G-M计数管简介
仿真实验-G-M计数管特性研究
实验十五 G-M计数管特性的研究测量核辐射的仪器称为核辐射探测器，G-M计数管是盖革-米勒计数管的简称，它是结构简单而又经济实用的核辐射探测器。
核辐射探测器有多种类型，如按功能分有用作测量粒子数目的计数器型，能分辨粒子能量的能谱仪型，能显示粒子运动路径的径迹型等。
若按工作物质分，有气体，液体和固体等探测器。
本实验中测量用的G-M计数管属于气体计数器型的核辐射探测器，其工作物质是气体，其功能是记录射线粒子的数目，但不能区别粒子能量。
G-M计数管有易于加工，输出信号幅度大，配套仪器简单等优点，在放射性测量方面有广泛的应用，在核物理实验教学中更是不可缺少的探测器。
【实验目的】1. 掌握G-M计数管的结构，工作原理和使用方法。
2. 研究G-M计数管的主要特性。
3. 学习有关使用放射源的安全操作规则。
【实验原理】1．G-M计数管的结构和工作原理G-M计数管如图1所示，通常为一密封并抽真空的玻璃管，中央是一根细金属丝作为阳极，玻璃管内壁涂以导电材料薄膜或另装一金属圆筒作为阴极构成真空二极管。
同时充有一定量的惰性气体和少量猝灭气体，一般二者充气分压比例是9:1。
G-M计数管有很多类型，按结构形状区分有圆柱形和钟罩形等；按探测对象分类有β、γ或兼测βγ型计数管；按所充猝灭气体种类不同分，有卤素管，其猝灭气体为Br2，Cl2等，如果用乙醇或乙醚等碳氢化合物作为猝灭气体，称为有机计数管。
图1 G-M计数管当计数管的阳极和阴极之间加有适当的工作电压时，管内形成柱形对称电场。
如有带电粒子进入管内，由于粒子与管内惰性气体原子的电子之间的库仑作用，可使气体电离(或激发)，形成正、负离子对(负离子即为电子)，这种电离称为初级电离。
在电场作用下，正，负离子分别向各自相反的电级运动，但正离子向阴极运动的速度比电子向阳极运动的速度慢得多。
在电子向阳极运动过程中不断被电场加速，又会和原子碰撞而再次引起气体电离，称为次级电离。
由于不断的电离过程使电子数目急剧增加，形成自激雪崩放电现象。
盖革计数器基本原理
蓋革計數器基本原理蓋革-牟勒計數器（ G ei ger-M uel l er count er）俗稱G-M計數器或簡稱為蓋革管（G ei ger t ube），是現存幾種陳舊的輻射偵檢器之一。
在1928年由蓋革（Geiger）和牟勒（Mueller）所提出，其基本的結構是包括兩個電極，外電極（負極）為空心圓柱，內電極（正極）則是位於圓柱內中心軸的細金屬線，在兩電極間則是充滿氣體（一般為鈍氣）。
一個典型的Tow ns end aval anche是由一單獨的原始電子所產生，而許多激態的氣體分子是由電子碰撞二次離子所形成。
激動態的分子大約是在幾毫微秒的時間內降回基態，至於激動態與基態間的能量差，則釋出光子的方式帶出，其波長大約是介於可見光和紫外線之間。
這些光子所帶有的能量是傳遞連鎖反應的主要關鍵，亦即構成蓋革放電的主要機制。
當光子經由光電吸收作用而與陰極表面的氣體或管內其他位置的氣體互相作用時，則釋出一新的電子，此電子隨即遷移至陽極，然後再觸發另一次的突崩（avalanche）。
通常產生所有離子對和激動態分子所需的時間，對一突崩而言，僅為幾毫微秒（~10-9sec）。
因為激動態分子的壽命相當的短且光子以光速前進，所以管內兩次自由電子（ s econd f r ee el ect r on）的產生幾乎是符合於首次突崩，而這些兩次自由電子僅需漂移至放大區即可產生二次突崩，其所需的時間亦僅需一微秒的一小部分而已，因此對整個蓋革放電過程所需的時間而言，大約也僅需一微秒而已。
