气体探测器与中子探测

气体探测器与中子探测

1.1 气体探测器概述

气体探测器是人类历史上应用最悠久的核辐射探测器,在早期核物理发展中起了很大作用,例如宇宙线和中子是在电离室中发现的,迄今已有一百多年的历史。气体探测器是以气体作为探测介质,利用电极收集入射粒子在气体中产生的电荷来探测粒子,获取入射粒子的能量、时间及位置等相关信息。

1.2 气体探测器测量原理

气体探测器是以工作气体(既可以是混合气体,也可以是单一气体)作为探测物质,利用电极收集入射粒子在气体中产生的电离电荷来探测粒子,获取入射粒子的能量、时间及位置等相关信息。尽管气体探测器的形式和结构各种各样,但几乎都是利用电极来收集电离电荷的,它们通常都是由高压电极和收集电极组成。入射粒子进入灵敏区后，通过使电极间气体电离,生成的电子和正离子在电场的作用下分别向相反方向漂移,最后被电极收集。在漂移过程中,由于静电感应,电极上将感生电荷,并且随他们的漂移而变化,于是在输出回路中形成感应电流,收集的电子-离子对数目决定了输出电流的大小。气体探测器正是利用此特性实现了探测粒子的功能。

1.2.1带电粒子在工作气体中的能量损失与统计规律

入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止下来。碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成大量的离子对(电子和正离子)。上述电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离，以及由碰撞打出的高速电子(δ电子)所引起的电离。前一过程产生的离子对数称为初电离，后一过程产生的离子对数称为次电离，初电离和次电离的总和称为总电离。此外，粒子在单位路程上产生的离子对数称为比电离。带电粒子在气体中产生一对电子-离子所需的平均能量w称为平均电离能，公式2.1所示。

(2.1)

式（2.1）中E为带电粒子在探测器中的能量损失，N为电离过程产生的平均电子-离子对数目。

在气体中产生一个电子一离子对所需能量(平均电离能)约为30eV,若一个能量为3keV的带电粒子与气体相互作用,则能产生3000/30=100电子一离子对。

作为测量能量用的探测器，它的输出脉冲幅度一般与探测器对入射粒子所吸收的能量成正比。但是，即使探测器对粒子所吸收的能量完全相同，所对应的输出脉冲幅度也不完全一样，即有大小不同的涨落，在能谱上形成一个具有一定宽度的峰。造成这种涨落的原因很多．其中一个重要的因素是由电离的统计涨落引起的。

1.2.2电子与离子在气体中的运动[1]

电子和离子在气体中可能发生以下几种物理过程:漂移、扩散、电子吸附和复合。

漂移：

微观尺寸上,气体中的电子和离子的漂移是电子和离子与气体分子或原子碰撞后散射,因而它们的运动方向是随机的,即瞬时速度v方向是不一定的。离子或电子在外电场中被加速,但是它又和气体分子随机碰撞沿着电场方向缓慢运动,损失能量而减速。不断加速和减速的结果,宏观上就表现为它们具有一定的平均速度,称为漂移速度v，公式为式（2.2）。假设每次碰撞后电离粒子的动量全部损失,就可以导出下述公式:

(2.2)

式中为电场强度,是气体压力,是电离粒子的质量,是它在latm下的平均自由路程,是它在电场下混乱运动的平均速度,也称激活速度。是在两次碰撞之间()电离粒子的加速度, ()为走过()路程所需时间。激活速度可以用平均激活能表示,是电离粒子混乱运动的能量在有电场时比无电场时所增加的倍数,即有关系式:

(2.3)

电子的随气体种类的不同差别很大，惰性气体的很大，双原子分子气体的比较小。其原因是:电子会从电场中得到能量和动量,同时它与气体分子碰撞时又会损失能量和动量,而激活能正是依赖于两者的平衡。多原子分子气体在较低电子能量下就会出现非弹性碰撞,这就阻止了平衡能量值的无限上升。因此,在惰性气体中加入多原子分子气体会大大降低值,激活速度u减小,进而大大增加电子的漂移速度。例如,在氮气中混入二氧化碳或甲烷,可以使电子漂移速度提高一个数量级。实验测得的电子漂移结果如图2.1，电子的漂移速度一般比离子大103倍，约106cm／s，电子的漂移速度对组成气体的成分非常灵敏。

图1.1 电子在气体中的漂移速度

1）扩散

电子和正离子由于空间密度不均匀，从密度大的区域向密度小的区域扩散。由于扩散的结果,原初电离形成的离子随时间增加向四周扩散,电离产生的电子和离子并不会完全沿着外电场方向漂移；而是在漂移的同时还要向四周扩散。利用运动学理论可以得到室温条件下,扩散平均距离与漂移平均距离

的关系如下:

（2.4）

式（ 2.4）中，表示平均激活能，

, 即电场强度乘漂移距离。

表示电子或离子沿电场漂移一段距离后的横向扩散程度。若在惰性气体中加入多原子分子气体会大大减小，从而也就大大减小了扩散的影响电子吸附：

电子在运动过程中,被中性气体原子或分子俘获,形成负离子。每一次碰撞,电子的吸附几率称为气体的吸附系数h。不同气体的h值相差很大,对H2和所有惰性气体,;卤素分子、氧分子、水分子的h值都比较较大。通常把吸附电子几率h较大的气体称为“负电性气体”。

