核辐射探测器硕张.ppt

2024/5/21 周二1/84核核辐辐射探射探测测器器利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐射探测的元器件称为核辐射探测器核辐射进入探测器灵敏体积后与探测介质相互作用，探测器输出能够直接或间接的反映核辐射种类、强度、能量或核寿命等的信息常用的有三大类：气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器这三类探测器都是把核辐射转变成为电信号，再由电信号处理设备进行分析和处理2024/5/21 周二2/84探探测测器的三个关器的三个关键键点点v如果按照技术指标和用途的差别来区分，三类探测器中每一类都有很多种。在此侧重讲述在学习这三类探测器时需要了解的三个方面：探测器把核辐射转变为电信号的物理过程探测器的输出回路及其与探测器输出电信号的关系探测器的主要技术指标及其用途2024/5/21 周二3/84核核辐辐射射转变为电转变为电信号的信号的阶段段第一阶段：入射的粒子射入探测器的灵敏体积，通过与探测器物质的相互作用，转变或产生出带电粒子。第二阶段：被电离或激发的原子，在探测器的外加电场中作定向移动，为探测器外部负载电路提供信号 2024/5/21 周二4/84探探测测器种器种类类气体探测器：电离室：脉冲电离室、电流电离室、累计电离室；正比计数器、G-M计数管；闪烁探测器：NaI（Tl）(碘化钠（铊激活）单晶谱仪；BGO（锗酸铋）探测器半导体探测器：金硅面垒半导体探测器、高纯锗（HPGe)探测器、锂漂移硅探测器；其它探测器：原子核乳胶、固体径迹探测器、气泡室、火花放电室、多丝正比室、切伦科夫计数器、热释光探测器2024/5/21 周二5/84气体探气体探测测器器2024/5/21 周二6/84气体探气体探测测器器气体探测器：一个内部充有特定气体、两电极间（高压极和收集极）加有电场的小室型探测器。气体探测器是最早使用的核辐射探测器，尽管其他探测器发展很快，但是它具有结构简单，使用方便等优点，至今仍被广泛使用。常用的气体探测器有电离室、正比计数管和盖革-米勒计数管（Geiger-Mller，简称G-M）2024/5/21 周二7/84工作概况工作概况气体探测器通常是由高压电极和收集电极组成，常见的是两个同轴的圆柱形电极，电极间充气体并外加一定的电压。辐射使电极间的气体电离，生成带电粒子。带电粒子在电场作用下向两极漂移。随着带电粒子到两极的距离发生变化，极板上的感生电荷数发生变化，回路中产生电流信号。2024/5/21 周二8/84气体原子的气体原子的电电离和激离和激发发带电粒子使气体原子电离而形成电子和正离子对的现象叫做气体的电离，电离出来的电子称为次级电子带电粒子直接产生的电离叫做原电离，次级电子产生的电离叫做次电离，原电离和次电离之和为总电离平均电离能WW：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，产生的平均离子平均离子对对数数为2024/5/21 周二9/84激激发发和退激和退激带电粒子使气体原子激发，在10-9s内退激，释放光子被激发原子的退激方式有：辐射光子-发射波长接近紫外光的光子，这些光子又可能在周围介质中打出光电子，或被某些气体分子吸收而使分子离解发射俄歇电子2024/5/21 周二10/84电电子与离子在气体中的运子与离子在气体中的运动动无外加电场存在时，已产生的电子和正离子与气体分子一样，处于一种杂乱运动的状态，同时存在着扩散，最终与气体分子达到热平衡状态，已产生的离子对消失，不能形成电流。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。电子的平均自由程和杂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。2024/5/21 周二11/84离子离子对对的漂移的漂移 度甚至可增大一个量级。