從單一突崩的發生到脈衝完整輸出所需的時間，較上述的蓋革放電為長，所以此時的脈衝振幅僅簡單地表為蓋革放電所產生全部電荷的總和。
一次蓋革放電的終止過程是來自正離子，而正離子的產生是在突崩時伴隨著電子的產生而來的，正離子的移動率遠低於自由電子，本質上，這些正離子是不動的，其不動的時間約為收集所有來自增值區域的自由電子。
當這這離子的濃度相當高的時候，陽極線周圍附近電場強度的大小會隨著正離子的存在而改變。
盖革计数器
实验一G-M计数管特性实验人：*** 合作人：*** 实验时间：2012/04/02【实验目的】1、了解G-M计数器的基本性能2、掌握G-M计数器的使用方法【实验原理】一、G-M计数器的工作原理及其特性G-M计数器是核辐射测量中最基本的气体探测器之一，它主要用来测量γ射线和β射线的强度，也可以用来测量α射线和Ｘ射线。
1、气体探测器中收集的电离离子对数和和外电压的关系曲线图 1 电离离子对数和和外电压的关系曲线G-M区：当气体放大系数M足够大时，电子雪崩持续发展成自激放电，此时增值的离子对总数与原电离无关。
G-M计数器是工作于G-M区的计数器。
2、G-M计数器的优点：（1）灵敏度高；（2）脉冲幅度大;（3）稳定性高；(4)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范围内变动；（5）结构简单、使用方便、成本低廉。
3、G-M计数器工作原理：α、β等粒子进入计数管，与管内惰性气体分子碰撞而引起后者电离; 电离产生的电子在强电场下获大动能向正极运动; 电子在运动过程中再与工作气体的分子碰撞而导致新的电离（经过多次碰撞电离）正负离子迅速增值尤其在阳极附近的空间电场最强，次级电子急剧倍增，从而引起沿整条粒子轨线的“电子雪崩”现象，在阳极上便发生放电而产生一个电流脉冲输出。
钟罩形G-M计数器。
主要用于α和β放射性的测量。
由于α和β射线的穿透力差，必须经过特殊的入射图2计数管窗射入计数管才能被探测到。
阳极丝一端固定，另一端不固定，点上一个小玻璃珠，以避免尖端放电，也避免抽气时刺破云母窗。
图 3 G-M计数器的输出脉冲波形G-M计数器的输出脉冲波形如上图3所示。
G-M计数器的输出脉冲由放电后增值的电子和正离子的运动形成的，主要是正离子脉冲的贡献。
其波形与正比计数器的输出脉冲波形类似。
4、计数管的死时间和恢复时间。
死时间（tD）：入射粒子进入计数管引起放电后，形成正离子鞘，使阳极周围的电场削弱，终止了放电。
G-M计数器
G－M计数管特性及核衰变规律
实验原理
高压
放大器前置放大器
定标器
G-M计数器的坪曲线
开始新的测量停止测量测量过程的总计数当前计数率（次/秒）
刚完成的测量周期的计数值现有数据基础上,
继续测量过程退出程序
测量进行的时间
计数参数设置
测量周期定时时间的设定测量周期数的设定甄别阈的设定
实验结果显示
通道A 直方图,显示在弹出的框图中
数据保存
软件操作界面介绍
检查高压旋钮是否处于较小的位置，确认处于较小位置后，才能打开电源，调节
高压，调节过程要缓慢。
注意：严禁用手触摸高压接触部分
用镊子取放射源，在计数器托盘中央小心地放入，有字的一面朝上，关上计数器小门。
先让仪器预热几分钟，等高压电源稳定后，方可进行测量分析。
设定甄别阈，在一定甄别阈下测量坪曲线。
注意：
每调节一次高压，测量并将该次测量结果记录在纸上； 调节高压旋钮，缓慢升高电压
坪上计数大小与测量时间、放射源的位置有关，可以改变上述条件以达到改变计数大小的目的
测坪过程中，当接近坪区末端，看到计数率明显增加时，要立即把工作电压降下来，绝不允许计数器进入连续放电区。
测量坪曲线
