【清华大学工物系课件】电离辐射探测_工程硕士课程(4)-气体电离探测器
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13/189
(2) 电荷转移效应(Charge transfer)
电荷转移效应：正离子与中性的气体分子碰撞
时，正离子与分子中的一个电子结合成中性 分子，中性气体分子成为正离子。
电荷转移效应在混合气体中比较明显。 后面在讨论G-M管时会用到。
Hale Waihona Puke 14/189(3) 电子的吸附和负离子的形成
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
eNegative ion
15/189
在与气体分子发生的每次碰撞中，电子都有可能被 俘获，这个概率称为该气体的吸附系数 h。 h大(h >10-5)的气体称为负电性气体。
负电性气体：
例如O2、H2O的h≈10-4，卤素达h≈10-3
N E0 W
最低电 离电位
w ( ) 29.9+0.5 28.68
平均电离能W：带电粒子在
气体中产生一个“电子－ 离子对”所需的平均能量。
能量为E0的射线进 入探测器灵敏体积
I0(eV)
24.5 21.6 15.8 12.5 12.8 12.2
损失能量，通过 电离产生“电子 －离子对”
N E0
①辐射粒子 射入“灵 敏体积” ② 入射粒子与灵敏体积内 的工作介质相互作用， 损失能量并形成电离或 激发
各类探 测器研 究的主 要内容
③ 探测器通过自身特有的工作 机制将入射粒子的电离或激 发效果转化为某种输出信号。
3/189
在学习各种探测器时，应掌握四方面的内容：
① 探测器的工作机制 • 入射粒子的能量转换为输出信号的物理过程是怎 样的？ • 谁、如何携带了我们需要的关于射线的信息？
8/189
一. 气体的电离与激发——载流子的产生
关于“电子－离子对”，请大家思考两个问题：
1. 它们如何形成？
“电子－离子对”是怎样 形成的？
2. 如何携带信息－何以胜任“主角”？
为什么“电子－离子对”可以作为“信使”， 在射线和我们（观察者）之间架起认知的 “桥梁”？
带电粒子
射 线
快电子、重离 子、裂变碎片 等荷电粒子
•
•
随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。
弹性碰撞→激发→电离。
E
e
发生雪崩的阈值电场：ET ~106V/m。
24/189
能“触发”雪崩的其它因素
要实现雪崩效应，需 要具备哪些条件？ 光子的作用：
•雪崩形成大量的电离和大量的激发，~106s ; •伴随着雪崩过程，退激产生大量的光子。 •光子与气体和器壁作用，打出光电子，~107s； •光电子又可以引起新的雪崩。
仍在使用
剂量仪中的G-M计数器 测量中子的BF3、3He正比计数 器 集装箱检测系统的气体电离室 探测器
不断发展
•1992年，法国科学家G. Charpak因发明多丝气体正比室获得诺贝尔物理奖 •1997年，Cern的科学家Sauli发明GEM探测器 •BNL的RHIC-STAR实验：MRPC
定向运动的速度为“漂移速度”
19/189
对于离子：
离子漂移速度
E u P
离子的迁移率
电场强度
气体压强
约化场强
离子的迁移率近似为常数。
20/189
对于自由电子：
电子与气体原子发生弹性碰撞时，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
需要探测器
我们感兴趣的是：射线→电信号的探测器：
那么，我们是如何感知射线的存 在，并知道射线的种类、能量、 强度、时间等信息呢？
2/189
气体电离室
闪烁探测器 半导体探测器 ……
什么是电离辐射探测器？
将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件， 称之为电离辐射探测器，简称探测器。
探测器是怎样形成信号的？
x , y ,or ,z 2 Dt
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
扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离产生 位臵信息的确定有一定影响
6/189
√
§4.1 气体中离子与电子的运动规律
§4.2 电离室的工作机制和输出回路
§4.3 脉冲电离室 §4.4 累计电离室 §4.5 正比计数器 §4.6 G-M计数管
7/189
§4.1 气体中离子与电子的运动规律
一． 气体的电离与激发 ——载流子的产生 二． 气体中离子、电子的漂移与扩散运动 ——载流子的移动 三． 气体放电 ——载流子的“增多”
不带电粒子 γ，中子
在 探 测 器 的 介 质 中
核阻止 核外电子弹性 碰撞 轫致辐射
仅在低能 时考虑
对载流子无贡献
电离与激发
通过某些反应变成带电粒子： γ：光电效应、康普顿散射、电子对效应
9/189
形成载流子
中子：俘获、反冲、裂变……
气体中的平均电离能
若 能 量 为 E0 的 入 射 粒 子 将能量全部损失在气体 介质中时，产生的平均 电子－离子对数为：
③ 半导体探测器
电子－空穴对
