的有圆柱形和钟罩形两种，它们都是由同轴圆柱形电极构成。

图1是其结构示意图，中心的金属丝为阳极，管内壁圆筒状的金属套（或一层金属粉末）为阴极，管内充有一定量的混合气体（通常为惰性气体及少量的猝灭气体），钟罩形的入射窗在管底部，一般用

薄的云母片做成；圆柱形的入射窗就是玻璃管壁。测量时，根据射线的性质和测量环境来确定选择哪种

类型的管子。对于α和β等穿透力

弱的射线，用薄窗的管子来探测；

对于穿透力较强的γ射线，一般可

用圆柱型计数管。

G-M 管工作时，阳极上的直流

高压由高压电源供给，于是在计数

管内形成一个柱状对称电场。带电粒子进入计数管，与管内气体分子发生碰撞，使气体分子电离即初电离（γ粒子不能直接使气体分子电离，但它在阴极上打出的光电子可使气体分子发生电离）。初电离产生的电子在电场的加速下向阳极运动，同时获得能量，当能量增加到一定值时，又可使气体分子电离产生新的离子对，这些新离子对中的电子又在电场中被加速再次发生电离碰撞而产生更多的离子对。由于阳极附近很小区域内电场最强，则此区间内发生电离碰撞几率最大，从而倍增出大量的电子和正离子，这个现象称为雪崩。雪崩产生的大量电子很快被阳极收集，而正离子由于质量大、运动速度慢，便在阳极周围形成一层“正离子鞘”，阳极附近的电场随着正离子鞘的形成而逐渐减弱，使雪崩放电停止。此后，正离子鞘在电场作用下慢慢移向阴极，由于途中电场越来越弱，只能与低电离电位的猝灭气体交换电荷，之后被中和，使正离子在阴极上打不出电子，从而避免了再次雪崩。而且在雪崩过程中，由受激原子图 1 G-M 计数管

图1 G-M 计数管

的退激和正负离子的复合而发射的紫外光光子也被多原子的猝灭气

体所吸收。这样，一个粒子入射就只能引起一次雪崩。

计数管可看成是一个电容器，雪崩放电前加有高压因而在两极上有一定量的电荷存在，放电后电子中和了阳极上一部分电荷，使阳极电位降低，随着正离子向阴极运动，高压电源便通过电阻R向计数管充电，使阳极电位恢复，在阳极上就得到一个负的电压脉冲。因此，一次雪崩放电就得到一个脉冲，即一个入射粒子入射只形成一个脉冲，脉冲幅度的大小由高压电源电压和电阻R决定，与入射粒子的能量和带电量无关。

1.2G-M计数管的特性

（1）坪曲线

在强度不变的放射源照射

下，G-M管的计数率n随外加电

压变化的曲线如图2所示，由于

该曲线存在一段随外加电压变

化而变化较小的区间即坪区，因

此把它叫做坪曲线。

坪曲线的主要参数有起始电压、坪长和坪斜．起始电压即计数管开始放电时的外加电压，图中用V0表示。坪长即坪区的长度，图中V2与V1之差．坪斜即坪区的坡度，通常用坪区内电压每增加100V时计数率增长的百分比表示。

坪斜=

n2−n1

1

2

(n2+n1)（V2−V1）

（单位，%/百伏）

图2 G-M计数管的坪曲线

坪曲线是衡量G-M管性能的重要指标，在使用前必须测量以鉴别计数管的质量并确定工作电压。一般，工作电压选在离坪区起始点1/3～1/2坪长处。

坪曲线的形状可作如下解释：外加电压低于V0时，加速电场太弱不足以引起雪崩放电，不能形成脉冲，因此计数管没有计数；电压高于V0，加速电场可使入射的部分粒子产生雪崩，此时虽有计数但计数率较小；随着电压升高，计数率迅速增大；电压超过V1后，计数率随电压变化很小，这是因为此时无论入射粒子在管内何处发生初电离，加速电场均可使其产生雪崩放电，外加电压的升高只是使脉冲幅度增大而不影响脉冲的个数，所以计数率几乎不变，但因猝灭不完全和负离子的形成造成的乱真放电会随电压的升高而增多，因而产生坪斜。当电压继续升高使猝灭气体失去猝灭作用时，一个粒子入射可引起多次雪崩，使计数率急剧增加，即进入连续放电区。这时管内的猝灭气体会被大量耗损，管子寿命缩短。使用时应尽量避免出现此种情况，当发现计数率明显增大时，应立即降低高压。

（2）死时间、恢复时间和分辨时间

如前所述，入射粒子进入G-M管引起雪崩放电后在阳极周围形成的正离子鞘削弱了阳极附近的电场，这时再有粒子进入也不能引起放电，即没有脉冲输出，直到正离子鞘移出强场区，场强恢复到刚刚可以重新引起放电的这段时间称为死时间t D。从这之后到正离子到达阴极的时间称为恢复时间t R。在恢复时间内，粒子进入计数管所产生的脉冲幅度低于正常值。

实际上更有意义的是系统的分辨时间τ，因为任何电子线路总有一定的触发阈，脉冲幅度必须超过触发阈V d时才能触动记录电路。因此，从第一个脉冲开始到第二个脉冲的幅度恢复到触发阈值的这段时间内，进入计数管的粒子均无法记录下来，这段时间称为系统的分辨时间。显然，t D+t R>τ>t D，三个时间的关系如图3所示。

为了真实地测量入射粒子的强度，分辨时间越小越好，然而无论如何，分辨时间总是存在的．若相继进入计数管的两个粒子的时间间隔小于分辨时间，第二个粒子就会漏记，实测计数率将低于实际计数率，为此，需对测量结果作漏计数校正．设n为单位时间内进入G-M 管的平均粒子数（真计数率），m为单位时间内计数系统实测的平均粒子数，在分辨时间不变时，单位时间内的总分辨时间为mτ，在mτ时间内进入计数器的粒子数为nmτ．因此，计数率的损失为

∆n=n−m=nmτ

则实际计数应为

n=

m 1−mτ

可见只要知道了计数装置的分辨时间τ就可以对漏计数进行校正。

图3 G-M管的输出波形