1 2018/10/17 1 气体电离勘探器 2011-3-27 2 为什么要评论勘探器？ 因为咱们 无法直接感知 射线！ ！ 这儿，咱们感兴趣的勘探器是： 需求勘探器 ： 射线 → 可感知的信号 气体电离室 闪耀勘探器 半导体勘探器 射线 → 电信号  品种 ：α ，β ，γ ，中子，μ ，质子  能量 ： • 137 Cs ：0.662MeV • 60 Co ：1.17MeV,1.33MeV  方向 ：源的位臵并不固定  时刻 ：射线一般不会“践约而至”  强度 ： 10μCi 的试验室用 137 Cs 20mCi 的水煤浆丈量用 137 Cs  透射后衰减的X 射线束 射线 是广泛使用的:  灰分仪  X 照相  中子元素剖析  康普顿相机  …… 怎么获取这些 信息？ ？ 201...

　　1 2018/10/17 1 气体电离勘探器 2011-3-27 2 为什么要评论勘探器？ 因为咱们 无法直接感知 射线！ ！ 这儿，咱们感兴趣的勘探器是： 需求勘探器 ： 射线 可感知的信号 气体电离室 闪耀勘探器 半导体勘探器 射线 电信号  品种 ： ， ， ，中子， ，质子  能量 ： 137 Cs ：0.662MeV 60 Co ：1.17MeV,1.33MeV  方向 ：源的位臵并不固定  时刻 ：射线一般不会“践约而至”  强度 ： 10Ci 的试验室用 137 Cs 20mCi 的水煤浆丈量用 137 Cs  透射后衰减的X 射线束 射线 是广泛使用的:  灰分仪  X 照相  中子元素剖析  康普顿相机  怎么获取这些 信息？ ？ 2011-3-27 3 什么是电离辐射勘探器？ 将被测的 射线 转换为 可观测信号 的特别器材，称之为 电离辐射勘探器 ，简称 勘探器 。 勘探器是怎样构成信号的？ ① 辐射粒子射入 “ 活络体积 ” ② ② 入射粒子与活络体积内的作业介质 相互效果 ，丢失能量并构成 电离或激起 ③ ③ 勘探器经过本身特有的 作业机制 将入射粒子的电离或激起效果转化为 某种输出信号 。 各类勘探器研讨的首要内容 立体角 本征 勘探功率 分辨率 ：能量、位臵、时刻 2011-3-27 4 在学习各种勘探器时，应把握四方面的内容： ① 勘探器的 作业机制 入射粒子的“ 能量 转换为 输出信号 ”的 物理进程 是怎样的？ 谁、怎么 带着 了咱们需求的关于射线的信息？ ② 勘探器输出 信号的特色 对信号期望值的预算 涨落剖析 ③ 勘探器的 首要性能 ④ 勘探器的 典型使用 2011-3-27 5 勘探器是怎么丈量射线的？ 241 Am 放射源 放出5.486MeV 的 射线 E MeV V E  “ADC” 决议是否报警？ 勘探器 detector 在这儿面，产生了什么事情？ 谁又是其间的“主角”？ ― 电信号” 常见的烟雾报警器 2011-3-27 6 今日，咱们来评论 气体勘探器 “主角” 载流子： 各种勘探器重视的核心问题 按勘探介质和效果机制，勘探器可分为 三类： ： ① 气体电离勘探器 ② 闪耀体勘探器 ③ 半导体勘探器 Charge Carrier （信息）载流子 电子－离子对 榜首打拿极搜集到的光电子 电子－空穴对 2011-3-27 9 1 气体中离子与电子的运动规则 ． 一． 气体的电离与激起 一． 载流子的 产生 ． 二． 气体中离子、电子的漂移与分散运动 一． 载流子的 移动 ． 三． 气体放电 载流子的 “增多” 2011-3-27 10 一 一. 气体的电离与激起 载流子的产生 关于“ 电子－离子对 ”，请咱们考虑 两个问题 ： 1. 它们怎么 构成 ？ “电子－离子对”是怎样构成的？ 2. 怎么带着 信息－ 何故担任“主角” ？ 为什么“电子－离子对”能够作为“ 信使 ”，在射线和咱们（观察者）之间架起认知的“桥梁” ？ 