2024/5/21 周二12/84离子离子对对的漂移的漂移 电子在气体中的飘逸速度2024/5/21 周二13/84吸附效吸附效应应分2024/5/21 周二14/84复合效复合效应应复合复合有两个有两个过过程：程：电电子子与与正离子正离子，或，或负负离子离子与与正正离子离子，相遇，相遇时时可能可能复合成中性复合成中性的原子或分子的原子或分子复合引起的复合引起的离子离子对对数目数目的的损损失率失率：为为复合系数复合系数一旦形成了一旦形成了负负离子离子，其，其运运动动速度速度远远小于小于电电子子，正，正离子与离子与负负离子的离子的复合系数复合系数要要比比正离子与正离子与电电子的子的复复合系数合系数大得多大得多复合的复合的结结果是把果是把许许多多有用信号有用信号给给复合掉复合掉，使，使有用有用的信号的信号减少减少。因此，。因此，复合复合现现象在探象在探测测器正常工作器正常工作中中应应尽量避免尽量避免2024/5/21 周二15/84电电荷荷转转移效移效应应正离子正离子与与中性的气体分子中性的气体分子碰撞碰撞时时，正离子与分子，正离子与分子中的一个中的一个电电子子结结合成中性分子，合成中性分子，中性气体分子成中性气体分子成为为正离子正离子电电荷荷转转移效移效应应在混合气体中比在混合气体中比较较明明显显电电荷荷转转移效移效应应可以减小离子的迁移率，降低离子可以减小离子的迁移率，降低离子的漂移速度的漂移速度复合效复合效应应、电电子吸附效子吸附效应应、电电荷荷转转移效移效应应等，都等，都不利于不利于电电荷收集荷收集2024/5/21 周二16/84离子离子对对收集收集与与外加外加电场电场的关系的关系：复合区：饱和区（电离室工作区）：正比区（正比计数器工作区）：有限正比区 ：G-M工作区2024/5/21 周二17/84外加外加电场电场与离子与离子对对收集的关系收集的关系 I区称为复合区，工作电压很低而存在电子-正离子的复合，随电压上升复合损失减少，电流趋于饱和。II区称为饱和区或电离室区。在这个区域内，生成的离子对电荷全部收集，输出信号的大小反映了入射离子损失在计数器灵敏体积内的能量。2024/5/21 周二18/84外加外加电场电场与离子与离子对对收集的关系收集的关系 III区称为正比区，由于碰撞电离的发生而产生气体放大，离子对数将比原电离倍增10104。气体放大系数随电压而增大，但对一定电压气体放大系数保持恒定，总电荷量仍正比于原电离电荷量。IV区：有限正比区。由于气体放大系数过大，空间电荷的影响越趋明显，气体放大系数与原电离有关，而且初始电离越大的入射离子影响越大，总离子对数不再与入射粒子能量成正比。这种状态作为过渡而无实用价值。2024/5/21 周二19/84外加外加电场电场与离子与离子对对收集的关系收集的关系 V区称为盖革区，随电压升高形成自持放电，此时总电离电荷与原电离无关，几条曲线重合，这就是G-M管的工作区域。G-M管不能得到入射粒子的能量信息，另外死时间长，可达102s，只能用于计数率不高的情况。寿命较短。当电压继续升高，进入连续放电并有光产生，利用这一现象又发展了火花室、自猝熄流光管（SQS）等探测器2024/5/21 周二20/84对于气体探测器来说，从原理上讲可以改变外加电压的数值使其工作在不同区域，但实际上由于结构已定，它只能适合于工作在某个区域。用两只气体探测器来比较，尽管一只是工作于正比区的正比计数器，而另一只是工作于G-M区的G-M计数器，这并不能断定加到G-M计数器上的工作电压一定比另一个要高，这是因为两只气体探测器的结构不同2024/5/21 周二21/84电电离室离室(ionization chamber)收集入射粒子在电离室中形成的全部离子对，外加电场使其既不产生复合也不发生气体放大记录单个入射粒子的电脉冲信号-脉冲电离室记录大量粒子在单位时间内的平均电离电流-电流电离室记录一定时间内大量入射粒子产生的总累积电荷量-累计电离室2024/5/21 周二22/84电电离室离室脉冲电离室记录单个辐射粒子，主要用于测量重带电粒子的能量和强度；按输出回路的参量，脉冲电离室又可区分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室电流电离室、累计电离室记录大量辐射粒子平均效应，主要用于测量X，和中子的强度或通量、剂量或剂量率。