5/189
气体电离探测器：
以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输 出电信号的探测器。 按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比计数器、 G-M计数器以及SQS计数器等。
历史悠久
是最早被使用的射线探测器 居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时， 用到了电离室 Chadwick 发现中子时，用G-M计数器 来测量质子
② 探测器输出信号的特点，包括对信号的估算及 涨落分析
③ 探测器的主要性能 ④ 探测器的典型应用
4/189
“主角”——载流子：各种探测器关注的核心问题
按探测介质和作用机制，探测器可分为三类： ① 气体电离探测器
电子－离子对
今天，我们来讨 论气体探测器
② 闪烁体探测器
第一打拿极收集到的光电子
Charge Carrier （信息）载流子
II 饱 和 区
III 正比区
N N0 M
IV 有限 正比区
V G-M工作区
VI 连续放电区
N N 0
E1
E2
E3
28/189
§4.1 气体中离子与电子的运动规律
√
§4.2 电离室的工作机制和输出回路
§4.3 脉冲电离室 §4.4 累计电离室 §4.5 正比计数器 §4.6 G-M计数管
气体
He Ne Ar O2 CH4 C2H4 空气 w() 46.00.5 35.72.6 26.30.1 32.30.1 29.10.1 28.030.05 34.980.05 w(X, ) 41.50.4 36.20.4 26.20.2 31.80.3 27.30.3 26.30.3 33.730.15 36.00.4 31.52
(4) 复合(Recombination)
有两个过程： ① 电子与正离子 ② 负离子与正离子 它们相遇时可能复合成中性的原子或分子。
Recombination
＋ e—
17/189
＋
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（大2～3个量级）。
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 2 3 meve kT 2 2
称为电子温度，是场强的函数。
21/189
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
30%
Ar CH 4 66ppm 30%
20%
ue(cm/s)
问题2： 信息携 带者
W大约都为～30eV
平均电离能W 基本为常数
重要 特性
10/189
① 对同种气体， 不同种类或能量的带电 粒子的平均电离能基本不变。 ② 可以据此来测量入射带电粒子的能量。
电子－离子对的 数目N（服从法 诺分布）
二. 电子与离子在气体中的运动——载流子的移动 分两种情况来看： 1. 没有外加电场的情况 2. 有外加电场的情况
辐射探测学
第四章 气体电离探测器
为什么要讨论探测器？
射线是普遍存在、应用广泛的；
类型不同：α，β，γ，中子 来源不同：
•人工射线 •反应堆 •加速器 •同位素源 •天然射线 •40K：1.46MeV •208Tl：2.61MeV • 能量不同： •137Cs：0.662MeV •60Co：1.17MeV,1.33MeV
非负电性气体：
h小(h <10-6)的气体：惰性气体、H2、N2、CH4、多原子分子气体。
电子的吸附现象 对气体探测器产生 的是正面 or 负面 影响？
16/189
电子被俘获形成负离子，很容易 和正离子发生复合效应，减弱电 离的效果，因此是不利的。
气体探测器的工作气体应尽量选 择吸附系数小的气体。
复合的结果是把许多有用信号给复合掉（载流子减少） 使有用的信号减少（幅度降低、统计性变差） 因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免
2. 存在外加电场的情况
离子和电子在外加电场中的漂移
离子和电子，由于热运动和空间分布不均匀： 扩散 在外加电场下： 沿电场方向发生定向漂移
这种运动称为“漂移运动”
11/189
(1) 扩散(Diffusion)
扩散：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 粒子流密度
12/189
电子或离子 的扩散系数
电子或离子 的密度梯度
随着时间的推移，将 扩散为空间高斯分布
在单原子分子气体中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。
23/189
三. 气体放电——载流子“增多”
雪崩(avalanche)
• •
电子在气体中的碰撞电离过程。
电离产生的电子（除了δ 电子）能量较低，无法再形成电 离。 当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得能量。
电子和离子的复合系数
气体 H2 He N2 电子复合系数e(cm3/s) 5.91011 1.7108 1.4106 离子复合系数i(cm3/s) 1.5106
