8.2.1 电离室的工作机制在线视频

下面我们进入到第二个部分

电离室的一个部分

我们先来看一下

电离室的工作机制

先来看什么叫电离室

我们说电离室是一种原理简单的

气体探测器

工作介质显然是气体

通常是惰性气体里面

再混上少量的多原子分子气体

工作时必须外加电压

由阴极和阳极在气体中

构建一个电场

在这个电场里面

有辐射和气体

相互作用产生的离子和电子

在电场作用下会定向漂移

然后和它相连的回路里面

就会产生相应的信号

是这样的一种探测器

我们把它叫电离室

所以电离室里面

是没有电子雪崩过程的

我们看一下电离室的基本结构

一般的电离室的结构呢

通常是平板型

或者是圆柱形这样的结构

它都应该包括以下的组成部分

一个是高压电极

可以是正高压

也可以是负高压

一个是收集极

收集极是和测量仪器相连的

那个电极

一般我们希望它处在于

与地电位相近的电位上

当然也不一定

也可以是一个高电位

高电位的话你要引出信号

必须加一个隔直的电容

还有保护极

所谓的保护极呢

通常又称为保护环

它处在于收集极相同的电位

它的出现往往是为了保证

这个灵敏体积的边缘比较稳定

另外一个就是减少漏电流

对输出信号的影响

还有就是工作气体

这个里面的工作气体

就是工作介质

当然就是我们前面讲到的

混合气体

在回路里面我们会引入负载电阻

电流流过负载电阻的时候

就会形成电压信号

通常我们希望测量的

可能是一个电压信号

最后还需要一个密封的外壳

就把前面说的这些东西

都密封在一个外壳里面

最后这个密封外壳

是保证工作气体的

成分和压力不变

也就是说你不能让气体跑掉

也不能让外面的东西进去

所谓电离室的输出回路呢

就是输出信号电流

所直接流过的这个回路

我们叫电离室的输出回路

输出回路里面包括哪些内容呢

第一个是负载电阻

就刚才说的负载电阻

我们要连到这个输出回路里面去

我们是要测量

电离室的输出信号的

所以电离室后面

我们会跟测量的仪器

测量仪器本身

它的输入极探进去呢

就有输入电阻和输入电容

我们这个信号电流

其实也要流过测量仪器的

输入电阻和输入电容

所以这个部分也是我们

输出回路里面的组成部分

当然探测器本身是有电容的

所以探测器的电容

也在这个输出回路里面

你连线呢它会有杂散的电容

所以杂散电容

也在这个输出回路里面

最后输出回路的构成部分呢

包括了这些

我们可以用一张图去描述它

Rl的话就是负载电阻

C‘是杂散电容

剩下的两部分是测量仪器的

输入电阻和输入电容

探测器本身有一个电容

我们用C1去描述它

这个里面分别是负载电阻

探测器电容

测量仪器的输入电阻

和测量仪器的输入电容

还有杂散电容

总的电阻是一个并联的关系

总的电容也是一个并联的关系

所以总的电阻是Rl和R入的

一个并联

总的电容是3个电容并联

电容并联

当然是直接加起来就可以了

我们先来假设在回路里面

没有负载电阻

没有负载电阻的情况

就相当于我们给电离室

只加了一个电压

就是正极负极加电压这种情况

看一下它流过回路的电流

究竟是什么样的一个情况

因为这个时候

是形不成电压信号的

我们给它加上一个高压之后

我们假设上面的极板叫a极板

下面的极板是b极板

显然这个时候我们会看到

a极板是一个高电位

b极板是地电位

a极板上加高压V0

极板ab间它有电容

我们用C1去表示

显然这个两个极板上

就会充上电荷 充电

所以这个过程相当于

给一个电容充电的过程

上面这个a极板充的是正电荷

b极板充的负电荷

充的电量都是c1乘以v0

当然这个电荷符号是不同的

第二步我们在电离室中间的

某一个位置

给它放上一个单位正电荷

看一下放上单位正电荷之后

会出现什么样的一个变化

显然我们在两个极板中间

放一个单位正电荷之后

我们会在两个极板都会感应出

一定的电荷来

当然你放进去的是正电荷

所以感应出来的是负电荷

我们把这两个感应出来的负电荷

和分别用-q1和-q2去表示它

-q1和-q2是多大呢

我们说-q1和-q2

这两个值究竟是多大

我们并不清楚

但我们很容易知道