要求坪上点的数值大于1000
如果噪音较大，将阈值调至300以上
调节合适的工作条件，使每次计数的平均值小于10，测量次数大于1000次
记录保存数据
调节合适的工作条件，使每次计数的平均值大于20，测量次数大于1000次
记录保存数据
完成测量后，将电压调到0，再关闭电源。
确定采集好数据后，关闭定标器上的计算机电源，整理桌面，离开实验室。
GM计数器分辨时间的测量
GM计数器分辨时间的测量【摘要】GM计数器可用于测定核辐射粒子的数目，是一种被广泛采用的核探测仪器。
分辨时间是GM计数器最主要的参数之一。
本实验通过两种方法：1）双源法、2）示波器法对GM计数器的分辨时间作了测量，得到实验所用GM计数器的分辨时间约为0.2ms，并对结果进行了比较与分析。
【关键词】GM计数器分辨时间双源法【引言】GM计数器是核辐射探测器的一种，可用于测量包括α粒子、β粒子、γ射线以及X射线在内的辐射粒子数。
GM计数器在科学研究、核辐射污染探测、液体污染监测等领域有着广泛的应用。
GM计数管的结构设计与安装有较高的灵活性，不同规格的GM计数管可以适合不同使用者的需求。
坪特性与分辨时间是GM计数器的最主要的两个性能指标。
本实验通过双源法和示波器法两种不同的方法对GM计数器的分辨时间进行了测量，并对结果进行了比较与分析。
【理论背景】(一)GM计数器的结构盖革—弥勒计数器简称为GM计数器，也称作气体放电计数器。
由GM计数管、高压电源和定标器组成。
最常见的有钟罩形β计数管和长圆形γ计数管两种，都是由圆筒状的阴极和装在轴上的阳极丝（通常是钨丝）密封于玻璃管内构成，内部抽空充惰性气体（氦、氖）、卤素气体。
(二)GM计数器工作原理GM计数管工作时，高压电源经过电阻R加在阳极上，管内产生柱状电场。
当射线进入计数管之后，引起管内的气体电离，所产生的电子在电场作用下向阳极移动，并进一步与气体分子发生碰撞打出很多次级电子，次级电子在电场作用下产生更多的次级电子，引起“雪崩放电．．．．”。
雪崩过程中，受激原子退激以及正负离子复合发射大量的光子，这些光子主要为猝灭气体所吸收，并使雪崩区沿着丝极向两端扩展导致全管放电。
最后有大量的电子到达阳极。
电子到达阳极之后，由于正离子的质量较大，运动速度慢，因此在阳极周围形成“正离子鞘”，并使得阳极附近的电场减小，新的电子无法增殖，放电终止。
由于阳极上的正离子被电子所中和，因此其电位降低，电源电压通过电阻R 向计数管充电，使电位恢复，阳极上得到一个负的电压脉冲。
G-M计数管特性研究
G-M计数管特性的研究实验目的:本实验的目的是学习、掌握G-M计数管的结构、工作原理和使用方法并对其主要特性进行研究,同时要学习有关使用放射源的安全操作规则。
实验仪器:定标器、高压电源、示波器、放射源、计数管输出电路板和待测量特性的计数管等。
实验内容:(1测量G-M计数管的坪曲线,确定其工作电压a, 连接好实验电路,在放射源强度不变的条件下,选择合适的测量时间(10的二次方量级,缓慢增加外加电压,仔细找出计数管开始有计数时所对应的电压值V0。
b, 按每一个10V的间隔依次增大外加电压,选择合适的测量时间,使得第一次出现的N值在1000左右,然后记下每一个电压值对应的N值(一个电压测三次N,加压的过程中如发现计数有明显增加的趋势时停止加压,注意实验时外压始终不得超过580V。
(2验证放射性计数服从统计规律移走放射源,观察计数管读数,调节测量时间,使得计数管的读数变化范围为0—10。
实验中选取测量时间t=30s,重复切换复位键与计数开始键,重复测量此时间间隔的计数至少400次以上。