需求先回忆 射线 与 物质（勘勘探器） 的相互效果 带电粒子 不带电粒子 ，中子 射线 线 快电子、重离子、裂变碎片等 荷电粒子 经过某些反响变成带电粒子：  ：光电效应、康普顿散射、电子对效应  中子 ：抓获、反冲、裂变 轫致辐射 核阻挠 核外电子弹性磕碰 电离与激起 构成载流子 仅在低能时考虑 对 载流子“ 无 ”奉献 在勘探器的介质中 中 2011-3-27 11 电离 激起 轫致辐射 产品： 电子－离子对 产品：紫外光子，俄歇电子， 亚稳态 第二类非弹性磕碰 电子－离子对 产品：低能X 射线 价值： 带电粒子丢失能量 价值： 带电粒子丢失能量 价值： 带电粒子丢失能量 这个入射的带电粒子，产生了 多少个“电子－离子对” 均匀电离能W W ： 01WNE均匀的载流子数目 带电粒子耗费的能量 问题1 1 ：载流子的构成 2011-3-27 12 气体中的均匀电离能 能量为E 0 的入射粒子将能量悉数丢失 在气体介质中时 ， 产生的均匀电子－离子对数为： 0N E W 均匀电离能W ： ： 带电粒子在气体中产生一个“电子－离子对”所需的 均匀能量。 。 气体 w( ) w(X,  ) w( ) I 0 (eV) He 46.0 0.5 41.5 0.4 29.9+0.5 24.5 Ne 35.7 2.6 36.2 0.4 28.6 8 21.6 Ar 26.3 0.1 26.2 0.2 15.8 O 2 32.3 0.1 31.8 0.3 31.5 2 12.5 CH 4 29.1 0.1 27.3 0.3 12.8 C 2 H 4 28.03 0.05 26.3 0.3 12.2 空气 34.98 0.05 33.73 0.15 36.0 0.4 最低电离电位 W 大约都为～30eV ① ① 对 同种气体 ， 不同品种或能量 的带电粒子的 均匀电离能 根本不变 。 ② ② 能够据此来丈量入射带电粒子的 能量 。 重要特性 能量为E 0 的射线进入勘探器活络体积 丢失能量，经过电离产生“ 电子－离子对 ” 均匀电离能W根本为常数 ― 电子－离子对 ”的数目N 0N E 问题2 2 ：信息带着者 2011-3-27 13 法诺因子 20EFW  离子对数N 的方差 不同气体的法诺因子F F 介于0 0. .2 2 ～0 0. .5 5 之间 。 假如射线交给气体的一切能量都用来电离 最小电离电位  ― 电子 离子对 ”的数目N 恪守怎样的散布？ ① 激起 ：耗费的能量没有添加N ② 电离（但只一次） ：耗费的能量添加了N ，但添加的“价值”超越了最低电离能 ③ 电离（后续还有 电离） ：耗费的能量添加了N ，添加的“价值”也超越（ 但更挨近 ）了最低电离能 N 是个准确值? N 恪守法诺散布！ 2011-3-27 14 弥补：关于电离与激起 带电粒子的电离能量丢失 对 载流子的首要奉献 电子 次电离 “电子－离子对” 总电离 比电离 ： 单位长度途径内产生的离子对数。 辐射光子 俄歇电子 亚稳态 激起 电离 ~10 -9 s 第 1 类 非弹磕碰 第 2 类 非弹磕碰 亚稳态：某些激起态不能（ 难以 ）产生直接回到基态或较低能级的跃迁  经过磕碰 丢失 能量  使其他原子激起或电离  经过磕碰 吸收 能量  抵达更高能级  跃迁概率大 退激 退激 G G- - M 管： 卤素管低阈压的原因 原电离 “电子－离子对” 此刻：勘探器内会有许多的离子和电子，它们还将持续 2011-3-27 15 维护载流子在对“N”做计数之前 已然“ 电子－离子对 ”的数目N 带着了射线的能量信息，那么怎么把 “N 数清楚” 便是现在的 关键问题 。 若任其“ 自生自灭” ，射线在气体中产生的很多 “电子 离子对” 会呈现什么状况？ 不过，在“数N” 之前，咱们首先要确保一点N 不会丢失！ 不然 ，数出来的N 削减，反映的射线信息则会 失真 。 NNF N FN N N   载流子数目恪守法诺散布 0N E W 丢失 会产生吗？ ？ 2011-3-27 16 二 二. 