8.1.1 气体中离子与电子的运动规律在线视频

现在我们来讨论

第八章气体探测器

从第八章开始我们开始了

辐射探测器的学习

那么什么是辐射探测器呢

辐射探测器

就是利用辐射在气体液体

或者固体中引起的电离 激发

或者其他的物理化学变化

进行辐射探测的器件

一般我们简称为探测器

在辐射探测中

我们必须要用到辐射探测器吗

辐射是看不见摸不着的

是我们人类的感官不能直接感知的

因此必须借助于辐射探测器

来探测各种辐射

给出辐射的类型 强度

能量及时间等特性

辐射测量和辐射应用中

主要就是测量这些物理量的

那探测器都有哪些类型呢

按探测器的介质类型

和作用机制来说

探测器可以分为气体探测器

闪烁探测器和半导体探测器

后面的三章我们分别会介绍到

那么辐射探测的基本过程

是怎么样的呢

辐射探测的基本过程

可以分为这么几步

辐射粒子首先要进入

探测器的灵敏体积

如果进入探测器的灵敏体积的

是直接致电离辐射的话

它就和探测器的工作介质直接作用

通过电离激发等效应

在探测器中沉积能量产生载流子

如果进来的是间接致电离辐射

那需要通过相互作用

来产生直接致电离辐射

然后再通过电离激发等效应

在探测器中沉积能量

产生载流子

最后探测器通过各种

它自己的工作机制

将沉积能量

转换成某种形式的输出信号

什么是信息载流子

信息载流子指的是

辐射在探测器灵敏体积内

沉积能量产生的

它的运动能对输出信号产生贡献

单位能量产生数量

决定探测器能量分辨率的

电子离子对

电子空穴对或电子等

信息载流子是一个统称

在气体探测器中

它是入射带电粒子

在探测器灵敏体积内产生的

电子离子对

在闪烁探测器中

它是被光电增管

第一打拿级收集的光电子

在半导体探测器中

它是探测器灵敏体积内

产生的电子空穴对

在辐射探测器部分

我们学习要点是什么呢

主要是下面这四个方面

第一个就是探测器的工作机制

第二个是探测器的输出回路

与输出信号

第三个是探测器的主要性能指标

最后还要了解一下

各种探测器的典型应用

我们先来看第八章的第一节

气体中离子与电子的运动规律

那么气体中离子和电子的运动规律

是气体探测器的一个基础

你知道了气体中离子和电子

它是怎么样的一个运动规律

才能用这样的规律去分析

气体探测器本身的工作原理

那么先来看一下

气体中怎么产生的离子和电子

这个就要回到我们第六章的内容

也就是气体中的电离

那么气体的电离

其实就是入射带电粒子

在气体中和气体这种介质

发生相互作用

使气体介质发生了电离或者激发

我们气体探测器用到的

就是它的电离的效应

这个里面我们把电离也可以分为

原电离和次电离

原电离指的是入射带电粒子

直接电离产生离子对叫原电离

如果原电离中产生的高速电子

前面我们说过就是δ射线

它具有的能量还足够高

它还可以使气体介质发生电离

我们叫它叫次电离

总的电离就是原电离加上次电离

探测器输出信号的大小呢

应该是和总电离成正比的

带电粒子在气体中产生的离子对数

究竟是多少呢

我们来看一下

这个里面我们定义一个新的物理量

叫平均电离能

所谓的平均电离能

就是带电粒子在气体中

产生一个电子离子对

所需要的平均能量

研究发现

不同气体的这个值是不一样的

但差别并不会太大

一般是30eV左右

下面我们给一张表

表里面给出了各种气体的平均电离能

当然从表上也可以看出来

对不同的带电粒子

同一种气体

它的平均电离能也是有差别的

但是这个差别并不大

所以在实际应用中

我们要注意到这一点

如果入射带电粒子的能量是E0

当它的能量全部损失

在气体介质中的时候

那么产生的平均离子对数是多少呢

我们来看一下

显然这个值就应该等于E0除以W

当然这个离子对数是有方差的

前面我们说过

这个就是电离过程的统计涨落

电离过程的统计涨落

是服从一个法诺分布

所以这个离子对数的方差

就等于F×E0/W

也就是F乘以N

那么F就是法诺因子

实验测量

