盖革一米勒计数管的特性及放射性衰变的统计规律

云南大学物理实验教学中心

实验报告

课程名称：近代物理实验

实验项目：盖革一米勒计数管的特性及放射性衰变的统计规律

学生姓名：朱江醒学号： 20051050148 物理科学技术学院物理系2005级数理基础科学专业

指导教师：葛茂茂

实验时间： 2007年 11 月 25 日 8 时 30 分至12时 30 分

实验地点：四合院

实验类型：教学(演示□验证□综合□设计□) 学生科研□课外开放□测试□其它□

一．实验目的:

（1）了解盖革—米勒计数管的工作原理及特点； （2）学会如何测量其特性参数及确定管子的工作电压；

（3）掌握测量物质吸收系数的方法，并验证核衰变的统计规律。

二．实验原理

l 、G-M 管的结构和工作原理。 G-M 管的结构类型很多，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。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，故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。在雪崩过程中,由于受激原子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依次雪崩。

计数管可看成是一个电容,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。

2、G-M 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1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0V 表示。坪长即坪区的长度，图中为21V V 和之差。坪斜即坪区的坡度，通常用坪区内电压每增加l00V 时计数率增长的百分比表示：

4

211221101

2n n T n n V V -=⨯+-（）（V ） [单位:%/(l00V)], (1)

式中T 表示坪斜，1n ，2n 分别对应于1V 和2V 时的计数率。

坪曲线是衡量G-M 管性能的重要指标，在使用前必须进行测量，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0V 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0V ,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1V 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,是计数率急剧增加，即进入连续放电区，这时管内的猝灭气体会被大量耗损，使管子寿命缩短。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D t 。从这之后到正离子到达阴极的时间称为恢复时间R t 。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αV 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，D R D t t t >>+τ 。三个时间的关系如图 2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 为计数系统实测的平均计数率，在分辨时间不变时，单位时间内的总分辨时间为τm ，在τm 时间内进入计数器的粒子数为τnm ，因此，计数率的损失为τnm m n n =-=∆ 所以, τ

m m n -=

1 (2)

测分辨时间可用示波器测量也可用双源法测量。双源法是利用两个独立源I 和II ，在完全相同的条件下，分别测量各个源的计数率21,m m ,及源 I 、 II 同时存在的计数率12m 。若忽略本底，则由式（2）得其真计数率分别为 τ

1111m m n -=

, τ

2221m m n -= , τ

1212121m m n -=

。

由于实验条件完全相同，则2112n n n +=，即