电子与离子在气体中的运动 载流子的移动 无外加电场时 ， 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磕碰 ， 会产生以下物理进程： ① 分散（Diffusion ） ② 电荷转移效应（Charge transfer ） ③ 电子吸附（Electron Attachment ） ④ 复合（Recombination ） 1. 没有外加电场的状况 分两种状况来看： 1. 没有 外加电场 的状况 2. 有 外加电场 的状况 2011-3-27 17 (1) 分散(Diffusion) 分散 ：在气体中电离粒子的密度是 不均匀 的 ， 原电离处密度大 。 因为其 密度梯度 而构成的离子 、电子的 定向运动 叫 分散 。 由气体动力学，可得到分散方程： j D n  电子或离子粒子流密度 电子或离子的 分散系数 电子或离子的 密度梯度 2011-3-27 18 若电离粒子的速度恪守 麦克斯韦 散布，则分散系数 D 与电离粒子的凌乱运动的 均匀速度 之间的联系为： v13D v   电子 的 均匀自在程 和 乱运动的均匀速度 都比 离子 的 大  因而其 分散系数 比离子的 大  因而电子的 分散效应 比离子的 严峻  分散效应对电子的 搜集 影响不大，但对电离产生位臵信息 确实定有必定影响 , , ,2orxy zDt  跟着时刻的推移，将分散为空间高斯散布 均匀自在程 2011-3-27 19 (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磕碰时 ， 正离子与分子中的一个电子结组成 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 中比较显着。  后边在评论G G- - M 管 时会用到。 2011-3-27 20 (3) 电子的吸赞同负离子的构成 吸附 ： 电子 在运动进程中与 气体分子磕碰 时或许被气体分子 抓获 ， 构成 负离子 ， 这种现象称之为 吸附效应 。 Electron attachment e - Negative ion 2011-3-27 21 负电性气体： 例如O 2 、H 2 O 的h10 -4 ，卤素达h10 -3 非负电性气体： h 小(h 10 -6 ) 的气体：惰性气体、H 2 、N 2 、CH 4 、多原子分子气体。 在与气体分子产生的 每次磕碰 中，电子都有或许被抓获 ，这个 概率 称为该气体的 吸附系数 h h 。 h 大(h 10 -5 ) 的气体称为 负电性气体 。   判别一下： 电子的吸附现象对气体勘探器产生的是 正面 or 负面 影响？  电子被抓获构成负离子，很简单和正离子产生 复合效应 ， 削弱电离的效果 ， 因而是 晦气 的。  气体勘探器的作业气体应尽量挑选吸附系数小 的气体。 2011-3-27 22 (4) 复合(Recombination) 有两个进程： ① 电子 与 正离子 ② 负离子 与 正离子 它们相遇时或许 复组成中性 的原子或分子 。 Recombination e - ＋ ＋ ＋ ＋ 2011-3-27 23 n nn nt t          为 复合系数 复合引起的离子对数意图丢失率：  一旦构成了负离子 ， 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 ） 。 电子和离子的复合系数 气体 电子复合系数  e e (cm 3 3 /s) 离子复合系数  i i (cm 3 3 /s) H H 2 2 5.9  10   11 1.5  10  6 6 He 1.7  10  8 8 N N 2 2 1.4  10  6 6 O O 2 2 2.7  10  7 7 1.6  10  6 6 Ar 8.8  10  7 7 CO 2 2 1.6  10  6 6 空气 1.5  10  6 6 2011-3-27 24  复合的结果是把许多有用信号给复合掉 （ 载流子削减 ）  使有用的信号削减 （ 起伏下降 、 计算性变差 ）  因而 ， 复合现象在勘探器正常作业中 应尽量防止 外加电场能够按捺复合效应 2011-3-27 25 离子和电子在外加电场中的漂移  离子和电子，因为热运动和空间散布不均匀：  分散  在外加电场下：  沿电场方向产生 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 ” . 