它是剂量监测和反应堆控制的主要传感元件。2024/5/21 周二23/84电电离室的基本离室的基本结结构构不同不同类类型的型的电电离室在离室在结结构上基本相同构上基本相同典型典型结结构有构有平板型平板型平板型平板型和和圆圆圆圆柱型柱型柱型柱型，均包括，均包括高高压压极极(K)：正高：正高压压或或负负高高压压；收集极收集极(C)：与：与测测量量仪仪器相器相联联的的电电极，极，处处于与地于与地接近的接近的电电位；位；保保护护极极(G)：又称保：又称保护环护环，处处于与收集极相同的于与收集极相同的电电位；位；负载电负载电阻阻(RL)：电电流流流流过时过时形成形成电压电压信号。信号。2024/5/21 周二24/84平板型平板型电电离室离室高高压极极收集极收集极保保护极极负载电阻阻外壳外壳灵敏体灵敏体积绝缘子子V(t)2024/5/21 周二25/84圆圆柱型柱型电电离室离室-V0V(t)2024/5/21 周二26/84灵敏体灵敏体积积：由通：由通过过收集收集级级边缘边缘的的电电力力线线所包所包围围的的两两电电极极间间的的区域区域保保护环护环G的作用的作用：使使灵敏体灵敏体积积边缘处边缘处的的电场电场保持均匀保持均匀若若无无G，当当高高压压很大很大时时，会有，会有电电流流通通过过绝缘绝缘子子从从负载电负载电阻阻RL上通上通过过，从而，从而产产生生噪声噪声，即，即绝缘绝缘子子的的漏漏电电流流外壳的作用：外壳的作用：需要保需要保证证气体的气体的成分成分和和压压力力，所以一般，所以一般电电离室均离室均需要一个需要一个密封外壳密封外壳将将电电极系极系统统包起来包起来2024/5/21 周二27/84电电离室的大小和形状，室壁和离室的大小和形状，室壁和电电极的材料以及所极的材料以及所充的气体成分、充的气体成分、压压强强都要根据都要根据辐辐射的性射的性质质、实验实验的要求来确定。的要求来确定。测测量量粒子能量粒子能量的的电电离室，离室，须须要要足足够够大的容大的容积积和和气气压压，以便使，以便使粒子的径迹都落在灵敏区内。粒子的径迹都落在灵敏区内。对对射射线线强强度作度作相相对测对测量量时时，为为了提高灵敏度，了提高灵敏度，室壁材料宜用室壁材料宜用高原子序数的金属高原子序数的金属，其厚度略大于，其厚度略大于室壁中次室壁中次级电级电子的射程。作子的射程。作绝对绝对剂剂量量测测量量时时，须须用与用与空气或生物空气或生物组织组织等价的材料等价的材料作作电电极和室壁极和室壁2024/5/21 周二28/84电电离室的工作机制离室的工作机制2024/5/21 周二29/84x2024/5/21 周二30/842024/5/21 周二31/84第四步第四步：当正：当正电电荷快荷快到达到达极板的极板的前一瞬前一瞬间间，-q1 1全全部由部由a极板极板经经外回路外回路流到流到b极板极板，b极板极板上的上的感感应应电电荷荷：当当e+到达到达b极板极板，e+与与b极板极板上的上的感感应电应电荷荷中和中和。外回路外回路电电流流结结束束，流，流过过外回路外回路的的总电总电荷量荷量为为：2024/5/21 周二32/84引入引入负电负电荷荷2024/5/21 周二33/84同一点引入正同一点引入正负电负电荷荷当当同同时时在在同一位置同一位置引入引入一离子一离子对对，则则在外回路在外回路流流经经的的电电流流：i(t)=i+(t)+i(t)流流过过外回路外回路的的总电总电荷量荷量：q+q-=e2024/5/21 周二34/84只有当只有当空空间电间电荷荷在极板在极板间间移移移移动动动动时时，在外回路在外回路才有才有才有才有电电电电流流流流流流过过，此，此时时i(t)=i+(t)+i(t)，正、正、负电负电荷的感荷的感应电应电流方向相同，流方向相同，在探在探测测器内部从阳极流向阴极器内部从阳极流向阴极。