核辐射物理基础

N E0 W
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. 正负离子复合, 形成中性分子。
C. 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。
4 h 10 3 例如O2、H2O，的 h 10 ，卤素达
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。
D. 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— ＋
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。
复合的结果是把许多有用信号给复合 掉，使有用的信号减少。因此，复合现象 在探测器正常工作中应尽量避免。
这是因为多原子气体分子的激发电位很低，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。
B. 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：
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。
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(如图)。 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。
下图给出了电子在几种气体中的漂移速度。
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：
8.2 电离室的工作机制与输出回路
电离室的工作方式可分为：
1) 脉冲型工作状态 记录单个入射粒子的电离效应，处于 这种工作状态的电离室称为：脉冲电离 室 2) 电流型或累计型工作状态 记录大量入射粒子平均电离效应或总 电离效应，处于这种工作状态的电离室 称为：电流电离室或累计电离室。
1、电离室的基本结构
辐射探测的基本过程：
辐射粒子射入探测器的灵敏体积； 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积 能量； 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的 输出信号。
辐射探测器学习要点（研究问题）：
探测器的工作机制； 探测器的输出回路与输出信号；
探测器的主要性能指ห้องสมุดไป่ตู้；
探测器的典型应用。
A、离子和电子在外加电场中的漂移
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： 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： 1 Mv2 3 kT
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
A. Number of Ion Pairs Formed
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。
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：
不同类型的电离室在结构上基本相同. 典型结构有平板型和圆柱型。 均包括：
高压极(K)：正高压或负高压； 收集极(C)：与测量仪器相联的电极， 处于与地接近的电位； 保护极(G)：又称保护环，处于与收集 极相同的电位； 负载电阻 (RL) ：电流流过时形成电压 信号。
cm 10 (1)电子漂移速度一般为：
6
s
s
离子漂移速度一般为： 10 3 cm
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。
气体探测器
Gas－filled Detector
第八章
气体探测器：以气体为工作介质，由入 射粒子在其中产生电离效应引起输出电 信号的探测器。 电离室
正比计数器 盖革-弥勒计数器
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
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。
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
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