O2 Ar CO2 空气
2.7107 8.8107
1.6106 1.6106 1.5106
18/189
这个函数关系均 由实验测定，一 般给出的是实验 曲线。
10%
5.3% 2.1% 66ppm 纯Ar
22/189
E V cm P mmHg
重要特点：电子与离子漂移的区别
(1)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敏感
29/189
§4.2 电离室的工作机制与输出回路
一． 电离室的基本结构 二． 工作气体 三． 输出信号产生的物理过程 四． 电离室的输出回路
30/189
一. 电离室的基本结构
•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：
1. 高压极(K)：正高压或负高压； 2. 收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地 接近的电位； 3. 保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的 电位；
小结：气体中离子与电子的运动
重带电粒子 1. 没有外 加电场 扩散 电子 复合 离子 复合 吸附
N
统计性
N0 E / w
法诺分布
2. 有外加 电场
电场强度 增大
统计性？
N
统计性
光致电离
or
E
N
统计性
雪崩
27/189
E
？
N
二次电子发射
如果电压继续提高，电场强 度再增大，会怎样……？
I 复 合 区
1. 足够强的 电场
2. 自由电子
二次电子发射： 电离产生的电子
•雪崩区产生的正离子经过~103s到达器壁， •并可能在器壁上打出二次电子。 •二次电子又可以引起新的雪崩。
25/189
气体放大
非自持放电： 雪崩从产生到结束，只发生一次。 自持放电： 通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。
26/189
1. 不存在外加电场的情况
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，会发 生以下物理过程： ① 扩散（Diffusion） ② 电荷转移效应（Charge transfer） ③ 电子吸附（Electron Attachment） ④ 复合（Recombination）
(2) 电荷转移效应(Charge transfer)
电荷转移效应：正离子与中性的气体分子碰撞
时，正离子与分子中的一个电子结合成中性 分子，中性气体分子成为正离子。
电荷转移效应在混合气体中比较明显。 后面在讨论G-M管时会用到。
Hale Waihona Puke 14/189(3) 电子的吸附和负离子的形成
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
eNegative ion
15/189
在与气体分子发生的每次碰撞中，电子都有可能被 俘获，这个概率称为该气体的吸附系数 h。 h大(h >10-5)的气体称为负电性气体。
负电性气体：
例如O2、H2O的h≈10-4，卤素达h≈10-3
N E0 W
最低电 离电位
w ( ) 29.9+0.5 28.68
平均电离能W：带电粒子在
气体中产生一个“电子－ 离子对”所需的平均能量。
能量为E0的射线进 入探测器灵敏体积
I0(eV)
24.5 21.6 15.8 12.5 12.8 12.2
损失能量，通过 电离产生“电子 －离子对”
N E0
①辐射粒子 射入“灵 敏体积” ② 入射粒子与灵敏体积内 的工作介质相互作用， 损失能量并形成电离或 激发
各类探 测器研 究的主 要内容
③ 探测器通过自身特有的工作 机制将入射粒子的电离或激 发效果转化为某种输出信号。
3/189
在学习各种探测器时，应掌握四方面的内容：
① 探测器的工作机制 • 入射粒子的能量转换为输出信号的物理过程是怎 样的？ • 谁、如何携带了我们需要的关于射线的信息？
8/189
一. 气体的电离与激发——载流子的产生
关于“电子－离子对”，请大家思考两个问题：
1. 它们如何形成？
“电子－离子对”是怎样 形成的？
2. 如何携带信息－何以胜任“主角”？
为什么“电子－离子对”可以作为“信使”， 在射线和我们（观察者）之间架起认知的 “桥梁”？
带电粒子
射 线
快电子、重离 子、裂变碎片 等荷电粒子
•
•
随着电场强度的增加，电子获得的能量也在增加。
弹性碰撞→激发→电离。
E
e
发生雪崩的阈值电场：ET ~106V/m。
24/189
能“触发”雪崩的其它因素
要实现雪崩效应，需 要具备哪些条件？ 光子的作用：
•雪崩形成大量的电离和大量的激发，~106s ; •伴随着雪崩过程，退激产生大量的光子。 •光子与气体和器壁作用，打出光电子，~107s； •光电子又可以引起新的雪崩。
仍在使用
剂量仪中的G-M计数器 测量中子的BF3、3He正比计数 器 集装箱检测系统的气体电离室 探测器
不断发展
•1992年，法国科学家G. Charpak因发明多丝气体正比室获得诺贝尔物理奖 •1997年，Cern的科学家Sauli发明GEM探测器 •BNL的RHIC-STAR实验：MRPC