电电荷漂移荷漂移过过程程结结束，外回路感束，外回路感应电应电流消失流消失。当。当负负电电荷被收集后，外回路中就只有正荷被收集后，外回路中就只有正电电荷的感荷的感应电应电流流当当+e e、e e电电荷荷在在同同一一位位置置产产生生时时，它它们们在在极极板板上上的的感感应应电电荷荷量量分分别别相相同同；+e、e电电荷荷漂漂移移结结束束，流流过过外外回回路路的的总总电电荷荷量量为为e e；该该电电荷荷量量与与这这一一对对电电荷的荷的产产生生位置无关位置无关。2024/5/21 周二35/84当当入射粒子入射粒子在在探探测测器器灵敏体灵敏体积积内内产产生生N N个个离子离子对对，它它们们均在均在外加外加电场电场作用下作用下漂移漂移漂移漂移，这时这时，产产生的生的总总总总电电电电流信号流信号流信号流信号是：是：当当N N个个离子离子对对全部全部被被收集收集时时，流，流过过外外电电路路的的总电总电总电总电荷量荷量荷量荷量为为2024/5/21 周二36/84脉冲脉冲电电离室离室脉冲电离用来记录单个入射核辐射粒子。工作原理是一个带电粒子进入脉冲电离室灵敏体积后，与气体原子或分子相互作用，使气体电离，产生的大量电子和正离子(称为离子对)在电场作用下向电离室两电极漂移，从而产生一个电流脉冲，在电离室的RC输出电路上产生一个电压脉冲测量单位时间进入电离室带电粒子数目和能量2024/5/21 周二37/84脉冲脉冲电电离室离室假设入射离子在灵敏体积中产生N 个离子对，并忽略扩散和复合的影响，而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有其它入射粒子产生电离电离室RC输出电路上产生的最大电压脉冲幅度为N0为入射带电粒子在电离室灵敏体积内直接使气体电离产生的粒子对数；E为入射带电粒子在电离室内损失的能量；W为电离室内所充气体的平均电离能（产生一个离子对需要入射带电粒子损失的能量）2024/5/21 周二38/84脉冲脉冲电电离室离室的的输出回路出回路电离室结构和输出电路示意图 等效电阻等效电容时间常数2024/5/21 周二39/84脉冲脉冲电电离室离室的的输出回路出回路电离室结构和输出电路示意图 离子脉冲电离室电子脉冲电离室T-全部电子的收集时间T+全部离子的收集时间ms量级s量级2024/5/21 周二40/84脉冲脉冲电电离室离室的的输出回路出回路v离子脉冲电离室输出脉冲较宽（因为正离子漂移速度慢），一般在10-3s量级，这使得它不能用来探测强度很强的放射源电子脉冲电离室脉冲宽度小，为10-6s量级满足测量强得多的入射粒子流，但是对平板型电子脉冲电离室而言，输出的脉冲幅度不仅取决于产生的离子对数，还与离子对产生的位置有关。需要采用特殊的设计来解决（圆柱形电子脉冲电离室与屏栅电离室）2024/5/21 周二41/84圆柱形柱形电子脉冲子脉冲电离室离室电位分布：电压脉冲幅度：2024/5/21 周二42/84屏屏栅电离室离室G：栅极入射带电离子+-栅极对电子透明输出电压脉冲幅度2024/5/21 周二43/84脉冲脉冲电电离室离室输输出信号的出信号的测测量量脉冲脉冲电电离室的离室的输输出信号所包含的信息出信号所包含的信息入射入射带电带电粒子粒子的的数量：数量：通通过对过对输输出脉冲出脉冲数数进进行行测测量量入射入射带电带电粒子粒子的的能量：能量：通通过对输过对输出出电压电压信号的幅信号的幅度度进进行行测测量量确定确定入射粒子入射粒子间间的的时间时间关系：关系：通通过对输过对输出出电压电压信信号的号的时间进时间进行行测测量量2024/5/21 