正比计数器的输出电压脉冲波形

定义：
记录下来的脉冲数
射入电离室灵敏体积的 粒子数
对带电粒子 1 0 0 %
原因：
A 带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量；
B 电离过程是涨落的。
这样可能有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲 未被记录下来。
对于能量大于一定值（原电离大于2000）的入射带电粒子， 几乎100%的被探测下来。


E E

h h

2.355 h
h
2.355 h
2.355
F 2.355 n
Fw E0
仅由电离统计 涨落造成
0.1MeV的粒子，约为3%，5MeV约为0.4%。
采用电离室对这些能量的粒子探测的极限能量分辨率
关于能量分辨率的小结：
(1)能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分 辨能力。能量分辨率越小（好），则可区分更小的 能量差别。这是谱仪的最主要的指标。
N N 0
V: G-M工作区
电离室输出脉冲的特点
• 只有在电子或离子漂移过程中，两极上的感应电 荷才有变化，才能产生电流脉冲。
• 输出脉冲可分为两个部分：快成分（由电子的漂 移产生）；慢成分（由离子的漂移产生）。
电离室可以用电流源I0(t)和探测器电容C0并联等效。
I (t)
C0
输出回路的等效电路
气体探测器
工作原理：入射粒子使高压电极和收集电极间的气体电离， 生成的电子离子对在电场的作用下向两极漂移，漂移过程中 收集电极上的感生电荷发生变化从而产生输出脉冲。
气体探测器几个典型工作区
电离室工作 在饱和区

1 2
I : 复合区 II : 饱和区
III : 正比区
N N 0M
IV: 有限正比区
E h
Eh
h (E )
h(E)
E 2 E12 E22 ...
电离室输出脉冲幅度
h en C
电离室输出脉冲幅度同样服从高斯分布
P(h)
1
e hh
2
2
2 h
2h
h ne C
h

e C
n

e C
Fn
vh

h
h

F n
相对能量分辨率（重点）
电离室性能参数小结
• 能量分辨率：电离统计涨落是极限（重点） • 饱和曲线和饱和电压 • 坪特性曲线 • 探测效率（本征探测效率） • 分辨时间和时间分辨
脉冲电离室典型应用：重带电粒子的能谱测量
• 电离室 • 正比计数器（重点） • G-M计数器
正比计数器
正比区：离子收集过程中出现气体放大现象，即被 加速的原电离电子在向阳极漂移过程中与探测 物质原子或分子的电离碰撞中逐次倍增而形成 电子的雪崩。 E
M决定于气体性质、气体压强、工作电压和 电极半径。
气压较高
实验表明，在单原子分子和双原子分子气体中， 当M<102，以及在多原子分子气体中，当M<104时， 上面公式成立。
正比计数器的输出信号
假定：
(1) M >> 1。即忽略初始电离的离子对对输出信号的 贡献。
(2) 全部输出信号均为正离子由阳极表面向阴极漂移 而在外回路流过的感应电荷。由于r0很小，以至电子 在阴极的感应电荷很小，而可以忽略电子对输出信 号的贡献。
(2)电离过程统计偏差决定了谱仪所达到的分辨率的 极限和理论值。并可检验谱仪的性能。
(3)能量分辨率的数值是对某一能量而言的，它与入 射粒子能量的关系为
η 1 E0
2) 电离室的饱和特性曲线
----脉冲幅度h与电离室工作电压V0的关系
h
离子和电子的复 合或扩散效应
饱和电压
V1
V0
通过测量饱和电压曲线，来确定电离室的工作电压。
5) 时间特性
A：分辨时间 ——能分辨开两个相继入射粒子间
的最小时间间隔。 主要取决于输出回路参数的选择和放大器的 时间常数的大小。电离室s量级。
B：时间分辨本领——即由探测器输出脉冲来确定 入射粒子入射时刻的精度。
与时滞d （入射粒子的入射时刻与输出脉冲产
生的时间差）有关。
对于电离室来说，电流脉冲没有时滞，电压脉冲要 达到时间拾取电路的阈值，存在时滞。由于上升时 间和阈值的涨落，电压脉冲的时滞也是涨落不定的。
当阳极和阴极间电压为V0时， 电场强度为：
Er V0
r ln ba
V0=1000V, a=510-3cm，b=1cm
r(cm)
510-3 (阳极表面)
0.01 0.05 0.1 0.5 1.0
E(r)(V/cm)
37400 18700 3740 1870
374 187
阴极
阳极
强场区存在于阳极丝附近， 因此雪崩只在阳极丝附近发生。
e Me
气体放大倍数
电子雪崩过程中，产生电子的其他可能原因： – 光电效应 – 二次电子发射
当处于正比区，可以忽略上面两种情况。
在一个大气压下，电子在气体中的自由程约 10-3～10-4cm，气体的电离电位～20eV。要使电子 在一个自由程就达到电离电位，场强须>104V/cm。
正比计数器通常采用圆柱形电极，便于产生高场强。
3) 电离室的坪特性曲线
----电离室的计数率与工作电压的关系 对于单能入射粒子且束流不变的情况下：
n 甄别阈h
V0
f (h)
输出脉冲幅度与工作电压V有关
h hm in
hm ax
n
பைடு நூலகம்
最大输出脉 冲幅度等于 电子学系统 的甄别阈。
Vd
h
最小输出脉冲幅度等于 电子学系统的甄别阈。
甄别阈h
V0
4) 探测效率（本征探测效率）
测量能量。
电子脉冲电离室 T-<T<T+
电子收集完全， 离子未能收集完全
V=Q/CE0
脉冲电离室的性能
1) 脉冲幅度谱与能量分辨率
脉冲电离室主要用来测量重带电粒子的能谱。
多道测量的脉冲幅度谱（能谱）
绝对能量分辨率： E
dn ( dn ) dh dE
半高全宽 FWHM
h( E )
相对能量分辨率：
I (t)
R
R RL // Ra
V (t ) C
C Ca C0 CS
脉冲电离室的种类
根据输出回路时间常数的不同，分为离子脉冲电 离室和电子脉冲电离室。
输出回路 时间常数
电子和离子 的收集情况
输出电压 脉冲波形
离子脉冲电离室 T>>T+,T-
电子和离子均收集完全
不再与辐射能量成 正比，与地点有关。 采用屏栅电离室可
正比区气体放大倍数
M exp{2( kN0V0 )1/2 ( Ln(b / a)
r0
a )}
exp{2( kN0V0a )1/2 ( V0 1)}
Ln(b / a)
Vd
2m
电压为V0时，电子在r0处开始雪崩；V0=Vd（阈电压）时， r0 =a； m为电子从r0到a的路程上发生电离碰撞的平均数。