q1加q2等于多少

这个需要我们

用一个高斯定律去描述它

我们在这个上下极板中间

做一个高斯面

然后高斯的外面呢

我们在电场之外

我们知道这个高斯定律的描述呢

是它这个电场强度

乘以这个面的

对面做一个积分

对面做积分

它等于里面这个面里面

所包含的电荷量

这个面我们看这个面上面

电场强到处都是零

因为我们在这个上下极板

上下极板的中间是没有电场的

然后出了这个外面

当然也没有电场

这种情况下

显然它的积分是零

它的积分是零呢

也就是里面的总电荷量是零

总电荷量是多少呢

就是说下面这个小q是多少呢

它应该等于-q1加-q2

再加上我们刚才说的

上下极板已经充好的那部分电

它应该是零

还包括中间你加入的那个电荷

这样的话我们就可以很容易推出来

-q1加-q2等于e

也就是你加入一个单位正电荷

它在两个极板上

感应出来的电荷量的和

就是你加入的这个电荷量的值

当然符号是相反的

显然如果是一个平板型的

这种结构的话

q1q2应该和你

这个电荷距离极板的距离

是有关系的

电荷离这个极板越近

在这个极板上

感应出来电荷就越多

相应的在另外一个极板上

感应的电荷就越少

放上去一个电荷之后

我们这是一个电场了

这个电荷在电场的作用下

它显然会去运动

我们放进去的是一个正电荷

它会沿着电场的方向去运动

也就是向b极板去运动

这个时候根据上面的这个关系

也就上面这关系刚才说了

和这个距离是

q1+q2等于e

和你究竟在哪没关系

但是q1和q2的具体大小

和你在哪是有关系的

这个运动的过程里头呢

也就是说

上极板上的感应电荷量

q1会不断的减小

下极板上的感应电荷量

会不断的增加

△q1=△q2

这么一个过程

这个感应电荷的变化呢

就相当于是感应电荷

从外回路流过

因为本身气体这个地方

是一个绝缘的

它没办法从这走

所以只能从外回路里面流

这个是一个外回路

产生感应电流的一个过程

我们用i+去表示

它的这个感应电流

正表示的是正电荷运动

所引起的感应电流

我们用一张图去看一下

它的具体的过程

也就是说

这个正电荷在电场的作用下

向下向b极板漂移

这个漂移的过程里头呢

上极板的感应电荷量不断的减小

下极板的感应电荷量不断的增加

当你这个电荷恰好运动到

b极板的表面上的时候

我们说上极板上的感应电荷

就全部通过外回路

流到了下极板上

这个时候为止

就是说你放进去的这个电荷

到b极板的表面之后呢

回路里面的电流其实就结束了

因为没有电荷的运动

就没有电流了

我们说正电荷漂移所引起的

负感应电荷在回路中

流过的电荷量是多少呢

根据刚才我们看到的这个结果

那显然是-q1

这个一定要注意

它不是e 而是q1

当然下一步

就是一个电荷综合的过程

就是你漂过来之后

和你产生的感应电荷中和

这个过程就结束了

所以我们说

当正电荷退到b极板的前一瞬间

-q1全部由a极板

经过外回路流到了b极板

b极板上的感应电荷就是e-

然后当e+到达b极板

E+和b极板上的感应电荷中和

回路里面的电流也就结束了

流过外回路的总电荷量

我们再强调一下是q1

不是e 不是e是q1

Q1的大小

和你一开始这个电荷的位置

是有关系的

刚才我们说的是

放进去一个正电荷

如果我们在两个电极之间

放进去的是一个负电荷

整个物理过程我们看一下

是什么样的

大家也可以先想一想

这个过程

有可能是什么样子的呢

首先我们刚才描述的

关于电荷

感应电荷量的那个关系

还是没有问题的

也就是q1加q2等于e

只不过这个时候的q1和q2呢

都是正电荷

因为你放进去的是一个负电荷

然后负电荷在电场的作用下

它应该怎么运动

它应该是逆着电场的方向去运动

这个过程里头

显然也有感应电荷的一个移动

只不过这个时候呢

是q1增加q2减小

Q2要从q2减小到零

q1要从q1增加到e的一个过程

所以我们也可以用一个图式

去描述它

当你这个负电荷运动到

b极板表面的时候

q2应该全部通过外回路

流到了a极板上去

a极板上的总的感应电荷量呢

就是正的e

最后也有一个综合的过程