周二44/84脉冲脉冲电电离室的性能离室的性能脉冲幅度脉冲幅度谱谱与与能量分辨率能量分辨率能量分辨率能量分辨率脉冲脉冲电电离室离室常用来常用来测测量量带电带电粒子粒子的的能量：能量：能量：能量：对单对单能能带电带电粒子粒子，若其，若其全部全部能量能量都都损损耗在耗在灵敏体灵敏体积积内，内，则则脉冲脉冲电电离室离室输输出出电压电压脉冲脉冲的的幅度幅度幅度幅度反映了反映了单单个入个入射射带电带电粒子粒子能量能量能量能量的大小的大小2024/5/21 周二45/84能量分辨率能量分辨率2024/5/21 周二46/84多道多道测测量的脉冲幅度量的脉冲幅度谱谱能量分辨率：能量分辨率：半高半高宽度度 能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪对不同不同入射粒子入射粒子能量能量的的分辨能力分辨能力。E1E2E2E1E2E1E1E2E3E1 E2 E32024/5/21 周二47/84电电离室的离室的饱饱和特性曲和特性曲线线脉冲幅度脉冲幅度h h与与电电离室离室工作工作电压电压V V0 0 0 0的关系的关系影响因素影响因素：离子离子和和电电子子的的复合复合复合复合或或扩扩扩扩散散散散效效应应饱饱和特性曲和特性曲线线形成的物理形成的物理过过程：程：饱饱和区斜率的原因：工作和区斜率的原因：工作电压电压的升高使的升高使灵敏体灵敏体积积增加增加及及负负离子的离子的释释放放V0hV1饱和和电压N02024/5/21 周二48/84探探测测效率效率2024/5/21 周二49/84电电流流电电离室离室 通过测定单位时间内入射核辐射粒子在电离室内产生的平均电离电流来探测核辐射若单位时间入射的粒子数为n，每个粒子在电离室内平均的能量损失为E，则电流电离室输出的平均电流为角标“饱和”的意义是因为电离室电极间加的电场不足以引起气体放大，但能把核辐射在灵敏体积内产生的电子和正离子全部收集，达到最大电荷收集数N0，外加电压增加，收集的电荷数不再增加，即电离室输出的I不再增加达到饱和。2024/5/21 周二50/84电电流流电电离室的离室的应应用用 测量射线（或X射线）照射量 测量吸收剂量吸收剂量定义为在给定物质中由电离辐射传递单位质量物质的平均能量测量放射性气体2024/5/21 周二51/84正比计数器2024/5/21 周二52/84正比正比计数器数器 正比区正比区 2024/5/21 周二53/84正比正比计数器数器 气体探测器工作于正比区时，在离子收集的过程中将出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子的雪崩。于是，在收集电极上感生的脉冲幅度 将是原电离感生的脉冲幅度的M倍，即处于这种工作状态下的气体探测器就是正比计数器。2024/5/21 周二54/84正比正比计计数器数器1 气体放大机制气体放大机制 设圆柱形计数管的阳极半径为a，电位为Vc；阴极半径为b，电位为 Vk；外加工作电压 ，则沿着径向位置为r的电场强度 为:2024/5/21 周二55/84强强电场电场下气体放下气体放电电雪崩雪崩电电子在气体中的子在气体中的电电离碰撞离碰撞过过程，程，发发生雪崩的生雪崩的阈值阈值电场电场：ET 106V/m气体放大气体放大非自持放非自持放电电：雪崩从：雪崩从产产生到生到结结束，只束，只发发生一次生一次自持雪崩自持雪崩：通通过过光子的作用和二次光子的作用和二次电电子子发发射，雪射，雪崩持崩持续发续发展，也叫自持放展，也叫自持放电电2024/5/21 周二56/84正比正比计计数器数器(Proportional Counter）正比正比计计数器数器中，利用中，利用碰撞碰撞碰撞碰撞电电电电离离离离将入射粒子将入射粒子直接直接产产生的生的电电离效离效应应放大了放大了放大了放大了，使得正比，使得正比计计数器的数器的输输出信出信号幅度号幅度比比脉冲脉冲电电离室离室显显著增大著增大。对对直接直接电电离效离效应应放大的倍数称放大的倍数称为为“气体放大倍数气体放大倍数气体放大倍数气体放大倍数”，以，以M表示，在一定的工作条件下，表示，在一定的工作条件下，M保持保持为为常常数数。