* 阈值 * 膜的形状、巨细，GEM的扩大倍数 扩大倍数可达105 * GEM的运用 高分辩率的二维信息获取（好于100μm） 高的计数率（

　　106 cps/mm2） 首要在粒子物理、天体物理试验中得到了运用。 最近几年，有人开端研讨运用GEM勘探器来丈量热中子。 现在，对这方面的研讨还处于初步阶段，关于中子勘探介质的挑选，充气成分、气压与扩大进程之间的联系，信号的读出方法等环节还存在很大的研讨空间。 * §8 气体电离勘探器 √ §8.1 气体中离子与电子的运动规则 §8.2 电离室的作业机制和输出回路 §8.3 脉冲电离室 §8.4 累计电离室 §8.5 正比计数器 §8.6 G-M计数管 * §8.6 G-M计数管 G-M计数管是由盖革(Geiger)和米勒(Mueller) 1928年创造的一种运用自我克制放电的气体电离勘探器。 G-M管的特色: 制作简略 价格便宜 运用方便 活络度高 输出电荷量大 死时刻长 仅能用于计数 Johannes Wilhelm Geiger (1882 - 1945) * §8.6 G-M计数管 非自熄G-M管的作业机制 有机自熄管的作业机制 卤素自熄管的作业机制 自熄G-M管的输出信号 自熄G-M管的功能 自熄G-M管的结构与典型运用 * 一. 非自熄G-M管的作业机制 正离子鞘的构成及自我克制放电进程 因为光子反响进程的存在，气体扩大倍数为： 在正比计数器中，光子反响和正离子反响的效果极弱小，因而，经一次雪崩今后增殖进程即行中止，且雪崩只限于部分的区域，对一个初始电子仅展宽 200?m左右。 但在G-M计数管中，光子反响和离子反响就成为首要的进程 以光子反响为例，一般条件下， ，当 时， * G-M管的自我克制放电进程能够分化为下列环节： ①初始电离及磕碰电离进程：电子加快产生磕碰电离构成电子潮－雪崩进程。 ② 放电传达：Ar*放出的紫外光子打到阴极上并打出次电子（光子反响）。 气体放电敏捷广泛整个管子，正离子围住整个阳极丝，并逐步加厚构成正离子鞘。因为正离子鞘的构成，使阳极丝邻近的电场削弱，使放电中止。 电子很快被阳极搜集，该进程构成“电子电流”。 * 进程之一 这些进程均产生在榜首次正离子漂移快完毕时，在阴极新产生的电子又向阳极漂移，引起新的雪崩，然后在外回路构成第二个脉冲。如此循环往复，即自我克制放电进程。所以称为非自熄G-M计数管。 ③ 正离子鞘向阴极漂移进程：构成“离子电流”，是构成输出脉冲的首要奉献。 ④ 正离子在阴极外表的电荷中和进程（离子反响）： 距阴极5×10-8cm曾经 进程之二 * 怎样完结自熄？ External quenching：改动作业高压 在脉冲产生后，下降作业高压，使倍增条件不具有，持续时刻应该包含： 离子由正离子鞘漂移到阴极的时刻：～几百μs 阴极产生的自在电子运动到阳极的时刻： ～μs Internal quenching：添加猝熄气体 有机自熄G-M管 卤素自熄G-M管 例如：能够在外电路选用一个大的电阻(R～108Ω) 时刻常数：～ms，满意自熄要求 但也需求几个ms来使阳极康复到正常作业状况：低计数率 * 二. 有机自熄管的作业机制 在作业气体中参加少数有机气体M(多原子分子气体，又称猝熄气体)，构成的G-M管。 例如，90％的氩气(Ar)和10％的酒精(C2H5OH)。 这样的G-M管具有自熄才干，称为有机自熄G-M管，或简称为有机管。 什么是有机自熄管？ * 有机分子起了什么效果？ 阻断光子反响： 有机分子气体M能够激烈吸收Ar*宣布的紫外光构成M* 这使得Ar*宣布的紫外光打不到阴极上，然后阻断了光子反响进程； 有机分子能够阻断反响进程！ 阻断离子反响： 在正离子鞘向阴极漂移进程中，氩离子Ar+与有机分子M 产生充沛的电荷交流，抵达阴极外表时均为有机分子离子M+； 当M+与阴极上的电子中和时，除战胜电子在中和时需战胜的逸出功外，剩余能量使有机分子处于激起态M*，M*首要以超前离解退激，阻断了离子反响进程。 * 有机管的作业机制可概括为： ① 初始电离及磕碰电离进程：电子加快产生磕碰电离构成电子潮－雪崩进程。 ② 放电传达：Ar*放出的紫外光子被有机气体分子吸收，即： 有机气体分子激烈吸收Ar*放出的紫外光子，在沿丝极很小规划内产生电离进程。放电沿阳极丝向两头传达，一起，正离子鞘也沿阳极丝向两头构成，其成果是使放电中止。 * 放电的传达进程 * ratio of double to single pulses * ③ 正离子鞘向阴极漂移进程：在正离子鞘向阴极漂移进程中，完结充沛的电荷交流, 抵达阴极时正离子均由有机气体离子M+组成。 酒精的电离电位： 例如： Ar的电离电位： Ar的激起态能级： * ④ 正离子在阴极外表的行为： 有机气体离子在阴极的电荷中和进程为： M*产生超前离解，按捺了离子反响进程 处于激起态的有机分子的超前离解进程的均匀寿数为10-13s 而退激进程的均匀寿数为10-8s 不会再引起新的雪崩，使放电进程平息，所以能够称为自熄G-M计数管。 * 有机管的问题是什么？ 有机气体具有丰厚的激起能级 将产生很多有机分子的分化 1. 作业电压较高： 2. 寿数较短： 电子能量难于堆集 为在两次磕碰中能堆集满意的能量抵达氩或有机分子的电离电位 须加满意高的作业电压 有机管的寿数一般为107～108计数。 分化产品添加 有机管作业进程中 有机管失效 使初始充入的有机分子数目变少 管内气压逐步增大 * 三. 卤素自熄管的作业机制 作业气体组成：氖气(Ne)为首要作业气体，并在其间参加微量卤素气体(如0.5％～1％的Br2) 。 什么是卤素自熄管？ 氟、氯：化学性质太生动 碘：蒸汽压太低 微量Br2：过多则不能完结低阈压 Ne的电离能 Ne的亚稳态能量 Ne的榜首激起态能量 Br2的电离能 在纯Ne中，雪崩不易完结，需很高电压！ 榜首类非弹性磕碰 微量 亚稳态易于构成： 构成之前很少因非弹性磕碰丢掉能量丢掉； 可在多个自在程内完结，低阈压 第二类非弹性磕碰 电离 雪崩，电子潮 * 卤素管的作业机制可概括为： ① 初始电离及磕碰电离进程：电离进程靠Ne的亚稳态原子的中介效果构成电子潮。 这类磕碰称为第二类非弹性磕碰，其磕碰截面很大，即便对微量的Br2，在Ne?生成的10-8s内就能够与Br2产生磕碰而产生新的电子。 * ② 放电传达由处于激起态的氖原子退激宣布的光子在阴极打出次电子或被Br2吸收，使之电离而产生新的电子。 正离子鞘由 Br2+组成。 ③ 正离子鞘向阴极漂移进程：正离子鞘向阴极漂移，抵达阴极的是Br2+ ④Br2+在阴极外表与电子中和超前离解而自熄。 * 卤素管的特色： 磕碰电离中NeΔ的中介效果。电子能量不需加快到氖的电离电位，在电子能量抵达Ne的亚稳态能量前很少产生非弹性磕碰，电子能量简单堆集。 不过，当Br2含量添加，电子在能量抵达Ne的亚稳态能量前就与Br2分子的非弹性磕碰(激起)则变得重要，低阈压的特色不再存在。 ② 较低阈压 ① 主动猝熄，Br2*的超前离解。 * ③ 寿数较长：Br原子的复合。 ④ 放电区域较大 卤素管能够在较弱的场强下即可产生雪崩进程，因而电子漂移对输出脉冲起伏奉献较大，输出回路不只参加输出信号的构成，还参加放电进程的中止。 ⑤ 卤素为负电性气体，影响卤素计数管的特性，尤其是坪特性曲线。有机管的坪特性好些。 * 四. 自熄G-M管的输出信号 自熄G-M计数管输出脉冲形状与正比计数管无显着差异。初始雪崩和放电进程所需的时刻一般短于 1?s。放电所产生的电子电流在零点几微秒内被搜集，而在阳极丝周围留下正离子鞘。 和正比计数器相同，输出脉冲由两个部分组成：起先的相应于电子搜集的快上升部分和今后的相应于正离子漂移期间的缓慢上升部分。 * 若输出回路的时刻常数选为无限大，输出脉冲起伏抵达最大值就需求悉数的离子搜集时刻； 实践上，常选用短于100?s的时刻常数，就会大大缩短输出脉冲的慢上升部分，只留下快前沿。当然，脉冲起伏会有所减小。 * 时滞：在气体中生成榜首个离子对的时刻与榜首个雪崩的时刻存在着推迟，而且推迟时刻与榜首个离子对生成的方位有关。其不同约为0.1～0.4微秒，会导致这一量级时刻丈量的不准确性。 时刻分辩本领：G-M管的时刻分辩本领为微秒量级，采纳特别办法后可抵达10-7秒左右。 * 与正比计数器的差异 正比计数器 G-M管 输出信号的起伏 正比于入射粒子的能量 与能量无关 用处 可用来测能谱 只能用于计数 * 五. 自熄G-M管的功能 G-M管的功能由计数管的丝极a，阴极与丝极之比b/a、作业气体的组成与压力等要素决议，首要功能如下： 1. 坪特性曲线——入射粒子流强度必定的条件下，计数率随作业电压的改变联系。 从坪特性曲线的成因剖析可得到曲线的前面部分与计数单元电路的鉴别阈有关。 * 坪特性曲线. 坪长 VB－VA 3. 坪斜 接连放电（电晕放电、不能自熄） 为防止损坏G-M管，请敏捷下降高压！ * 坪斜的成因： ② 随作业电压的增高，负电性气体的电子开释概率添加。 ③ 随作业电压的增高，活络体积增大。 ④ 随作业电压的增高，结构的尖端放电添加。 ① 随作业电压的增高，正离子鞘电荷量添加，猝熄不完善的或许性添加。 典型目标： 有机管：VA ＝ 1000V，(VB-VA)＝200V，坪斜＝5％/100V 卤素管：VA ＝ 400V，(VB-VA)＝100V，坪斜＝10％/100V * 2. 勘探功率 对用于带电粒子勘探的钟罩型G-M管，只需入射粒子进入活络体积，其勘探功率可挨近100％。 对用于勘探?射线的圆柱型G-M管，仅当次电子进入活络体积才干引起计数，其勘探功率仅～1％。 * 关于对γ的勘探功率 设别离用τ，σ，K来代表光电、康普顿散射、电子对效应（若射线的能量满意的话）的反响截面，Rτ ，Rσ，RK别离标明各自产生的次级电子在管壁材猜中的最大射程。 疏忽γ射线在管壁中的衰减，则： 则γ经过前半部管壁后产生光电子并能进入活络体积的概率为： 康普顿电子的概率近似为 电子对效应产生能进入活络体积的次电子的概率是 计数管对γ总的勘探功率为： 考虑：管璧资料怎么挑选，有利于勘探功率的进步？ * 3. 自熄GM管的“死时刻”、“康复时刻”及丈量设备的“分辩时刻” 康复时刻te：从死时刻到正离子被阴极搜集，输出脉冲康复到正常的时刻。 死时刻td：随正离子鞘向阴极漂移导致电场屏蔽的削弱，电子又能够在阳极邻近产生雪崩的时刻。 分辩时刻tf：从“0”到第二个脉冲超越鉴别阈的时刻，与鉴别阈的巨细有关。 * §8 气体电离勘探器 √ §8.1 气体中离子与电子的运动规则 §8.2 电离室的作业机制和输出回路 §8.3 脉冲电离室 §8.4 累计电离室 §8.5 正比计数器 §8.6 G-M计数管 * §8.5 正比计数器 运用磕碰电离将入射粒子直接产生的电离效应进行扩大了，使得正比计数器的输出信号起伏比脉冲电离室显着增大。 正比计数器归于非自我克制放电的气体电离勘探器。 * §8.5 正比计数器 正比计数器的作业原理 正比计数器的输出信号 正比计数器的功能 正比计数器的运用 GEM勘探器 * 一. 正比计数器的作业原理 1. 正比计数器的结构特色 结构上有必要满意完结磕碰电离的需求——存在强电场。 在一个大气压下，电子在气体中的自在程约 10-3～10-4cm，气体的电离电位～20eV。要使电子在一个自在程就抵达电离电位，场强须