定向运动的速度为“漂移速度”
19/189
对于离子：
离子漂移速度
E u P
离子的迁移率
电场强度
气体压强
约化场强
离子的迁移率近似为常数。
20/189
对于自由电子：
电子与气体原子发生弹性碰撞时，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
需要探测器
我们感兴趣的是：射线→电信号的探测器：
那么，我们是如何感知射线的存 在，并知道射线的种类、能量、 强度、时间等信息呢？
2/189
气体电离室
闪烁探测器 半导体探测器 ……
什么是电离辐射探测器？
将被测的射线转换为可观测信号的特殊器件， 称之为电离辐射探测器，简称探测器。
探测器是怎样形成信号的？
x , y ,or ,z 2 Dt
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
扩散效应对电子的收集影响不大，但对电离产生 位臵信息的确定有一定影响
6/189
√
§4.1 气体中离子与电子的运动规律
§4.2 电离室的工作机制和输出回路
§4.3 脉冲电离室 §4.4 累计电离室 §4.5 正比计数器 §4.6 G-M计数管
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§4.1 气体中离子与电子的运动规律
一． 气体的电离与激发 ——载流子的产生 二． 气体中离子、电子的漂移与扩散运动 ——载流子的移动 三． 气体放电 ——载流子的“增多”
不带电粒子 γ，中子
在 探 测 器 的 介 质 中
核阻止 核外电子弹性 碰撞 轫致辐射
仅在低能 时考虑
对载流子无贡献
电离与激发
通过某些反应变成带电粒子： γ：光电效应、康普顿散射、电子对效应
9/189
形成载流子
中子：俘获、反冲、裂变……
气体中的平均电离能
若 能 量 为 E0 的 入 射 粒 子 将能量全部损失在气体 介质中时，产生的平均 电子－离子对数为：
③ 半导体探测器
电子－空穴对
5/189
气体电离探测器：
以气体为工作介质，由入射粒子在其中产生的电离效应引起输 出电信号的探测器。 按照产生信号的工作机制，可分为：电离室、正比计数器、 G-M计数器以及SQS计数器等。
历史悠久
是最早被使用的射线探测器 居里夫妇发现放射性同位素钋和镭时， 用到了电离室 Chadwick 发现中子时，用G-M计数器 来测量质子
② 探测器输出信号的特点，包括对信号的估算及 涨落分析
③ 探测器的主要性能 ④ 探测器的典型应用
4/189
“主角”——载流子：各种探测器关注的核心问题
按探测介质和作用机制，探测器可分为三类： ① 气体电离探测器
电子－离子对
今天，我们来讨 论气体探测器
② 闪烁体探测器
第一打拿极收集到的光电子
Charge Carrier （信息）载流子
II 饱 和 区
III 正比区
N N0 M
IV 有限 正比区
V G-M工作区
VI 连续放电区
N N 0
E1
E2
E3
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§4.1 气体中离子与电子的运动规律
√
§4.2 电离室的工作机制和输出回路
§4.3 脉冲电离室 §4.4 累计电离室 §4.5 正比计数器 §4.6 G-M计数管
气体
He Ne Ar O2 CH4 C2H4 空气 w() 46.00.5 35.72.6 26.30.1 32.30.1 29.10.1 28.030.05 34.980.05 w(X, ) 41.50.4 36.20.4 26.20.2 31.80.3 27.30.3 26.30.3 33.730.15 36.00.4 31.52
(4) 复合(Recombination)
有两个过程： ① 电子与正离子 ② 负离子与正离子 它们相遇时可能复合成中性的原子或分子。
Recombination
＋ e—
17/189
＋
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（大2～3个量级）。
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 2 3 meve kT 2 2
称为电子温度，是场强的函数。
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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
30%
Ar CH 4 66ppm 30%
20%
ue(cm/s)
问题2： 信息携 带者
W大约都为～30eV
平均电离能W 基本为常数
重要 特性
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① 对同种气体， 不同种类或能量的带电 粒子的平均电离能基本不变。 ② 可以据此来测量入射带电粒子的能量。
电子－离子对的 数目N（服从法 诺分布）
二. 电子与离子在气体中的运动——载流子的移动 分两种情况来看： 1. 没有外加电场的情况 2. 有外加电场的情况
辐射探测学