记下各个数字出现的次数数据处理1 测量坪曲线一下为坪曲线测量数据及其及其处理电压计数1 2 3 平均标准差330 968 972 960 966.6667 8.64099340 936 1001 1035990.6667 71.13836 350 1029 1103 1026 1052.667 61.68198 360 971 1054 1004 1009.667 59.09879 370 1030 1045 1001 1025.33331.63332 380 1073 1018 1062 1051 41.15823 390 1003 999 1029 1010.333 23.0362 400 1062 1031 1032 1041.66724.91318 410 1015 1071 1034 1040 40.27406 420 1078 1101 1042 1073.66742.05552 430 1038 1112 1121 1090.333 64.41014 440 1103 1078 1120 1100.33329.87753 450 1189 1151 1142 1160.66735.27983 460 1133 1161 1162 1152 23.28089 470 1188 1210 1207 1201.66716.87207 480 1226 1172 1275 1224.33372.8606 490 1250 1266 1270 1262 14.96663 500 1296 1279 1274 1283 16.30951 510 1324 1298 1326 1316 22.09072 520 1361 1327 1424 1370.66769.60364 530 1396 1540 1411 1449 111.9554 540 1482 1466 1401 1449.66760.6685绘制得坪曲线如下0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 坪曲线U/V N曲线说明:(1G-M 计数管的起始电压为320V(2由于计数管的老化,测量得到的坪曲线不尽人意。
G-M实验
指导教师：赖发春
物理学实验教学示范中心
近代物理实验
实验目的
1.了解盖革——弥勒计数管的结构、原理及特 性。 2.测量盖革——弥勒计数管坪曲线，并正 确选择其工作电压。 3.测量盖革——弥勒计数 管的死时间、恢复时间和分辨时间。
物理学实验教学示范中心
近代物理实验
实验仪器
G－M计数管，前置放大器，自动定标器，
率。
物理学实验教学示范中心
近代物理实验
实验证明，在对长寿命放射性强度进行多次重复 测量时，即使条件相同，每次测量的结果仍然不 同；然而，每次结果都围绕着某一个平均值上下 涨落，服从一定的统计规律。假如在时间τ内，核 衰变平均数是n，每秒核衰变数为n的出现几率p
（n）服从统计规律的泊松分布
物理学实验教学示范中心
示波器和放射源2个。
物理学实验教学示范中心
近代物理实验
实验原理
盖革——弥勒计数管简称G－M计数管，是核辐 射探测器的一种类型，它只能测定核辐射粒子的 数目，而不能探测粒子的能量。它具有价格低廉、 设备简单、使用方便等优点，被广泛用于放射测 量的工作中。
物理学实验教学示范中心
近代物理实验
G－M计数有各种不同的结构，最常见的有钟罩形 β 计数管和圆柱形计数管两种，这两种计数管都 是由圆柱状的阴极和装在轴线上的阳极丝密封在 玻璃管内而构成的，玻璃管内充一定量的某种气 体，例如，惰性气体氩、氖等，充气的气压比大
物理学实验教学示范中心
近代物理实验
G－M计数管的坪曲线
物理学实验教学示范中心
近代物理实验