　　104V/cm。 为抵达这一要求，一般选用非均匀电场，以圆柱型为主。 * 规划思维：运用圆柱形电场的特色在中心丝极邻近会产生小规划的强电场区域。 距中心为r的场强： 例如：V=1000V, a=0.002cm, b=1cm时， E(r =0.02cm)=8?103V/cm ; E(r =0.005cm)=3.23?104V/cm 。 * 由： 在r＝b时场强最小，r＝a时场强最大。 关于一个确认的正比计数器，只需当作业电压V

　　VT 时，才作业于正比计数器作业区，不然作业于电离室区。 界说 VT 称为正比计数器的开端电压(阈压) * 当V 0

　　VT 时，仅在 r0～a 区间内产生磕碰电离。 r0很小，与a是同一量级，这样入射粒子在 r0 内产生电离的或许性很小，能够疏忽。 不同方位射入的入射粒子所产生的电离效应在正比计数器中都饱尝相同的气体扩大进程，都有同一个气体扩大倍数。 正比计数器输出信号首要由正离子漂移奉献。 雪崩区域：a~r0 电子漂移过的电位差 * 磕碰电离只需电子才干完结（离子为什么不可？）。 当电子抵达距丝极必定距离 r0 之后，经过磕碰电离进程，电子的数目不断增殖，这个进程称为气体扩大进程，又称电子雪崩 ( electron avalanche )。 2. 磕碰电离与气体扩大 界说：气体扩大倍数 * Townsend Coefficient α: the first Townsend coefficient * 假定： (2) 近似以为电子的能量便是电子在两次磕碰间从电场取得的能量。 可得到联系 (1) 产生磕碰电离的截面正比于电子的动能，即 当电压满意高，即V0/VT

　　1时， * 定论（关于气体扩大倍数） (2) A仅与V0，VT有关，与入射粒子的方位无关。 (1) lnA∝V0，在半对数座标图上近似为直线. 气体扩大进程中的光子效果——光子反响 在电子与气体分子的磕碰中： 不只能产生磕碰电离 一起也能产生磕碰激起。 气体分子在退激时会宣布紫外光子，其能量一般大于阴极资料的外表逸出功 紫外光子在阴极打出次电子。次电子能够在电场的加快产生磕碰电离。这个进程称为光子反响。 * 界说：光子反响概率?， 为 每个抵达阳极的电子经过光子反响又在阴极打出一个次电子的概率。 因为光子反响，使得总扩大倍数添加，为： 当 时， * 关于光子反响的影响，留意两点： 光子反响很快： 光子反响的进程(10-9s)远快于电子的漂移进程(10-6s)，对信号的构成而言，在时刻上是一起事情。 (2) 多原子气体分子的效果： 参加少数的多原子分子气体M，它能够激烈吸收气体分子退激所宣布的紫外光子而处于激起态M*，它不再宣布光子而是分化为几个小分子(超前分化)退激。这样能够阻挠紫外光子打到阴极而减小光子反响，使lnA∝V0曲线. 气体扩大进程中正离子的效果 中止电子倍增进程： 离子漂移速度慢，在电子漂移、磕碰电离等进程中，能够以为正离子根本没动，构成空间电荷，处于阳极丝邻近，会影响邻近区域的电场，使电场强度变弱，影响电子雪崩进程的进行。 再次触发电子倍增： 正离子漂移抵达阴极，与阴极外表的感应电荷中和时有必定概率产生次电子，产生新的电子雪崩进程，称为离子反响；也能够经过参加少数多原子分子气体阻断离子反响。 * 雪崩放电区域的巨细 * 二. 正比计数器的输出信号 假定： (1) A

　　1。即疏忽初始电离的离子对对输出信号的奉献。 (2) 悉数输出信号均为正离子由阳极外表向阴极漂移而在外回路流过的感应电荷。 因为r0很小，以致电子在阴极的感应电荷很小，而能够疏忽电子对输出信号的奉献。 * 得到总电流： 其间 仅取决于结构、作业气体及作业电压等。 则 * 因为?很小，所以电流随时刻而敏捷下降。 * 电压脉冲信号与输出回路时刻常数的选取有关，与粒子入射方位无关。 式中f(t)为仅与R0C0和?有关的时刻函数 与入射粒子的方位无关 R0C0 高计数率：分辩时刻(μs) 能量丈量 回忆一下：电子脉冲电离室、离子脉冲电离室，圆柱形电子电离室、屏栅电离室的特色？ * 定论（输出信号） (1) 电流脉冲I(t)的形状必定，与入射粒子的方位无关；输出电压脉冲为定前沿脉冲。 (2) 因为?～10-8s，即便t～100?，也便是输出电流降为初始的约1/100,也仅需求?s量级，能够取得快的呼应时刻特性。 (3) 当R0C0