正比正比计计数器属于数器属于非自持放非自持放非自持放非自持放电电电电的气体的气体电电离探离探测测器器2024/5/21 周二57/84工作原理工作原理 结结构上必构上必须满须满足足实现实现碰撞碰撞碰撞碰撞电电电电离离离离的需要，而在的需要，而在强强电电场场下才能下才能实现实现碰撞碰撞电电离离在在一个大气一个大气压压下下，电电子子在气体中的自由程在气体中的自由程约约 10-310-4cm，气体的，气体的电电离离电电位位20eV。要使。要使电电子在子在一个自由程就达到一个自由程就达到电电离离电电位，位，场场强强须须104V/cm为为达到达到这这一要求，一般采用一要求，一般采用非均匀非均匀非均匀非均匀电场电场电场电场，以，以圆圆柱柱型型为为主主2024/5/21 周二58/84工作原理工作原理中心阳极的电位相对于阴极为正电位，当核辐射进入正比计数管灵敏体积后，使气体电离产生电子和正离子（称为初电离）电离电子在向中心电极漂移过程中不断从电场获得能量，当其能量足够使气体电离时，产生新的离子对（称为次电离）2024/5/21 周二59/84次电离电子在向中心阳极漂移过程中又被加速再使气体电离，产生更多的离子对。电子越接近阳极，电离气体的概率越大，于是离子对不断的增殖，这就是气体放大，也称为电子雪崩脉冲电压近似与入射粒子能量成正比2024/5/21 周二60/84正比正比计计数器数器正比计数管一般为圆柱形结构，和圆柱形电离室一样，其灵敏体积距中心r处的电场为：a和b分别是中心阳极和圆筒形阴极的半径；V0为两电极间所加电压（称为工作电压）放大倍数MN/N0M的大小决定于气体性质、压强、工作电压和电极半径。2024/5/21 周二61/84在在rb时时场场强强最小最小，ra时时场场强强最大最大定定义义:VT 称称为为正比正比计计数器的数器的起始起始电压电压(阈压阈压).对对于一个确定的正比于一个确定的正比计计数器，只有当工作数器，只有当工作电压电压V V V VT T 时时，才工作于，才工作于正比正比计计数器工作区数器工作区，否，否则则工作工作于于电电离室离室区区2024/5/21 周二62/84当当V V 0 0 V VT T 时时，仅仅在在 r r0 0a a 区区间间内内发发生生碰撞碰撞电电离离 一般一般r0很小很小，和，和a是是同一量同一量级级，这样这样入射粒子在入射粒子在 r0 内内产产生生电电离的可能性很小，可以忽略。因此，离的可能性很小，可以忽略。因此，在在不同位置不同位置射入的入射粒子所射入的入射粒子所产产生的生的电电离效离效应应在在正比正比计计数器中数器中都都经经受同受同样样的气体放大的气体放大过过程程，都有，都有同一个气体放大倍数。同一个气体放大倍数。同一个气体放大倍数。同一个气体放大倍数。正比正比计计数器数器输输出信号主要由出信号主要由正离子漂移正离子漂移正离子漂移正离子漂移贡贡献献2024/5/21 周二63/84碰撞碰撞电电离与气体放大离与气体放大碰撞电离只有电子才能实现。当电子到达距丝极一定距离 r0 之后，由于电场很强，电子在平均自由程上获得的能量足以与气体分子发生电离碰撞，产生新离子对。而且新的电子又被加速再次产生电离碰撞。漂移电子越接近阳极，电离碰撞概率越大。于是，电子的数目不断增殖，这个过程称为气体放大过程，又称电子雪崩(electron avalanche)2024/5/21 周二64/84气体放大气体放大过过程中正离子的作用程中正离子的作用离子漂移速度慢离子漂移速度慢，在，在电电子漂移、碰撞子漂移、碰撞电电离等离等过过程程中，可以中，可以认为认为正离子基本没正离子基本没动动，形成，形成空空空空间电间电间电间电荷荷荷荷，处处于于阳极阳极丝丝附近附近，会影响附近区域的，会影响附近区域的电场电场，使，使电电场场强强度度变变弱弱，影响，影响电电子雪崩子雪崩过过程的程的进进行行正离子漂移正离子漂移到达阴极到达阴极，与，与阴极表面的感阴极表面的感应电应电荷荷中中和和时时有一定概率有一定概率产产生次生次电电子子，发发生生新的新的电电子雪崩子雪崩过过程程，称，称为为离子反离子反离子反离子反馈馈馈馈；也可以通；也可以通过过加入少量多原加入少量多原子分子气体阻断离子反子分子气体阻断离子反馈馈2024/5/21 