由于正离子鞘的存在，因而减弱了阳极附近的电
场，此时若再有粒子射入计数管，就不会引起计 数管放电，定标器就没有计数，随着正离子鞘向 阴极移动，阴极附近的电场就逐渐得到恢复，当 正离子鞘到达计数管半径r0处时，阳极附近电场 刚刚恢复到可以使进入计数管的粒子引起计数管 放电，这段时间称为计数管的死时间，以td来表 示；正离子鞘从r0到阴极的一段时间，我们称为 恢复时间，以tr表示。在恢复时间内由于电场还 没有完全恢复，所以粒子射入计数管后虽然也能 引起放电，但脉冲幅度较小，当脉冲幅度小于定 标器灵敏阈时，则仍然不能被定标器记录下来， 随着电场的恢复，脉冲幅度也随之增大，如果在τ 时间以后出现的脉冲能被定标器记录下来，那么τ 就称为分辨时间。
盖革一米勒计数管的特性及放射性衰变的统计规律
1.计数管在什么情况下出现连续放电？ 出现连续放电时怎徉处理？ 如何延长计数管的使用寿命？当电场强度大到一定程度时，由于放大后的次级离子数足够多，电离电荷所产生的电场抵消一部分外加电场，即所谓空间电荷效应，这时气体放大系数不是恒定的，而与原电离有关。
区域Ⅴ为G-M 区，进入该区后，离子倍增更加猛烈，空间电荷效应越来越强，此时电离电流强度不再与原电离有关，反映在曲线上是α和β两根曲线重合，并且随电压的变化较小。
工作在该区的气体探测器是G-M 计数管。
当工作电压超过2V 继续升高时，计数率将急剧上升，这时计数管已进入“连续放电区”。
计数管经过一次连续放电，就会使猝熄气体大量分解。
使用时，要小心避免发生连续放电。
升高电压时，应该特别注意其计数情况，如发现计数率剧增，要立刻降低电压！计数管每计数一次，就有部分猝熄气体分子被分解(每次约1010个)，从而失去猝熄作用，所以G-M 计数管有一定的寿命。
在正常条件下，有机管约为891010次计数。
卤素气体分解后有可能重新复合，因此尽管含量少，但计数寿命可达9101010次计数。
G-M 计数管必须在一定温度范围内才能正常工作。
温度太低时，部分猝熄气体会凝聚，使猝熄作用减弱，坪长缩短直至完全丧失猝熄能力而连续放电。
一般有机管的工作温度约为0～40℃，卤素管约为-10～50℃。
2.G-M 计数管的计数与哪些因素有关？ 能否用它来测量能量和区分射线种类？与坪曲线、分辨时间、探测效率和寿命等因素有关。
在一定的外加电压下，不论射线在计数管内打出多少正负离子对，最后形成的正离子鞘总是一样的。
因此，G-M 计数管不能区分不同种类，不同能量的粒子，只要射入的粒子引起电离，就可以被记录。
3.分辨时间的存在对计数有什么影响？ 能否克服？ 如何用示波器来测量分辨时间？ 一般情况下，G-M 计数管的分辨时间在100μs ～400μs 之间。
由于分辨时间较长，故G-M 计数管不能进行快速计数。
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55
§ 8.4 G-M计数管
但在G-M计数管中，光子反馈和离子反馈就成为主要的过程。以光
5 子反馈为例，通常条件下，A 105 ，当 10 时，A总
G-M管的自持放电过程可以分解为下列环节：
①初始电离及碰撞电离过程：电子加速发生碰撞电离形成 电子潮－雪崩过程。
加速,碰撞电离 + * 加速，碰撞电离
GM管的性能由计数管的丝极a，阴极与丝极之比b/a、工作气
体的组成与压力等因素决定，主要性能如下： 1) 坪特性曲线——入射粒子流强度一定的条件下，计数率随工
作电压的变化关系。从坪特性曲线的成因分析可得到曲线的前