　　T＋时，取得最大输出脉冲起伏ANe/C0，但不论选取什么R0C0的值，电压脉冲起伏均正比于ANe。因而可挑选小的输出回路时刻常数，取得好的分辩时刻。 * 三. 正比计数器的功能 1. 输出脉冲起伏与能量分辩率 输出脉冲起伏： 输出脉冲起伏的涨落是一个二级串级型随机变量： 试验标明 ，所以，能量分辩率 * 影响正比计数器能量分辩率的其它要素 ① 阳极丝的均匀性 使不同区域A不同，故相同能量粒子在不同入射方位产生信号的巨细不同。 ② 负电性气体的存在 使一些初级电子消失，影响输出脉冲起伏。 ③ 结尾效应和室壁效应 入射粒子能量未彻底丢掉在活络体积。 ④ 电子学体系的影响 扩大器噪声等的影响。 * 分辩时刻(死时刻) ? 首要由输出脉冲的宽度决议。脉冲越宽，死时刻越大。 3. 分辩时刻(死时刻)?和计数率批改 在死时刻 ? 内再产生的脉冲不会被记载，然后会构成计数的丢掉，为此有必要考虑计数率的批改。 正比计数器的死时刻归于可扩展型的。 因为正比计数器的雪崩进程仅在丝极的部分产生，因而在一个雪崩进行的进程中，仍会有其它雪崩在不同方位产生的或许。这样，在榜首个信号脉冲后?内又来第二个脉冲，第二个脉冲又将跟从一个? ，在此刻刻内产生的脉冲仍不被记载。 * 正比计数器可扩展的死时刻 入射事情 死时刻 勘探器呼应 * 两个相邻脉冲的时刻距离是一个接连型随机变量。关于均匀计数率为m的相邻两脉冲的时刻距离小于? 的概率为： 与前一信号之时刻距离小于? 的脉冲将不被记载，由此，单位时刻内因为分辩时刻影响而丢掉的计数率为： 实践丈量到的计数率为： 当： 可得到： * 4. 时滞与时刻分辩本领 时滞 初始电子由产生处漂移到阳极邻近所需的时刻：～微秒量级 时刻分辩本领 因为初始电子产生方位的随机性，因而时滞也具有随机性。然后约束了正比计数器对时刻的丈量精度，即时刻分辩本领。 时刻分辩本领～微秒量级。 * 四. 正比计数器的运用 1. 能量丈量——正比谱仪 入射带电粒子的能量悉数丢掉载正比计数器的活络体积内，则输出脉冲的电荷量正比于入射粒子的能量。 适于丈量低能粒子：例如氚的β能谱(Eβmax=8.9keV)。 样品能够以气体方法引进正比计数器内。防止源的自吸收和衬托物的反散射：14C的丈量（14CO2） 作业介质是气体，阻挠本领小，难以确保使高能粒子悉数能量丢掉在活络体积中。 添加气体压力 沿阴极丝方向加一纵向磁场 正比谱仪示意图 * 2. 正比计数器在强度丈量方面的运用 4π正比计数器的结构 4π立体角内的宣布的悉数带电粒子都能在上半或下半部计数器输出信号。 可用于对活度的肯定丈量，精度可达0.5% * 3. 单丝方位活络正比计数器 特色：阳极丝为高阻丝。由分流不同而确认粒子入射方位。 单丝方位活络正比计数器作业原理 单丝正比管输出信号等效线. 多丝正比室 Nobel prize to G. Charpak awarded in 1992 for his invention and development of particle detectors, in particular the multiwire proportional chamber 阳极由多根平行的细丝组成，丝距～1mm 一组阳极：高阻阳极丝确认X，Y 二组正交阳极：低阻阳极丝确认X，Y 阴极为两片平行的平板（也可加工为正交的微条） 方位活络度抵达mm量级，分辩时刻～μs，计数率

　　105CPS为粒子物理等作出巨大奉献 * 五. GEM勘探器 GEM： Gas Electron Multiplier 气体电子倍增器 70 μm 55 μm F. Sauli于1997年提出 TYPICAL GEM: 50 μm Kapton 5 μm Copper 70 μm holes at 140 μm pitch * 关于电离室谱仪，扩大器输出的脉冲起伏为： 其间，A为扩大器的扩大倍数，是一个接连型随机变量。 则： * 考虑到扩大器的噪声对输出起伏涨落的影响是叠加的联系，即： 起伏均匀值为： 其相对均方涨落： 其间 ，为扩大器的信噪比. 电离室输出脉冲起伏 扩大器噪声折合到输入端的信号起伏 * 归纳考虑扩大器扩大倍数A的涨落，扩大器噪声的影响，则电离室谱仪扩大器输出信号的相对均方涨落为： 要使剖析器道宽影响不超越1/100，FWHM内须不少于6～7道。 起伏剖析器的道宽对能量分辩率也有影响， * 2. 脉冲电离室的饱满特性曲线 ----脉冲起伏h与电离室作业电压V0的联系 影响要素：离子和电子的复合或分散效应。 饱满区斜率的原因： 随作业电压的升高而使 活络体积添加 负离子的开释 饱满特性曲线 饱满电压 作业高压

　　饱满电压 * 3. 脉冲电离室的坪特性曲线 当输出脉冲起伏饱满后，计数率不再随作业电压而改变，称坪特性曲线。 入射粒子束流强度不变 入射粒子的能量不变 V0 n 鉴别阈h1