电子被负电性气体俘获形成负离子后,漂移速度减小,同时,负离子比电子更容易与正离子复合成中性粒子。从而导致收集到的电离数N减少,这在能量测量中是不希望的。为了尽量减少电子俘获,探测器应使用h值较小的气体,并使负电性气体杂质的含量减到最低限度。

复合：

正离子和电子(或负离子)相遇时,可能会发生电荷中和形成中性粒子。复合几率与正负离子密度成正比。即：

(2.5)

式（2.5）中:是单位体积内的负、正离子数。比例系数

称为复合系数，其与气体本身有关,也与气压、温度以及正负离子之间的相对速度等因素有关。电子的复合系数比负离子小很多。因此只要不含负电性气体,在通常工作情况下复合效应是很小的。复合现象的存在将会破坏原始入射粒子电离效应与输出信号的对应关系,气体探测器应尽量避免这种因素的影响。

1.2.3外加电场对电离粒子运动的影响

假设在探测器气体空间形成个电子离子对,在外加电压的作用下,这些电子和正离子分别向正、负电极漂移而被电极收集。图2.2是外加电压与离子对收集数的关系曲线的实验结果。可以看到,气体探测器外加电压与离子对收集数的关系曲线可明显地分为五个区段.

第区复合区(外加电压小于),外加电压较低,离子漂移速度很小,扩散和复合效应起主要作用。由于复合,电极上收集到的离子对数小于初总电离数目。

第区饱和区(电压大于,但小于),外加电压达到

时,继续增大电压,气体探测器中复合效应基本消失,入射粒子在气体中初始电离数可以被电极全部收集。在恒定强度放射源照射下,被收集的电荷数基本上保持不变,曲线近似呈水平线形状,电流趋于饱和,因此第II区称为饱和区又称电离区,在此区工作的气体探测器称为电离室。图2.2中曲线的标记分别对应和粒子,由于粒子在单位长度气体中损失的能量大于电子的,所以粒子初始电离产生的电荷量也大于电子的,所以粒子对应的曲线在粒子对应曲线的上方,可见工作在第II区的电离室既可以探测粒子的能量也可以探测粒子的强度。

第III区正比区(电压大于,但小于),外加电压超过以后,电流又开始上升,这是因为此时气体的电场强度足以使初始电离出的电子获得足够的动能引起气体进一步电离,产生更多的次级电子一离子对,被收集的离子对数大于初总电离数,这种现象就是气体放电理论中的汤生放电(又称电子雪崩),而电子倍增量称为气体放大倍数。气体放大倍数:。外加电压越高,M越大。一般地,汤逊放大可使电子-离子对数倍增至初始电离的10-105倍,但电压固定时,气体放大倍数是恒定的。因此电极上收集的所有电荷数正比于初始电离的电荷数,所以第III区称为正比区,而将工作在此区的气体探测器称为正比室,可见气体探测器工作在第III区时,仍可用来测量粒子的能量和强度。对于正比室而言,其气体放大倍数对高压很敏感,因此正比室对电压的稳定度要求较高,应小于0.1%。正计数器、多丝正比室和漂移室工作于这一区间内。

第IV区有限正比区(电压大于,但小于),电压继续增大时,气体放大倍数过大,漂移速度较慢的正离子会“滞留”在阳极附近形成空间电荷,削弱阳极附近的电场强度,电子雪崩就会受到抑制,反而使气体放大倍数随外加电压的增加也相对地减小,形成所谓的空间电荷效应。显然,初始电离越强,这种效应越明显。因第IV区的电子雪崩受到了空间电荷效应的抑制,气体放大倍数不再恒定,而与初始电子-离子对数相关,收集到的电荷数不再与初始电离离子对严格成比例,所以第IV区称为有限正比区。

第V区盖勒-弥勒区(电压大于,但小于),进入第V区段后,此时不仅存在电子雪崩,同时也存在光子和电子,因此电子倍增更加剧烈,电流开始激增而形成自激放电,电极收集的电荷再次达到饱和,电流强度不再与初始电离有关,初始电离只对放电起“点火”作用,因此在第V区段,和的两支曲线出现重合。在第V区中,如果每次放电都能采用某种方法(如采用脉冲供电或使用猝灭性气体)使放电终止,那么单位时间里的电流强度就可放映粒子的辐射强弱,所以尽管第V区不能再测量粒子的能量,但可用来探测粒子的辐射强度。由于工作在第V区的气体探测器G-M计数管是由Geiger和Mueller发明的,因此第V

区段称为G-M区。

第V区连续放电区(大于),当外加电压继续增高时,电极收集的电离数再次剧烈增长,电子倍增会导致连续放电,同时伴有大量光子,利用此特性,人们也设计出了流光室、火花室及自猝灭流光室。

综上所述,不同工作区域的探测器,电离粒子与气体分子作用机制不同,输出信号的性质也不同,从而,可将它们分为电离室、正比计数器、盖革一弥勒计数器及连续放电型探测器等不同的气体电离探测器。

