核辐射测量原理 (4)

气体探测器；
闪烁探测器；
半导体探测器。
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辐射探测的基本过程：
➢ 辐射粒子射入探测器的灵敏体积；
➢ 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积 能量；
➢ 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种形式的 输出信号。
辐射探测器学习要点（研究问题）：
➢探测器的工作机制；
➢探测器的输出回路与输出信号；
电子或离子 电子或离子 电子或离 粒子流密度 的扩散常数 子密度
与气体的性质、温度和压强有关
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若电离粒子的速度遵守麦克斯韦分布，则 扩散常数 D 与电离粒子的杂乱运动的平均
速度 v 之间的关系为：
D 1 v
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平均自由程
电子的平均自由程和乱运动的平均速 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。
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同一点引入正负电荷：
qq11 a
V0
e e i(t)
qq22 b
q q1 q q2
q1 q2 e
当同时在同一位置引入一离子对，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 =36
结论：
(1)只有当空间电荷在极板间移动时，在外回 路才有电流流过，此时i(t)= i+(t)+i –(t)，正、负
关。
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引伸结论：
(1) 当入射粒子在探测器灵敏体积内产生
N个离子对，它们均在外加电场作用下 漂移，这时，产生的总电流信号是：
N
N
It
i
j
t
i
j
t
I
(t)
I
(t)
j1
j1
(2) 当N个离子对全部被收集时，流过外 电路的总电荷量为：
Q Ne
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4.2.4、电离室的输出回路
输出回路的定义：输出信号电流所有 流过的回路都包括在输出回路中。
(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）加入少量多
原子分子气体（如CO2、H2O等）时，电子的 漂移速度有很大的增加。
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B. 扩散(Diffusion) 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。
由气体动力论，可得到扩散方程： j D n
感应电荷 q2 增加。且 q1 q2
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)。
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q1 q2 e
a
q1 e
q2
b
V0
i (t )
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：q1
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第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间， -q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极 板上的感应电荷：
在回路中流过的电荷量为：q2
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如果在电场中同一点引入一负电荷 e ，
它将在ab两极板上分别感应一定的正电
荷，分别为 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 增加，而b极板上感应电荷 q2 减少。整
个过程中，流过外回路的总电荷量为：
q q2
相应在外回路流过电流为i (t)，电流 方向与i (t)相同。
q1 q2 e
当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电 荷中和。外回路电流结束，流过外回路的
总电荷量为： q q1
考虑：如果在电极之间引入的是负电荷，
解释一下整个物理过程。产生的结果是否
与正电荷有共同之处？
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q1 q2 e
a
q1 e
q2
b
V0
i (t )
电子(负离子)漂移所引起的正感应电荷
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E、电荷转移效应 正离子与中性的气体分子碰撞时，正离
子与分子中的一个电子结合成中性分子， 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明显。
电荷转移效应可以减小离子的迁移率， 降低离子的漂移速度。
电子吸附效应、电荷转移效应、复合 效应等，都不利于电荷收集。
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4.1.3离子的收集和电压电流曲线
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电子的漂移速度与约化场强不成正比，
可用函数表示：
ue
f
E P
这个函数关系均由试验测定。一般给出 的是实验曲线。
电子漂移速度对气体成分很敏感， 少量某种气体的混入就可显著提高电子 漂移速度。
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电子与离子在气体中在外电场作用下的 漂移速度的主要区别为：
(1)电子漂移速度一般为： 106 cm s 离子漂移速度一般为： 103 cm s
多用于重带电粒子的能量和强度测量。
2) 累计型工作状态
记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种 工作状态的电离室称为：累计电离室。
多用于X，γ、β和中子的强度、通量、剂量、
剂量率测量。
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4.2.1、电离室的基本结构
不同类型的电离室在结构上基本相同. 典型结构有平板型和圆柱型。
均包括：
高压极(K)：正高压或负高压； 收集极(C)：与测量仪器相联的电极， 处于与地接近的电位；
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4.2.3、输出信号产生的物理过程 即电离室的工作机制。
第一步：假设回路中没有负载电阻 RL 0
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：
Q0 Q0 C1V0
a
Q0
V0
Q0
b
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第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+
它将在两极板上分别感应出一定的负电
电子与气体分子发生弹性碰撞时，每次损 失的能量很小，因此，电子在两次碰撞中 由外电场加速的能量可积累起来。直到使 它的弹性碰撞能量损失和碰撞间从电场获 得的能量相等，或发生非弹性碰撞为止。
达到平衡状态时，即损失能量等于从电场 获得的能量时，电子的平均能量为:
1 2
me ve2
3 2
kT
称为电子温度。
保护极(G)：又称保护环，处于与收集 极相同的电位；
负载电阻(RL)：电流流过时形成电压
信号。
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平板型电离室
高压 V0
外壳
灵敏
体积
C
绝缘子 高压极
K
收集极
保护极 G
RL 负载电阻
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圆柱型电离室
V0
K
C
G
RL
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灵敏体积： 由通过收集电级边缘的电力线所包围
的两电极间的区域。
保护环G的作用： 1) 使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；
荷，设分别为-q1、-q2
a
q1
q2
b
e V0
高斯定律：
E ds
q
0
0
q (Q0 ) (Q0 ) e (q1 ) (q2 ) 0 30
q1 q2 e
正电荷靠哪个极板近，那个极板上产 生的感应电荷多。
第三步：当 e 电荷沿电场向收集极运动，
则上极板a上感应电荷 q1 减少，下极板b上
2) 若无G，当高压很大时，会有电流通过
绝缘子从负载电阻RL上通过，从而产生 噪声，即绝缘子的漏电流。
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4.2.2 工作气体 充满电离室内部空间，是电离室的
工作介质； 如Ar 加少量多原子分子气体CH4。 气体压力：从10-1~10大气压。 需要保证气体的成分和压强，所以一
般电离室均需要一个密封外壳将电极系 统包起来。
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E1
E2 E3
I : 复合区
II : 饱和区 III : 正比区
N N0M
IV: 有限正比区 N N0 V: G-M工作区
VI: 连续放电区
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4.2 电离室的工作机制与输出回路
电离室的工作方式可分为：
1) 脉冲型工作状态
记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工 作状态的电离室称为：脉冲电离室。
输出回路的简化过程：
① 感应电荷在外回路上形成的电流，在 负载电阻RL上形成电压，有信号输出； ② 测量仪器有内阻、电容；
③ 探测器电容C1。 ④ 线路的杂散电容C′。
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RL ：负载电阻；
C1
C1 ：探测器电容；
测
量 R入 ： 测量仪
RL
C R C 仪 器输入电阻；
器 C入 ： 测量仪 器输入电容；
总电阻 R0 RL // R 总电容 C0 C入 C' C1
C ：杂散电容； 如, 电缆电容 ~100pF/m。
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4.3 脉冲电离室
电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出 信号仅反映单个入射粒子的电离效应。可以测
量每个入射粒子的能量、时间、强度等。
脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流 信号，电压信号。
电荷的感应电流方向相同，在探测器内部从阳 极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应 电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只 有正电荷的感应电流。
(2) 当+e、e电荷在同一位置产生时，它们在
极板上的感应电荷量分别相同；
+e、e电荷漂移结束，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位置无
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C. 电子的吸附和负离子的形成 电子在运动过程中与气体分子碰撞时可
能被气体分子俘获，形成负离子，这种现 象称之为吸附效应。
Electron attachment
e-
Negative ion
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每次碰撞中被电子俘获的概率称为吸附 系数p。
p大(p >10-5)的气体称为负电性气体。
例如O2、H2O，的 p 10-，4 卤素达 p 10-3