　　h2

　　h3 h1 h2 h3 V1 ----电离室的计数率与作业电压的联系 * 4. 勘探功率 界说1：肯定勘探功率(absolute detection efficiency) 对γ、中子等中性粒子： 则取决于与介质效果产生次级带电粒子的彼此效果截面，以及次级带电粒子能否进入活络体积。 原因：有一部分起伏低于鉴别阈的信号脉冲未被记载下来 带电粒子或许只在活络体积内丢掉一部分能量。 电离进程是涨落的。 对带电粒子 界说2：本征勘探功率(intrinsic detection efficiency) * 5. 时刻特性――常用三种目标 分辩时刻 ——能分辩开两个相继入射粒子间的最小时刻距离。 首要取决于输出回路参数的挑选和扩大器的时刻常数的巨细。 时滞 ——入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的时刻差。 时刻分辩本领 ——由勘探器输出脉冲来确认入射粒子入射时刻的精度。 * §8 气体电离勘探器 √ §8.1 气体中离子与电子的运动规则 §8.2 电离室的作业机制和输出回路 §8.3 脉冲电离室 §8.4 累计电离室 §8.5 正比计数器 §8.6 G-M计数管 * §8.4 累计电离室 当电离室的输出信号是反映很多入射粒子的均匀电离效应时，称作电流作业状况或累计作业状况。 此刻电离室称作“累计电离室”或“电流电离室”。 设入射粒子在电离室活络体积内遍地单位时刻、单位体积内安稳地产生n0(x,y,z)对离子对。则在活络体积内单位时刻的总离子对数为 安稳状况下，输出直流电流信号是： * 累计电离室的输出信号 累计电离室输出信号的涨落 累计电离室的首要功能 累计电离室的运用 * 一. 累计电离室的输出信号 输出信号能够是： 直流电流(相当于回路中接入内阻极小的电流计，即RL = 0) 或直流电压(在输出回路上的积分电压)信号。 若单位时刻内射入电离室活络体积内的带电粒子的均匀值为 ，每个入射带电粒子均匀在活络体积内产生 个离子对，则电流电离室输出电流信号的均匀值为： 输出直流电压信号 * 二. 累计电离室输出信号的涨落 假定，每一对离子产生后将立即便勘探器产生一输出信号： 若单位时刻内射入电离室活络体积内的带电粒子的均匀值为 ，每个入射带电粒子均匀在活络体积内产生 个离子对，而且这两个值均不随时刻改变。 * 这样，在任一时刻 t ，勘探器的总输出信号是此刻刻曾经在勘探器内产生的各个离子对所产生信号在此刻的所取值的叠加。 * 用?M标明在t曾经的?与?＋??距离内入射粒子流在勘探器内产生的离子对数。 这些离子对的信号经过? 时刻抵达 t 时刻的信号为： t 时刻的总信号St 应当是 t 曾经(?由0??)产生的离子对在 t 时刻的信号的总和，即： * ?M是t曾经的?与?＋??距离内的?n个入射粒子别离在勘探器内产生的离子对数Ni 的总和。这样，?M显然是由?n及N串级而成的串级型随机变量。 ?M均匀值为： ?M方差为： * ?M方差为： ?n恪守泊松散布： N恪遵法诺散布： * 因为 ，而且，不同??内 产生的?M是彼此独立的。因而， St的均匀值为： 令： * 下面剖析 St的相对均方涨落 因为独立随机变量和的方差是各方差的和。 有： 所以： * 则 St的相对均方涨落为： 从式子能够看出，粒子入射勘探器后产生的离子对数N的涨落关于累计信号的相对均方涨落的影响很小。累计信号的相对均方涨落首要决议于入射粒子数的涨落。 * 当近似用宽度为T的矩形脉冲代表一对离子所产生的电流信号 f(?)， 求输出电流信号及其相对均方涨落。 则： 则，输出电流信号均匀值为： 输出电流信号相对均方涨落为： * 当RL?0时，在输出端输出一向流电压信号，一个离子对漂移在输出回路所产生的电压信号近似为一指数衰减信号： 则： * 则，输出电压信号均匀值为： 输出电压信号相对均方涨落为： * 这样，累计电离室作业状况要求其输出电流或电压信号的相对均方涨落要远小于“1”。 即： 电流脉冲宽度要远大于入射粒子均匀时刻距离 输出回路的时刻常数要远大于入射粒子均匀时刻距离 * 累计作业状况的物理含义为： 入射粒子流强度满意大，以致在R0C0 时刻内的入射粒子数远大于1； 或强到在离子搜集时刻 T 内就有很多粒子入射，即便R0C0 =0， I0(t) 也反映了很多粒子的均匀电离效应。 这两种状况下，电离室均作业于累计电离室作业状况。 * 小结 (脉冲与累计电离室) (1) “脉冲电离室”与“累计电离室”仅是电离室的两种作业状况，由入射粒子流的强度及输出回路的时刻常数决议。电离室结构并无实质不同。 (2) 当 时， ，即输出电流的涨落很小，输出为直流电流信号； 当 时， ，即输出电压的涨落很小，输出为直流电压信号。 * 三. 累计电离室的首要功能 与脉冲电离室相同具有饱满特性曲线，一般作业于饱满区。还有一些特性不同于脉冲电离室： 1. 活络度 影响活络度的要素有电离室的结构、气体压力和组分、入射粒子的类型和能量等。 单位入射粒子流强度引起的电离室输出信号电流或电压起伏： * 2. 线性规划 只需电离室作业在饱满区，则信号电流与入射粒子流强度必定成正比联系，即线性联系。 可是，当入射粒子流强度增大时，饱满电压将进步。一旦当入射粒子流强度大到使饱满电压超越了本来选好的作业电压 V0时，电离室将不再作业于饱满区，信号电流将比预期值小。即呈现非线性。 必定作业电压下，输出信号的起伏与入射粒子流强度的坚持线性联系的规划(一般用辐射强度的规划标明) 。 * * 3. 呼应时刻 对电流信号，其滞后时刻将最大为离子搜集时刻T。T便是累计电离室电流信号的呼应时刻。 对电压信号，它跟从辐射强度改变的呼应时刻首要决议于电离室输出回路的时刻常数R0C0值。 对t = 0时的阶跃改变，输出电压为： 一般需求5～7R0C0才干抵达平衡。 反映当入射粒子流强度产生改变时，输出信号的改变规则。 * 4. 能量呼应 一般状况下，期望活络度与辐射能量无关，即相同的照耀量率不因辐射能量不同而构成不同的输出。 即活络度随入射粒子能量而改变的联系。 * 四.累计电离室的运用 累计电离室的运用比脉冲电离室更为广泛，特别是充入高压作业气体的累计电离室，活络度高、功能安稳牢靠、作业寿数长。 因为其具有非常杰出的接受恶劣作业环境影响的才干，所以，在工业上可运用于核辐射密度计、厚度计、料位计、水分计、核子秤等。 累计电离室还可运用于剂量丈量、反响堆监测等方面。 * 对低能粒子丈量的问题？ 运用脉冲电离室对低能粒子丈量时，因为扩大器噪声的存在，信噪比很小，丈量难于进行。 假如能够对电离信号进行扩大，能够进步信噪比，这样就能够对低能粒子（如100keV以下的X射线）进行丈量了： 正比计数器 * 推导进程的物理根底： ① 电源电动势所做的功率W(t) ④ 输出回路中耗费的功率WO(t) ③ C1的储能产生改变(耗费功率)WC1(t) ② 活络体积内电子－正离子在电场下漂移所耗费的功率We(t) 能量守恒 依据能量守恒： * ①电源功率W(t) ②活络体积内电子－正离子在电场下漂移所耗费的功率 * a极板的电位不再为常数，而为V(t) 电容C1的储能为 能量改变率为： ③ 电容C1的储能产生改变 ④输出回路功率WO(t) * 能量守恒 令： * (A) 因为V(t)

　　v0 称为电离室的总电流信号。 把电离室当作抱负的内阻无限大的电流源，但这是有条件的。而电荷源则是无条件的。 定论： * (b) 电离室能够用电流源i0(t)和c1并联等效。并可得到其输出回路的等效电路 * 3. 电离室的输出电压信号 解微分方程 * (1)当 时，即悉数电子和正离子对输出信号都有奉献。 在t