不同气体的法诺因子也是不一样的

一般测量的结果

是在0.05到0.2之间

我们再来看一下

气体中激发原子的退激和光子电离

我们知道

带电粒子在电离能量损失的

过程里面

除了产生电离之外

它一定也会产生激发

也就是产生了处于激发态的原子

这些原子的退激方式

我们说可以有这么几种

第一种就是往外辐射光子去退激

这个发射的光

是波长接近于紫外光的一个光子

这些光子其实可以在周围介质中

打出光电子来

当然这是光子电离的一个过程

或者这个光子也有可能

被某些气体分子吸收

而使这个分子本身离解

后面我们会讲到这一点

另外一种退激的方式

就是发射俄歇电子

不管是辐射光子

还是发射俄歇电子

我们说通常这样的过程

都是很快的

在纳秒以内完成

那么另外一种呢

有可能你激发到了这个气体分子

它是处于一个亚稳态的这种情况

那么亚稳态原子的退激呢

它会时间会更长

所以一般来说

在10^-2~10^-4秒

只有当它和其他粒子

发生非弹性碰撞的时候

才能退激

后面我们还会用到

亚稳态原子的长寿命的特点

下面我们看一下电子和离子

在气体中有哪些运动

电离产生的电子和正离子在气体中

它有各式各样的运动方式

通常会有这些

一个是扩散

一个是电子吸附

一个复合

一个定向漂移

还有一个电荷转移的效应

所谓的扩散呢

其实是由于这个电荷的密度的不同

所引起的一种运动

这种运动在任何的气体里面

其实都是存在的

如果一种气体它的密度

在这个气体整个成分里面

不一样的话

它会从大密度的地方

向小密度的地方去扩散

这个对于电荷来说也是一样的

电子向电子少的地方去扩散

离子向离子少的地方去扩散

这个叫扩散运动

扩散运动呢

在我们一般的气体探测器里面

我们总是希望它尽量小一点

但是从这个具体的探测器的角度来说

电子因为它的平均自由程

和乱运动的平均速度

都比离子的要大得多

所以它的扩散系数

比离子的也要大得多

所以电子的扩散更严重一些

那么电子吸附

就是电子在运动的过程里面

它和气体分子碰撞

有可能会被这个气体分子俘获

形成了一个负离子

我们把这样的现象

称之为吸附效应

我们把每次碰撞中

电子被俘获的概率

称为气体的吸附系数

我们把吸附系数

大于10的负5次方的这种气体

称为负电性气体

那么例如氧气

水蒸气都是负电性气体

像卤素它的吸附系数

都可以达到10的-3次方

也就是说

它肯定也是一种负电性气体

吸附就会产生负离子

这个时候使电子少了

增加了一个负离子

变成离子之后呢

我们后面会看到

它的漂移速度会明显地降低

漂移速度降低

就会增加后面我们说到的

另外一种特别不好的效应

叫复合

所以这种情况下对气体探测器的

这种工作状态是有影响

所以通常的情况下

我们都是要选择

吸附系数小的气体

作为气体探测器的工作介质

但是有的时候我们希望

它的这个扩散效应要降低

有的时候可能人为的

会加入一些负电性气体

复合就是指的电子与正离子

或者负离子与正离子相遇的时候

复合成中性的原子

或者分子的这种过程

当然我们看复合是使得

电离过程产生的电子和离子

消失的一个过程

使得产生信号的离子对数目

显然是会减少了

破坏了原来入射粒子电离效应

和输出信号之间的这种正比的关系

所以复合现象在探测器工作的

这个情况下

是要尽量避免

复合引起的离子对数目的损失率

与正负电荷的浓度之间

是有关系的

一般来说

和正负电荷浓度的乘积成正比

有个比例系数我们称为复合系数

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的多

这也就是我们前面说

为什么不希望有负电性气体的

一个原因

那么下面我们看定向漂移

定向漂移运动是气体探测器

能够形成输出信号的一个运动方式

在外加电场的作用下离子和电子

除了与作热运动的气体分子碰撞

而杂乱运动

和因空间分布不均匀

而造成的扩散运动之外

一定还会由于由外加电场的作用