2. 存在外加电场的状况 2011-3-27 26 EuP 2 1 32 2Mv kT 关于离子：  在存在电场的状况下，两次磕碰之间离子从电场取得的能量 又会在磕碰中丢失 ，离子的能量 堆集不起来 。  离子的均匀动能与没有电场的状况类似，为： 离子 漂移速度 离子的 迁移率 约化场强 电场强度 气体压强 2011-3-27 27 离子的迁移率可表明为： 02eMvM 为离子质量；   0 为离子在气体中单位气压下的自在程； 为乱运动的均匀速度。 v因为离子的均匀动能根本上不随电场而改变，则 近似为常数，这样 离子的迁移率近似为常数 。 v假定： . 1. 离子在电场方向上的 漂移速度远小于乱运动的速度 。 . 2. 两次磕碰间离子从电场取得的能量在 磕碰时悉数传给 了气体原子； . 3. 磕碰后离子的运动取向为 各向同性 ，即漂移速度为0 0 。 2011-3-27 28 关于自在电子：  电子与气体原子产生弹性磕碰时，每次 丢失的能量很小  因而，电子在两次磕碰中由外电场加快的 能量可堆集 起来  直到使它的弹性磕碰能量 丢失 和磕碰间从电场 取得 的能量 持平 ，或产生 非弹性磕碰 停止 21 32 2e emv kT   抵达平衡状况时，即丢失能量等于从电场取得的能量时，电子的均匀能量为: :   称为电子温度，是场强的函数。 2011-3-27 29   eEu fP电子的 漂移速度 与 约化场强不成正比 ， 可用函数表明： 这个函数联系均由 试验测定 ，一般给出的是试验曲线%V cmmmHgEP   u e (cm/   s) 30% 20% 10% 5.3% 2.1% 66ppm 纯 纯Ar 2011-3-27 30 (1) 电子漂移速度 一般为： 610cms离子漂移速度 一般为： 310cms(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参加 少数 多原子分子气体（如CO 2 、H 2 O 等）时，电子的漂移速度有很大的添加。 重要特色：电子与离子漂移的差异 2011-3-27 31 三 三. 气体放电 载流子“增多” 雪崩 (avalanche) 电子在气体中的 磕碰电离 进程。 产生雪崩的阈值电场：E T ~10 6 V/m Ee 电离产生的电子（除了 电子 ）能量较低，无法再构成电离。 当存在外加电场时，电子将从电场中不断地取得能量。 跟着电场强度的添加，电子取得的能量也在添加。 弹性磕碰 激起 电离。 2011-3-27 32 能“触发”雪崩的其它要素 要完成雪崩效应，需求具有哪些条件？ 1. 满足强的电场 2. 自在电子 电离 产生的电子 二次电子发射 ： 雪崩区产生的 正离子 经过 ~10  3 3 s s 抵达器壁， 并或许在器壁上打出 二次电子 。 二次电子又能够引起新的雪崩。 光子的效果 ： 雪崩构成很多的电离和很多的激起， ~10  6 6 s ; 伴跟着雪崩进程，退激起生很多的光子。 光子与气体和器壁效果，打出 光电子 ， ~10  7 7 s s ； 光电子又能够引起新的雪崩。 2011-3-27 33 气体扩大 自我克制放电： 经过光子的效果和二次电子发射，雪崩 持续 开展。 非自我克制放电： 雪崩从产生到完毕，只产生 一次 。 2011-3-27 34 小结：气体中离子与电子的运动 0/ N E w 计算性  N1. 没有外加电场 2. 有外加电场 E电场强度增大 ENN计算性   计算性 ？ ？ 计算性    ？ ？ or 光致电离 二次电子发射 N重带电粒子 分散 电子复合 吸附 离子复合 假如电压持续进步，电场强度再增大，会怎样？ ？ 雪崩 法诺散布 2011-3-27 35 I 复合区 II ...