　　T＋，电子和离子信号均对输出电压信号有奉献。 T＋

　　R0C0

　　T－，只需电子信号对输出电压信号有奉献。 准确丈量入射粒子能量？ 完结高计数率？ 高信噪比？ ? ? ? ? ? ? 怎么得兼？ * 二. 圆柱型电子脉冲电离室和屏栅电离室 1. 圆柱型电子脉冲电离室 * 规划思维：运用圆柱形电场的特色来削减Q－与入射粒子方位的联系，抵达运用“电子脉冲”来丈量能量的意图。 距中心方位为r的场强 电位为 沿轴向调查圆柱形电离室 * 输出脉冲电荷量 输出电压脉冲起伏 定论： 挑选满意大的b/a值，在r0较大时，h(r0)与r0之间的联系就不显着了。 一起因为圆柱形的几许条件，r0小的区域只占很小的一部分体积，大部分入射粒子都在r0较大处产生离子对。 留意：这种作业状况下，中心丝极有必要是阳极。为什么？ 关于大部分入射粒子而言，圆柱形电子脉冲电离室的输出电压脉冲起伏均挨近于： 设悉数离子对在r0处产生，其电位为 电子脉冲电离室必定要满意 * 2. 屏栅电离室（The Gridded Ion Chamber） 屏栅电离室的构成：负极B、正极A、栅极G、电源和负载电阻。 * 入射粒子在a区产生电子离子对。 因为栅极的屏蔽效果，a区的电子离子不会在阳极A上产生感应电荷。 电子在b区漂移时，在阳极A上构成感应电荷。 Q = Ne 结构要求：入射粒子将悉数能量丢掉在a区，即 a