而沿着电场的方向

有一个定向的飘移运动

这个是在电场的驱使下

产生的一个运动的方式

我们把它运动的速度

称为漂移速度

离子和电子的飘移运动

其实是不一样的

我们先来看一下

离子的定向漂移

在有电场存在的情况下

我们说离子就会从这个电场里面

获得能量

那么在两次碰撞之间

我们说离子从电场中获得的能量

其实又会在碰撞的时候损失掉

所以离子的能量

其实是积累不起来的

离子的平均动能

和没有电场的情况下是相似的

也就是说

离子的这个平均的运动的能量

并没有发生改变

我们有这样的一个公式去描述它

也就是说它的这个运动的速度

依然是和温度直接相关的

它的漂移速度

我们用下面这个式子去描述

前面这个μ的话

我们叫离子的迁移率

上面是电场

下面是气体的压强

也就是说我们会看到离子的

漂移速度在气体压强不变的情况下

它通常情况下

是和电场的强度成正比的

你电场越强

离子漂移的越快

电场弱了呢

离子漂移的就会慢一些

那么离子的迁移率

我们也可以给它一个表达式

从这个表达式里面

我们可以看出来

离子的迁移率的大小

和这个乱运动的平均速度

是有关系的

乱运动的平均速度越大

它的迁移率就会越小

所以通常情况下

我们想办法要降低

它乱运动的平均速度

这样的话可以提高它的迁移率

提高迁移率呢

在相同电场和相同气压的情况下

就可以提高它的漂移速度

提高了它的漂移速度呢

后面我们从形成信号的角度来讲

就可以提高它的输出电流的大小

电子和气体分子

发生弹性碰撞的时候

每次损失的能量是很小的

这个我们第六章的时候说过

因此电子在两次碰撞中

有外电场加速的能量

它是可以积累起来的

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

或者是发生了非弹性碰撞为止

我们说达到平衡状态的时候

也就是能量损失

等于从电场获得的能量的时候

电子的平均能量呢

我们用下面这个表达式表示

这个表达式前面

我们会看到多了一个系数

这个系数我们称为电子温度

电子温度是和电场强度有关的

这个就不像刚才我们说的

离子的它的那个漂移速度

只是和温度相关

这样的一个情况

那么电子的漂移速度呢

和约化场强

显然不是一个正比关系

当然我们也可以

给它写出一个函数来

一般情况下呢

这个函数都还是需要实验测定的

因为你对于不同的气体成分

不同的这个压强

函数关系的表达式不一样

一般情况我们给出来的

是实验的曲线

那么这个地方

我们给出几条实验曲线

从这个实验曲线上

我们可以看出来

纯的氩气的话

它的漂移速度

在相同电场压强的情况下

漂移速度是比较小的

那么参入了一些甲烷之后

我们会看到

随着你参入甲烷气体比例的不同

它的漂移速度在相同电场

相同气压的情况下

也有一个明显的差别

所以一般的情况下

我们都是要在氩气里面

在冲入一些这种多原子分子气体

这样的话可以提高

在相同电场相同气压下

电子的漂移速度的

电子的漂移速度提高

对于我们输出信号来说

也是有利的

所以电子的漂移速度可以看出来

它对气体的成分是很敏感的

加入少量多原子分子气体

或者双原子分子气体

就可以显著的提高

它的漂移速度

我们来看一下

电子和离子定向漂移

它的主要区别是什么

一个是速度上的区别

我们说电子的漂移速度呢

通常情况下

是在10的6次方厘米每秒

这样的一个速度

离子的漂移速度

比它要小3个量级

也就是10的3次方厘米每秒

这个对于气体探测器

形成信号来说

也是非常重要的一个基础

也就是说

最后我们讨论信号的时候

总是把它分成了两部分电流

一个叫电子漂移引起的电流

一个叫离子漂移引起的电流

原因很简单

就是因为这两个电流的差别

是非常大的

第二个我们说电子的漂移速度

对组成气体的组分极为灵敏

这个刚刚说过

那么通常情况下

我们还是要在惰性气体里面

再加入少量的多原子分子气体

然后使电子的漂移速度增加

这样的一个情况