第四章 气体电离探测器
为什么要讨论探测器？
射线是普遍存在、应用广泛的；
类型不同：α，β，γ，中子 来源不同：
•人工射线 •反应堆 •加速器 •同位素源 •天然射线 •40K：1.46MeV •208Tl：2.61MeV • 能量不同： •137Cs：0.662MeV •60Co：1.17MeV,1.33MeV
非负电性气体：
h小(h <10-6)的气体：惰性气体、H2、N2、CH4、多原子分子气体。
电子的吸附现象 对气体探测器产生 的是正面 or 负面 影响？
16/189
电子被俘获形成负离子，很容易 和正离子发生复合效应，减弱电 离的效果，因此是不利的。
气体探测器的工作气体应尽量选 择吸附系数小的气体。
复合的结果是把许多有用信号给复合掉（载流子减少） 使有用的信号减少（幅度降低、统计性变差） 因此，复合现象在探测器正常工作中应尽量避免
2. 存在外加电场的情况
离子和电子在外加电场中的漂移
离子和电子，由于热运动和空间分布不均匀： 扩散 在外加电场下： 沿电场方向发生定向漂移
这种运动称为“漂移运动”
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(1) 扩散(Diffusion)
扩散：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 粒子流密度
12/189
电子或离子 的扩散系数
电子或离子 的密度梯度
随着时间的推移，将 扩散为空间高斯分布
在单原子分子气体中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。
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三. 气体放电——载流子“增多”
雪崩(avalanche)
• •
电子在气体中的碰撞电离过程。
电离产生的电子（除了δ 电子）能量较低，无法再形成电 离。 当存在外加电场时，电子将从电场中不断地获得能量。
电子和离子的复合系数
气体 H2 He N2 电子复合系数e(cm3/s) 5.91011 1.7108 1.4106 离子复合系数i(cm3/s) 1.5106
O2 Ar CO2 空气
2.7107 8.8107
1.6106 1.6106 1.5106
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这个函数关系均 由实验测定，一 般给出的是实验 曲线。
10%
5.3% 2.1% 66ppm 纯Ar
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E V cm P mmHg
重要特点：电子与离子漂移的区别
(1)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敏感
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§4.2 电离室的工作机制与输出回路
一． 电离室的基本结构 二． 工作气体 三． 输出信号产生的物理过程 四． 电离室的输出回路
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一. 电离室的基本结构
•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：
1. 高压极(K)：正高压或负高压； 2. 收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地 接近的电位； 3. 保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的 电位；
小结：气体中离子与电子的运动
重带电粒子 1. 没有外 加电场 扩散 电子 复合 离子 复合 吸附
N
统计性
N0 E / w
法诺分布
2. 有外加 电场
电场强度 增大
统计性？
N
统计性
光致电离
or
E
N
统计性
雪崩
27/189
E
？
N
二次电子发射
如果电压继续提高，电场强 度再增大，会怎样……？
I 复 合 区
1. 足够强的 电场
2. 自由电子
二次电子发射： 电离产生的电子
•雪崩区产生的正离子经过~103s到达器壁， •并可能在器壁上打出二次电子。 •二次电子又可以引起新的雪崩。
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气体放大
非自持放电： 雪崩从产生到结束，只发生一次。 自持放电： 通过光子的作用和二次电子发射，雪崩持续发展。
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1. 不存在外加电场的情况
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，会发 生以下物理过程： ① 扩散（Diffusion） ② 电荷转移效应（Charge transfer） ③ 电子吸附（Electron Attachment） ④ 复合（Recombination）