　　R 。 * 屏蔽系数： 栅网参数： 时滞： 上升时刻： * 三. 脉冲电离室输出信号的丈量 1）入射带电粒子的数量； 2）入射带电粒子的能量； 3）确认入射粒子间的时刻联系。 经过对输出脉冲数进行丈量。 经过对输出电压信号的起伏进行丈量。 经过对输出电压信号的时刻进行丈量。 * 脉冲电离室的输出信号需求用电子仪器来丈量。 气体电离室 高压 前置扩大器 扩大器 多道剖析器 单道剖析器 定标器 * 四. 脉冲电离室的功能 1. 脉冲起伏谱与能量分辩率 脉冲电离室常用来丈量带电粒子的能量。 对单能带电粒子，若其悉数能量都损耗在活络体积内，则脉冲电离室输出电压脉冲的起伏反映了单个入射带电粒子能量的巨细。 * 能谱（脉冲起伏谱）是怎样构成的？ 例如：1MeVα粒子构成的能谱。每个α粒子电离产生的离子对数目是随机的，恪守法诺散布，因而外电路构成的电压信号的起伏也是涨落的，然后经过多道剖析器得到的ADC成果也是一个随机数。 1MeVα粒子 随机离子对数 随机电压起伏 ADC成果(随机) 电离效应 电路成型 多道剖析 被勘探到的粒子数编号 1 2 100 计数(率) 道数 * 重要界说：能量分辩率 半宽度 多道丈量的脉冲起伏谱 能量分辩率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辩才干 * 由联系式： 电离室输出脉冲起伏相同恪守高斯散布 电离进程中的屡次磕碰之间并非是彻底独立的 泊松散布 离子对数目恪守高斯散布 离子对数目恪守法诺散布 高斯散布 * 起伏均匀值： 标准偏差： 相对标准偏差： 且有： 能量分辩率为： * 关于能量分辩率的小结 它反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辩才干。能量分辩率越好，则可差异的能量不同也越小。这是谱仪的最首要的目标。 前述的能量分辩率公式是谱仪所能抵达的分辩率的理论极限值。 能量分辩率不或许为0（虽然咱们期望如此），原因在于核算涨落或噪声的必定存在，其来历包含： drift:丈量作业中条件的不安稳。 noise:勘探器或电子学的随机噪声。 statistical:核算涨落 勘探器类型 入射粒子(堆积)的能量 相对 or 肯定？ * 小结：气体中离子与电子的运动 核算性? 1. 没有外加电场 2. 有外加电场 电场强度增大 核算性? 核算性?？ 核算性? ?？ or 光致电离 二次电子发射 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 * I : 复合区 II : 饱满区 III : 正比区 IV: 有限正比区 V: G-M作业区 VI: 接连放电区 * §8 气体电离勘探器 √ §8.1 气体中离子与电子的运动规则 §8.2 电离室的作业机制和输出回路 §8.3 脉冲电离室 §8.4 累计电离室 §8.5 正比计数器 §8.6 G-M计数管 * §8.2 电离室的作业机制与输出回路 电离室的作业方法可分为： 1) 脉冲型作业状况 2) 累计型作业状况 记载单个入射粒子的电离效应，处于这种作业状况的电离室称为：脉冲电离室 记载很多入射粒子均匀电离效应，处于这种作业状况的电离室称为：累计电离室 * 电离室的根本结构 作业气体 输出信号产生的物理进程 电离室的输出回路 * 一. 电离室的根本结构 不同类型的电离室在结构上根本相同。 典型结构有平板型和圆柱型。 高压极(K)：正高压或负高压； 搜集极(C)：与丈量仪器相联的电极，处于与地挨近的电位； 维护极(G)：又称维护环，处于与搜集极相同的电位； 负载电阻(RL)：电流流过期构成电压信号。 均包含： * 平板型电离室 高压极 搜集极 维护极 高压 负载电阻 外壳 绝缘子 活络体积 * 圆柱型电离室 * 活络体积： 由经过搜集极边际的电力线所围住的两电极间的区域。 维护环G的效果： 使活络体积边际处的电场坚持均匀； 若无G，当高压很大时，会有电流经过绝缘子从负载电阻RL上经过，然后产生噪声，即绝缘子的漏电流。 * 二. 作业气体 气体压力：从10-1~10大气压。 充溢电离室内部空间，是电离室的作业介质 应选用电子吸附系数小的气体 如Ar 加少数多原子分子气体CH4。 需求确保气体的成分和压力，所以一般电离室均需求一个密封外壳将电极体系包起来。 但也能够是流气的。 * 三. 输出信号产生的物理进程 榜首步：假定回路中没有负载电阻 极板a上加高压V0，极板a b 间电容量为C1，则两极板的电荷量： 电离室的作业机制是什么？ * 第二步：在电离室内某一点引进一单位正电荷e+ 它将在两极板上别离感应出必定的负电荷，设别离为-q1、-q2 奥-高规则： * 即正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生的感应电荷多。 这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流 i +(t)。 第三步：当e+电荷沿电场向搜集极运动，则上极板a上感应电荷q1削减，下极板b上感应电荷q2添加。且 * 正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为： * 第四步：当正电荷快抵达极板的前一会儿，-q1悉数由a极板经外回路流到b极板，b极板上的感应电荷： 当e+抵达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流完毕，流过外回路的总电荷量为： 考虑：假如在电极之间引进的是负电荷，解释一下整个物理进程。产生的成果是否与正电荷有共同之处？ * 电子(负离子)漂移所引起的正感应电荷在回路中流过的电荷量为： * 假如在电场中同一点引进一负电荷e-，它将在ab两极板上别离感应必定的正电荷，别离为q1和q2。当负电荷沿电场反方向运动时，则a极板上感应电荷q1 添加，而b极板上感应电荷q2削减。整个进程中，流过外回路的总电荷量为： 相应在外回路流过电流为 ，电流方向与 相同。 * 同一点引进正负电荷 当一起在同一方位引进一离子对，则在外回路流经的电流：i(t)= i+(t)+ i –(t) 流过外回路的总电荷量：△q+ +△q- = e * (1)只需当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有电流流过，此刻i(t)= i+(t)+i–(t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在勘探器内部从阳极流向阴极。电荷漂移进程完毕，外回路感应电流消失。当负电荷被搜集后，外回路中就只需正电荷的感应电流。 定论： (2) 当+e、?e电荷在同一方位产生时，它们在极板上的感应电荷量别离相同；+e、?e电荷漂移完毕，流过外回路的总电荷量为e；该电荷量与这一对电荷的产生方位无关。 * (1) 当入射粒子在勘探器活络体积内产生N个离子对，它们均在外加电场效果下漂移，这时，产生的总电流信号是： 引伸定论： (2) 当N个离子对悉数被搜集时，流过外电路的总电荷量为： * 四.电离室的输出回路 输出回路：输出信号电流流过的一切回路。 * 丈量仪器 总电阻 总电容 RL ：负载电阻； C1 ：勘探器电容； R入 ： 丈量仪器输入电阻； C入 ： 丈量仪器输入电容； ：杂散电容； 如, 电缆电容~100pF/m。 * §8 气体电离勘探器 √ §8.1 气体中离子与电子的运动规则 §8.2 电离室的作业机制和输出回路 §8.3 脉冲电离室 §8.4 累计电离室 §8.5 正比计数器 §8.6 G-M计数管 * §8.3 脉冲电离室 电离室处于脉冲作业状况，电离室的输出信号仅反映单个入射粒子的电离效应。能够丈量每个入射粒子的能量、时刻等信息。 以下评论假定： 入射粒子在活络体积中产生N 个离子对 并疏忽分散和复合的影响 而且在信号完毕前，勘探器活络体积内不再有其它入射粒子产生电离。 脉冲电离室的输出信号： 电荷信号 电流信号 电压信号 * 脉冲电离室的输出信号 圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室 脉冲电离室输出信号的丈量 脉冲电离室的功能 * 一. 脉冲电离室的输出信号 电离室是一个抱负的电荷源（其外回路对输出量无影响）。 1. 脉冲电离室的总输出电荷量 电离室活络体积内产生N个离子对并悉数被极板搜集后的总输出电荷量： 这一成果与极板形状、电场散布、输出回路参数无关。 * (1) 负载电阻RL=0的状况 2. 脉冲电离室的输出电流信号 相当于用输入阻抗极小的电流计丈量电离室输出信号的状况。 * 下面来核算电流的巨细： 电源供给功率： 电场对电子－正离子对漂移所做功的功率： 离子、电子在t时刻的空间方位； 正离子、电子在该点的场强； 正离子、电子在该点的漂移速度。 