下面我们来看一下电荷转移效应

那么电荷转移效应指的是

正离子和中性的

气体分子碰撞的时候

正离子和分子中的一个电子结合

成为中性分子

中性分子

这个时候又变成了正离子

这样的一个过程

当然我们说电荷转移效应

只有在混合气体里面

才能体现出来

那么电荷转移效应

通常产生更重的离子

因为更重的这种气体分子

它的电离能会更小一点

那么使离子的迁移率减小

漂移速度降低

这个看起来是不太好的一个现象

但是我们说

产生的较重的这个离子

往往又有一些它的特点

这个特点在我们后面

消除离子反馈的过程里面会用到

从前面讲述的几种情况来看

我们说复合效应

电子吸附效应

电荷转移效应

如果是从它本身的

某一个方面来讲

都是不利于电荷收集的

像复合效应是使得电荷减少了

显然这个复合效应是完全

我们不想要的一个效应

那么电子吸附效应

是电子的漂移速度就

变成了负离子

显然是漂移速度降低了

那么通常情况下

也是我们不想要的

当然有的时候我们会想要到它

就是有时候为了测量这个径迹的

更好的话

可能会使得让它变成负离子

这样的话扩散会小一些

那么电荷转移效应呢

往往我们从上面来看的话

就是使得离子的漂移速度降低

也是不好的

但是如果是一个正面节油器

或者G-M管的话

你还必须得这么做

否则的话

我们说会产生更严重的问题

所以这个电荷转移效应

往往是我们需要的

我们看最后一个部分

电子雪崩

电子在电场中获得能量

如果能量足够高的话

它会在气体中产生碰撞电离

那么电离产生的电子和原电子

继续在电场的作用下积攒能量

再去产生碰撞电离

这样的话就会像滚雪球一样

把这个电子离子对的数目

逐渐的增加

我们把这样的一个过程

叫做电子雪崩过程

我们可以用一张图去描述它

例如我们电场

是这样的一个方向

电子显然是

逆着电场的方向去运动

如果它的能量足够高的话

它会在气体中产生碰撞电离

那么碰撞电离之后

就会有一个新的电子产生

原来的电子当然还在

就是一个电子变成了两个电子

然后两个电子再继续往下走

变成了4个

逐渐越来越多这样的一个情况

最后会产生例如10的5次方

10的6次方

这样的一个放大的过程

我们把这样的一个过程叫电子雪崩

那么电子雪崩是正面节油器和GM管里面

必然会发生的一个过程

那么发生雪崩呢

它是有一个电场要求的

这个电场通常在一个大气压下

是10的6次方伏每米

这样的一个电场强度

也就是说你如果电场强度比它小

那么就不可能发生电子雪崩

这是发生电子雪崩的

最小的一个电场

那么在气体里面

还会有所谓的光子反馈

和离子反馈的过程

那么所谓的光子反馈就是指的

我们前面不管是

直接激发退激产生的光子

雪崩也会产生大量的这种激发

大量的激发也会有退激的过程

退激产生的光子

它继续和气体或者器壁发生作用

打出光电子

光子反馈过程

我们从时间上来看呢

它都是一个快的过程

那么光电子它本身又是电子

它在电场的作用下运动

如果能量足够高呢

它又会产生雪崩

所以我们说

这个叫光子反馈的过程

当然光子反馈这样的过程

只有在有雪崩的情况下

才能体现出来

那么另外一个

我们叫离子反馈的过程

所谓的离子反馈

就是雪崩产生的正离子

经过了比较长的时间

到达阴极表面的时候

和阴极发生电荷中和的过程里头

有可能会在器壁上

打出二次电子来

这个电子进入到第二场以后呢

它在电场的作用下

当然会向阳极漂移

到达阳极附近它又会产生雪崩

我们把这样的一个过程

叫做离子反馈过程

那么离子反馈过程

它本身是一个慢的过程

也就说前面的那个信号

可能已经结束了

那么离子反馈产生的信号呢

又产生出来了

所以离子反馈

会产生一个假的信号

光子反馈会使得

原来的信号变大一些

这两个反馈的过程是不一样的

这个就是我们说的气体中

离子和电子的运动规律

这一小节的内容

这一小节大家把它掌握好了

在我们后面分析

气体工作机制的时候

都会用得到

这一节的内容就到这里