面部分与计数单元电路的甄别阈有关。 2) 探测效率—对用于带电粒子探测的钟罩型GM管，只要入射粒 子进入灵敏体积，其探测效率可接近100％。 对用于探测射 线的圆柱型GM管，仅当次电子.4 G-M计数管
④ 正离子在阴极表面的电荷中和过程（离子反馈）：
e+ Ar+ Ar*
过程之一：
到 极 速 速
过程之二：
* 阴极 加速 + * 加速
这些过程均发生在第一次正离子漂移快结束时，在阴极新产生
的电子又向阳极漂移，引起新的雪崩，从而在外回路形成第二
个脉冲。如此周而复始，即自持放电过程。所以称为非自熄G-M
§ 8.4 G-M计数管
G-M计数管是由盖革(Geiger)和弥勒(Mueller)发明的一种利用 自持放电的气体电离探测器。 G-M管的特点是：
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离子的类型和测量的要求在 较大范围内变动； 制造简单、成本低廉、使用方便。 G-M管的缺点是： 不能鉴别离子的类型和能量；分辨时间长；有乱真计数；
GM管的时间分辨本领为微秒量级，采取特殊措施后可达到10-7秒左右。
63
1.气体电离室的基本机构，及信号产生过程？ 2.能量分辨率是如何定义的？ 3.何为探测效率、分辨时间？ 4.离子收集的电压电流曲线分的五个区的名称分别是什么？
电离室、正比计数器、G－M计数器分别工作在那个区间？
5.为什么正比计器的中央丝极必须是正极？ （为什么G-M管中央丝极必须是正极？）
计数管。
58
§ 8.4 G-M计数管
与正比计数器比较，最基本的区别在于GM计数管的输出脉
冲幅度 与 入射粒子的类型和能量无关，放电终止仅取决于 阳极电位的下降。只要有电子进入计数管的灵敏体积，就会导 致计数，入射粒子仅仅起到一个触发的作用。 所以,G-M计数 管仅能用于计数。
59
§ 8.4 G-M计数管
其探测效率仅～1％。
60
坪特性曲线可用三个指标衡量：
nB N nA
V0
VA
VB
高压
起始电压——V0 坪长 —— VB－VA nB nA 坪斜 —— (VB VA)×100%
nA
[%/100V]
61
§ 8.4 G-M计数管
h
3) G－M计数管的“死时间”、“复原时间”及 “分辨时间”
t
A
B
56
§ 8.4 G-M计数管
② 放电传播： Ar* 放出的紫外光子打到阴极上并打出次电子 （光子反馈）。
极 速
气体放电迅速遍及整个管子，正离子包围整个阳极丝，并逐 步加厚形成正离子鞘。由于正离子鞘的形成，使阳极丝附近 的电场减弱，使放电终止。
电子很快被阳极收集，该过程形成“电子电流”。
③ 正离子鞘向阴极漂移过程：形成“离子电流”，是形成输出脉
正常工作的温度范围小。
54
§ 8.4 G-M计数管
1、G-M管的工作机制
1）正离子鞘的形成及自持放电过程 由于光子反馈过程的存在，气体放大倍数为：
A A总 = 1 A
在正比计数器中，光子反馈和正离子反馈的作用极微弱，因 此，经一次雪崩以后增殖过程即行终止，且雪崩只限于局部
的区域，对一个初始电子仅展宽 200m左右。
C
62
§ 8.4 G-M计数管
3) G－M计数管的“死时间”、“复原时间”及“分辨时间” 死时间td：随正离子鞘向阴极漂移导致电场屏蔽的减弱，电 子又可以在阳极附近发生雪崩的时间。 复原时间te：从死时间到正离子被阴极收集，输出脉冲恢复 到正常的时间。
分辨时间tf：从“0”到第二个脉冲超过甄别阈的时间，与甄 别阈的大小有关。
6.在电离室内在某一点的一个离子对在向正、负电极漂移过程
中，为什么在外回路中流过的感应电荷是一个单位电荷，而 不是两倍？
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