图2.2外加电压与电离电流的关系曲线

1.3 中子探测概述

1.3.1中子探测概述

由于中子本身不带电，所以要对中子进行探测，必须先把它转化为带电粒子进行探测。中子是通过与物质的弹性散射、核反应、核裂变、活化等产生的次级带电粒子对其进行探测的。所有的中子探测器，至少包含了一种可以把中子转化为可探测的带电粒子的材料，而和中子发生相互作用的材料，它们的截面依赖于入射中子的能量，并且不同的探测器专注于探测某一特定能区的中子。常用的中

子探测器分为两大类：热中子探测器和快中子探测器，转化材料通常需要满足以下五点要求：①具有大的中子作用截面，它能够使中子更容易转化为可探测的带电粒子。②应该是一种自然界同位素丰度较高的核素，或者是一种容易提纯得到并被探测器使用的人造物质。③参加反应的 Q 值很高，这样就容易区分由gamma 射线引起的脉冲幅度。④中子产生的次级粒子应该有足够大的能量逃出转化层到达探测器的灵敏区，这样才能产生大量的可探测的有效信号。⑤对中子成像探测器来说，中子转化出来的次级粒子射程不能太长，因为长射程的粒子可能使读出电路板的像素（pixel）或者盘（pad）点火区域增大导致分辨率下降。

1.3.2中子探测器

中子径迹探测器由特定固体材料制成，中子与该特定材料核反应产生的次级粒子会对探测器造成一定的辐射损伤，通过化学蚀刻方法，使这些损伤显现出来，这样就得到了中子径迹。

中子显像屏由一层薄荧光粉与转化层组成，它们通过混合有机粘合剂粘合而成，并被涂覆在聚合薄膜上。它的探测原理是入射中子产生的次级粒子使感光材料曝光，后续电子学收集这些信号并以数字或者图像的形式输出。

活化探测器是通过在特定位置和方向测量中子与探测器中的特定材料发生辐射俘获反应释放出光子以及新生成的核素所释放出的β电子来反演中子信息一种探测器。它具有成本低、物理过程简单和易于校准等优点。

反冲质子技术是利用测量反冲质子的能量和方向来推断入射中子信息的一种技术，常用于测量快中子，其所使用的转化层通常是富含氢的材料薄层。通过对反冲质子携带的信息进行精确提取，就可以在较大能量范围获得高精度的中子能谱。

正比型探测器是指那些工作在正比区的气体探测器，如3He管、裂变室、多丝正比室、微条气体探测器、平行板雪崩室和多气隙阻性板。近年来一种新型微模式气体探测器广泛地使用在高能物理和中子探测上，如微网型气体探测器以及它的衍化型和微孔型气体电子倍增器[2]（Gas Electron multiplier,GEM）和它的衍生型，如厚气体电子倍增器[3]（Thick GEM，THGEM），阻性气体电子倍增器（REsistive GEM，REGME）等。

1.3.3n-γ甄别

在中子探测过程中，由于中子与周围其他物质会发生非弹性散射和慢化中子的俘获等作用，在中子辐射场中会存在大量的γ本底[4]，因此需要采用n-γ甄别技术，扣除γ本底，减少γ本底带来的干扰。

一个中子探测器，除了探测效率，能量分辨率，有效增益等性能参量以外，其对γ射线是否灵敏,能否用n-γ甄别方法排除γ射线，这往往也会成为中子探测系统的重要指标。因此,如何从中子和γ的混合场中挑选出中子信号、除掉伽马信号是快中子探测的关键问题。n-γ甄别技术的最终目的是消除伽马射线对中

子探测的干扰。完成n-γ甄别的主要方法包括以下几种:[5]

差分法:利用中子伽马射线与物质相互作用不同的机理:如铅、铁、钨等重金属材料可以有效减弱γ射线，但它们却不改变中子能谱（中子能量应低于非弹性散射阈值），且对中子束强度的影响也不大。可以通过选择探测器参数与位置,来大大改善中子探测的效果。

飞行时间法:利用中子的飞行速度比伽马射线小的特点,在时间上把中子、伽马信号区分 ,这对测量环境空间有所要求,并需要有足够的中子注量率。

辐射转换法:借助中子与转换介质的核反应,将中子福射转换为别的带电粒子,再进行探测,来提高中子探测效率。如反冲质子探测系统、裂变碎片探测系统等。

脉冲形状甄别法：利用带电粒子激发有机闪烁体发光所形成的脉冲形状不同，γ与闪烁体相互作用产生的荧光脉冲快成分的份额大，慢成分的份额小，而中子则恰恰相反。这使得这两种射线的探测器输出信号形状不同。这些差别可作为甄别中子和伽马射线的依据。

扣除法：设置甄别阈，将低于中子信号脉冲幅度的γ信号扣除掉;或使用一对探测器,其中一个对n、γ都灵敏,另一个仅仅对伽马灵敏,这两个探测器探测的信号之差,便统计地给出中子探测信号等。本论文主要就是利用扣除法实现甄别的。