周二65/84气体放大气体放大过过程中的光子作用程中的光子作用光光子反子反馈馈2024/5/21 周二66/84光子反光子反馈馈的影响的影响光子反光子反馈馈的的过过程程(10-9s)远远快于快于电电子的漂移子的漂移过过程程(10-6s)，对对信号的形成而言信号的形成而言，在，在时间时间上是上是同同同同时时时时事件事件事件事件加入少量的加入少量的多原子分子气体多原子分子气体M，它可以，它可以强强烈吸收烈吸收气体分子退激所气体分子退激所发发出的紫外光子而出的紫外光子而处处于激于激发态发态M*，它不再，它不再发发出光子而是分解出光子而是分解为为几个小分子几个小分子(超超前分解前分解)退激。退激。这样这样可以阻止紫外光子打到阴极可以阻止紫外光子打到阴极而而减小光子反减小光子反馈馈在在正比正比计计数器数器中，中，光子反光子反馈馈和和正离子反正离子反馈馈的作用的作用极微弱极微弱，因此，因此，经经一次雪崩以后增殖一次雪崩以后增殖过过程即行程即行终终止，且止，且雪崩雪崩只限于只限于局部局部局部局部的区域，的区域，对对一个初始一个初始电电子子仅仅展展宽宽 200 m左右左右2024/5/21 周二67/84优点脉冲幅度较大；灵敏度较高；脉冲幅度几乎与原电离的地点无关；价格便宜，使用条件不苛刻缺点脉冲幅度随工作电压变化较大，且容易受外来电磁干扰，因此，对电源的稳定度要求也较高（0.1%）2024/5/21 周二68/84常用的正比常用的正比计计数器数器流气式4正比计数器低能X射线正比计数器三氟化硼（BF3）正比计数器球形含氢正比计数器流气式4正比计数器 无窗流气式2正比计数器2024/5/21 周二69/84G-M计数管2024/5/21 周二70/84正比正比计数器数器 G-M区区 2024/5/21 周二71/84G-M计计数管数管盖革-米勒(Geiger-Mller)计数管，简称G-M管。由盖革(Geiger)和弥勒(Mueller)发明的一种利用自持放电的气体电离探测器通常是一个充气的圆柱形管，管内装设一圆筒式金属阴极和一根位于中心的细丝作阳极。根据外形主要可分为钟罩型（或称端窗式）和圆柱型。根据所充气体又分为有机管和卤素管。2024/5/21 周二72/84G-M计计数管数管灵敏度高，输出脉冲幅度大，可以不经放大而直接记录，使用方便。对带电粒子如和粒子的探测效率几乎可达到100%，但对射线的探测效率较低，只有1%左右。在一定电压下，其输出脉冲幅度对不同能量、不同种类的射线均相同，不能直接用以鉴别射线的种类和测定能量的大小2024/5/21 周二73/84工作原理工作原理入射核辐射在G-M计数管灵敏体积内只要产生一对以上的初电离（即N01），则初电离电子在电场作用下向中心阳极漂移过程中，除了有正比计数管类似的次电离引起的电子雪崩（称为汤姆逊雪崩）以外，电子在向阳极漂移过程中还会使许多气体分子或原子激发。处于激发态的分子或原子退激发射波长在可见光或紫外光区的光子，光子与气体或阴极发生光电效应产生光电子，这些光电子在电场作用下也向阳极漂移，并至少会再能触发一个新的次级雪崩。2024/5/21 周二74/84正离子鞘正离子鞘由于受激分子或原子退激可以向各个方向发射光子，因此气体放大不像正比计数管那样只局限在初电离那一侧的局部区域发生，而是在整个G-M计数管内发生。不管初电离发生在管内何处，雪崩放电都会逐渐包围整个阳极丝。在阳极丝附近的大量电子很快漂移到阳极而留下大量的正离子包围着阳极丝，形成一个“正离子鞘”。2024/5/21 周二75/84输输出信号出信号正离子鞘使G-M计数管中心阳极周围的电场强度减弱，以至于抑制电子增殖，最终使雪崩放电结束，电子完全被收集，“电子电流”消失。