能量守恒 * 求解得到 t 时刻流经外回路的电流 在 t 时刻，活络体积中有N+(t)个正离子和N–(t)个电子，则输出电流： 电离室的本征电流（Intrinsic Current） * 以平板电离室为例： 设离子和电子的漂移速度是常数 而且电子的漂移速度是离子漂移速度的1000倍 均匀电场 t2 为开端有正离子抵达b极板的时刻； 几个重要时刻： t1 为开端有电子抵达a极板的时刻； T– 为电子悉数抵达a极板的时刻； T+ 为正离子悉数抵达b极板的时刻。 离子和电子的初始数目为： * 外回路的电流 * RL≠0的状况 (2) 负载电阻RL≠0的状况 选用一般的具有输入阻抗的丈量设备，输出电压信号。 总电阻 总电容 ① 电源做的功率W(t) ② 活络体积内电子和正离子在电场效果下漂移所耗费的功率We(t) ④输出回路中耗费的功率WO(t) ③ C1的储能产生改变(耗费功率)WC1(t) / 198 第八章 气体电离勘探器 授课教师：丁卫撑 副教授 2012年3月 * 为什么需求勘探器？ 辐射是人无法直接感知的。 有必要凭借电离辐射勘探器来将辐射转换成可观测的信号。 信号类型： 电信号 非电信号 径迹 热释光 照相乳胶 云室 气泡室 运用勘探器，可获取如下信息： 类型(α、β、γ、中子…) 强度(注量率、源强) 能量(662keV、1.33MeV) 时刻特性 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？ 辐射粒子射入“活络体积” 入射粒子与活络体积内的作业介质彼此效果，丢掉能量并构成电离或激起 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 * 在学习各种勘探器时，应把握四方面的内容： 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时怎样的？ 是谁携带了咱们需求的关于射线的信息？ 勘探器输出信号的特色，包含对信号的预算及涨落剖析 勘探器的首要功能 勘探器的典型运用 按勘探介质和效果机制，勘探器可分为： 气体电离勘探器 闪耀体勘探器 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电子 电子－空穴对 * 气体电离勘探器： 以气体为作业介质，由入射粒子在其间产生的电离效应引起输出电信号的勘探器。 依照产生信号的作业机制，可分为：电离室、正比计数器、G-M计数器等。 不断发展 1992年，法国科学家G. Charpak(夏帕克)因创造多丝气体正比室取得诺贝尔物理奖 1997年，Cern的科学家Sauli创造GEM勘探器 BNL的RHIC-STAR试验：MRPC 历史悠久 是最早被运用的射线勘探器 居里配偶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计数器来丈量质子 仍在运用 剂量仪中的G-M计数器 丈量中子的BF3、3He正比计数器 集装箱检测体系的气体电离室勘探器 * §8 气体电离勘探器 §8.1 气体中离子与电子的运动规则 §8.2 电离室的作业机制和输出回路 §8.3 脉冲电离室 §8.4 累计电离室 §8.5 正比计数器 §8.6 G-M计数管 √ * §8.1 气体中离子与电子的运动规则 气体的电离与激起 ——载流子的产生 气体中离子、电子的漂移与分散运动 ——载流子的移动 气体放电 ——载流子的“增多” * 一. 气体的电离与激起（载流子的产生） 电离丢掉的成果： 使气体原子产生激起，不构成电子、离子对，但退激后宣布光子（或许构成光致电离）。 使气体原子产生电离，构成电子、离子对，称之为“原电离”。 原电离有或许产生δ射线（什么是δ射线？）， δ射线能够再次使气体原子构成电离，称为“次电离”。 X射线、中子能够直接被丈量吗？ 不可，需求首要转换为次级电子、重带电粒子 带电粒子在介质中丢掉能量的方法有哪四种？（请回忆第6章） 电离丢掉是带电粒子在气体电离勘探器中的首要反响 * 被激起原子的退激方法 辐射光子——发射波长挨近紫外光的光子 这些光子又或许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 2) 发射俄歇电子 3) 亚稳态原子的退激 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 第二类非弹性磕碰：当处于亚稳态(能量为E亚)的原子与其它激起电位或电离电位低于E亚的气体原子磕碰时，亚稳态原子或许将自己的亚稳态激起能传给它们，构成它们的激起或电离，而自己则回到了基态。 均在10-9秒内完结 升到更高的能级，答应（概率大）跃迁： 榜首类非弹磕碰 吸收光子 ?对载流子的奉献怎么？ * 电离丢掉的成果： 使气体原子产生激起，不构成电子、离子对，但退激后宣布光子（或许构成光致电离）。 使气体原子产生电离，构成电子、离子对，称之为“原电离”。 原电离有或许产生δ射线（什么是δ射线？）， δ射线能够再次使气体原子构成电离，称为“次电离”。 总电离 =原电离+次电离 比电离：单位长度途径内产生的离子对数。 对载流子的首要奉献 * 产生的离子对数目 若能量为E0的入射粒子将能量悉数丢掉在气体介质中时，产生的均匀电子－离子对数为： 电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的均匀能量。 对不同的气体，W大约为30eV 气体 w(?) w(X, ?) w(?) I0(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 O2 32.3?0.1 31.8?0.3 31.5?2 12.5 CH4 29.1?0.1 27.3?0.3 12.8 C2H4 28.03?0.05 26.3?0.3 12.2 空气 34.98?0.05 33.73?0.15 36.0?0.4 重要特性： 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。 能够据此来丈量入射带电粒子的能量。 最低电离电位 * 法诺因子 离子对数的方差 不同气体的法诺因子F介于0.2～0.5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是怎样的散布？ 激起：耗费的能量没有添加N 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 电离（后续还有δ电离）：耗费的能量添加了N，但添加的“价值”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！ * 电离还没有完毕…… 在原电离和次电离之后，电离并没有完毕，还有其它的电离进程： 光致电离： 介质中原子吸收一个光子，放出一个电子而电离。 Cs原子的电离电位最低：3.88eV； 相应的光子波长为3184? ，在紫外区； 紫外光或能量更高的光才干产生光致电离。 紫外光子能量较低，光致电离产生的电子动能很低，一般不能再引起新的电离或激起。 离子反响： 正离子有或许在阴极外表再次产生电子。 * 电离产生的电子在电场中运动还能够再产生电离 电离产生的电子（除了δ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。 电子在电场中的倍增：正比计数器，G-M计数管 榜首类非弹性磕碰：电子的能量高于气体原子的激起能或电离能，在磕碰时使气体原子激起或电离。 * 二. 电子与离子在气体中的运动（载流子的移动） 当不存在外加电场的状况下，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磕碰，会产生以下物理进程： 分散（Diffusion） 电荷转移效应（Charge transfer） 电子吸附（Electron Attachment） 复合（Recombination） 1. 不存在外加电场的状况 分两种状况来看： 没有外加电场的状况 有外加电场的状况 * (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： 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 * 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： 均匀自在程 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，但对电离产生方位信息确实认有必定影响 跟着时刻的推移，将分散为空间高斯散布 * (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-M管时会用到。 * (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 * 负电性气体： 例如O2、H2O，的h≈10-4，卤素达h≈10-3 非负电性气体： h小(h