放电结束后，正离子鞘向阴极漂移过程：形成“离子电流”，是形成输出脉冲的主要贡献，G-M计数管输出一个电脉冲。正离子在阴极表面的电荷中和过程G-M计数管内每次放电都以管内产生大致相同的总电荷数而结束，所以G-M计数管输出的脉冲幅度都是相同的。G-M管仅能用来记录入射粒子的数目，不能用于测量入射粒子的能量。2024/5/21 周二76/84G-MG-M管主要有管主要有圆圆柱型和柱型和钟钟罩型两种。罩型两种。圆圆柱型主要柱型主要用于用于 射射线测线测量，而量，而钟钟罩型由于有入射窗，主要罩型由于有入射窗，主要用于用于，射射线线的的测测量量GMGMGMGM管的性能管的性能管的性能管的性能由由计计数管数管的的丝丝极极a，阴极与阴极与丝丝极极之比之比b/a、工作气体的工作气体的组组成成与与压压力力等因素决等因素决定定2024/5/21 周二77/84探探测测效率效率对对用于用于带电带电粒子粒子探探测测的的钟钟罩型罩型GM管，只要管，只要入射入射粒子粒子进进入灵敏体入灵敏体积积，其探，其探测测效率可接近效率可接近100对对用于用于探探测测 射射线线的的圆圆柱柱型型GM管，管，仅仅当当次次电电子子进进入灵敏体入灵敏体积积才能引起才能引起计计数，其探数，其探测测效率效率仅仅12024/5/21 周二78/84G-M管工作特性管工作特性-坪特性曲坪特性曲线线2024/5/21 周二79/84G-M管工作特性管工作特性-坪特性曲坪特性曲线线坪特性曲坪特性曲坪特性曲坪特性曲线线线线入射粒子流入射粒子流强强度一定的条件下，度一定的条件下，计计数率随工作数率随工作电压电压的的变变化关系化关系坪特性曲坪特性曲线线可用三个指可用三个指标标衡量衡量坪起始坪起始坪起始坪起始电压电压电压电压VA坪坪坪坪长长长长 VBVA坪斜坪斜坪斜坪斜 2024/5/21 周二80/84坪区坪区当工作电压加到一定数值后，核辐射产生的脉冲大部分超过阈电平的幅度，噪声也只有极少超过阈电平，此时被记录的脉冲数目基本趋于饱和，随工作电压增加计数增加很小，这个区域称为坪区。随着工作电压增加，将会有愈来愈多的噪声脉冲具有超过阈电幅度，此时脉冲数又在增加，这种增长是不需要的2024/5/21 周二81/84坪曲坪曲线线特性特性起始电压Vs：记录脉冲计数的电子学仪器开始计数时探测器所加的电压称为起始电压。探测器的起始电压愈低，探测器性能就愈好坪长：坪曲线中计数率随着探测器所加电压的增加变化不大，出现比较平坦的一段，即所谓坪。坪区电压范围称为坪长，如图V2-V1为坪长。正比计数管和G-M计数管的坪长一般大于300V。坪斜：在坪区，实际上计数率仍随探测器所加电压的增加而有所增加，可用探测器所加电压每增加100V或1V时计数率增加的百分数来表示坪斜2024/5/21 周二82/84优优缺点缺点G-M 计数器探测射线的优优点点灵敏度高；脉冲幅度大；稳定性高；计数器的大小和几何形状可按探测粒子的类型和测量的要求在较大的范围内变动；使用方便、成本低廉、制作的工艺要求和仪器电路均较简单缺点缺点不能鉴别粒子的类型和能量；分辨时间长，约102s，不能进行快速计数；正常工作的温度范围较小（卤素管略大些）；有乱真计数2024/5/21 周二83/84谢谢谢谢2024/5/21 周二84/84阈电阈电平平记录核辐射产生的脉冲时，既要把所有高度不同的脉冲记录下来，又要去掉一大批幅度很小的噪声脉冲使其不被记录。为同时达到这两个要求，在电子仪器上设置一个阈电平。其作用是允许超过阈的脉冲被记录下来，这种作用称为甄别阈电平要选得合适：选高：造成有些信号测量不到选低：噪声脉冲被记录。2024/5/21 周二85/84多道多道测测量的脉冲幅度量的脉冲幅度谱谱能量分辨率：能量分辨率：半高半高宽度度 能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪对不同不同入射粒子入射粒子能量能量的的分辨能力分辨能力。E1E2E2E1E2E1E1E2E3E1 E2 E3