　　10-5)的气体称为负电性气体。 ?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。 * (4) 复合(Recombination) 有两个进程： 电子与正离子 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- ＋ — ＋ * ?为复合系数 复合引起的离子对数意图丢掉率： 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b）。 电子和离子的复合系数 气体 电子复合系数?e(cm3/s) 离子复合系数?i(cm3/s) H2 5.9?10?11 1.5?10?6 He 1.7?10?8 N2 1.4?10?6 O2 2.7?10?7 1.6?10?6 Ar 8.8?10?7 CO2 1.6?10?6 空气 1.5?10?6 * 复合的成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、核算性变差） 因而，复合现象在勘探器正常作业中应尽量防止 柱状重组： 同一个电离径迹上 重离子、裂变碎片产生严峻 体积重组： 产生在分散、漂移时，不同的电离径迹 计数率高的时分严峻 外加电场能够按捺复合效应 难以彻底消除…… * 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” 存在外加电场的状况 * 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掉，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 电场强度 气体压强 约化场强 * 离子的迁移率可标明为： 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。 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。 假定： 离子在电场方向上的漂移速度远小于乱运动的速度。 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； 磕碰后离子的运动取向为各向同性，即漂移速度为0。 * 关于自在电子： 电子与气体原子产生弹性磕碰时，每次丢掉的能量很小 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掉和磕碰间从电场取得的能量持平，或产生非弹性磕碰停止 抵达平衡状况时，即丢掉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。 * 电子的漂移速度与约化场强不成正比，可用函数标明： 这个函数联系均由试验测定，一般给出的是试验曲线。 ue(cm/?s) 30% 20% 10% 5.3% 2.1% 66ppm 纯Ar * (1)电子漂移速度一般为： 离子漂移速度一般为： (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）参加少数多原子分子气体（如CO2、H2O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 * 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：ET ~106V/m。 * 能“触发”雪崩的其它要素 要完结雪崩效应，需求具有哪些条件？ 1. 满意强的电场 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?3sec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?6s ; 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?7s； 光电子又能够引起新的雪崩。 * 气体扩大 自我克制放电： 经过光子的效果和二次电子发射，雪崩持续发展。 非自我克制放电： 雪崩从产生到完毕，只产生一次。 / 198 * * *

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