我们刚才看到电子漂移所引起的

正感应电荷在回路中

流过的电荷量是q2

而且我们会看到

负电荷运动所引起的

感应电流的方向

和正电荷运动所引起的

就正电荷漂移

所引起的感应电流的方向呢

是一致的

都和这个外面

就是说都是沿着电场的方向

这样的一个运动的方式

就电流的运动方式

我们总结一下

我们说在电场中

引入一个单位的负电荷e-

它将在ab两个极板上

分别感应出一定的正电荷来

分别我们用q1和q2去表示它

当负电荷沿电场

反方向运动的时候

则a极板上的感应电荷q1增加

b极板上的感应电荷量q2减少

整个过程里头

流过外回路的总的电荷量是多少

是q2 不是e

我们还是要强调

它不是e

相应的外回路流过的电流呢

我们用i-（t）去表示

这个负号表示的是负电荷运动

所引起的感应电流

它的电流方向和i+（t）

就正电荷运动所引起的

感应电流是完全相同的

也就是这两部分电流呢

其实是一个叠加的过程

我们之所以把它分开呢

后面我们会看到

其实往往是因为这两部分电流

它的大小持续时间完全不一样

所以我们习惯上

把它分成两部分去处理

但是要注意

这个电流是一个叠加的关系

我们刚才分别在电离室里面

引入的是一个正电荷

或者一个负电荷

实际的情况是什么呢

实际的情况

我们知道带电粒子打到气体里面

它产生电离

电离是同时产生了一个正电荷

产生了一个负电荷

这样的一个过程

所以其实它更是这样的一个情况

就是在电离室里面同一点

引入正负电荷的这种情况

我们在这个电离室里面

同一个点上面放上一个正电荷

放上一个负电荷

同一个点上放上正电荷和负电荷

其实相当于什么都没放

就是你放负电荷

产生了+q1的感应电荷

放正电荷

产生了负q1的感应电荷

其实也是没有的

在b极板上也是同样的情况

但是我们知道

如果这两个电荷在电场的作用下

运动起来的话

它的情况就不一样

怎么运动呢

正电荷当然是沿着

电场的方向去运动

负电荷是逆着电场的方向去运动

刚才说了

正电荷运动

使得a极板上的负感应电荷

通过回路流到了b极板

负电荷往上运动

就往a极板运动

实际上就是b极板上的

感应电荷q2

通过外回路流到了a极板

所以是这样的一个过程

所以统一起来看的话

我们说两个电荷的运动

使得上下感应电荷都发生了变化

这个时候我们总的来看

流过外回路的感应电荷量

究竟是多少呢

那就是q1加上q2

Q1加q2等于多少

就是e

就是e

所以这个时候我们会看到

流过回路的感应电荷量

是单位电荷量

而且我们刚才

这个描述的过程里头

我们并没有说

我放这个正负电荷

是放在电离室的

哪一个位置上去了

没有讨论它的位置关系

也就是说这个结论

其实和位置是无关的

和位置无关呢

这个其实是我们

特别想要的一个结果

我们用一个探测器去测量一个信号

我们当然不希望这个信号的幅度

和你这个相互作用的位置

还有关系

最后有一个电荷中和的过程

电荷分别运动到

各自的极板上的时候

外面的电流也就结束了

所以我们会看到

电荷运动外回路流过的电流呢

是两个部分

一个是i+（t）

一个是i-（t）

流过的总电荷量是两部分

它的和是e

我们做一个小结

我们说只有当空间电荷

在极板间移动的时候

在相应的回路里面

才会有感应电流的流过

这个时候

感应电流它等于两部分之和

一个是正电荷运动

引起的感应电流

一个是负电荷引起感应电流

正负电荷的感应电流的方向

是相同的

在探测器内部呢

都是从正极

或者从阳极流向阴极

电荷漂移过程结束

外回路的感应电流呢就消失了

当负电荷被收集之后外

回路里面就会只剩下

由正电荷运动所引起的感应电流

当正负电荷就是单位正电荷

和单位负电荷

在同一个位置产生的时候

它们在极板上感应的电荷量

分别相同

但是符号相反

当正负电荷漂移结束的时候

流过外回路的总电荷量是确定时

就是一个单位电荷量

这个地方强调一下

是一个单位电荷量

不是两个单位电荷量

别搞错了

虽然我们是两个单位电荷在漂移

但是流过回落的总电荷量

是一个单位电荷量

当然这个地方有要求

要求你这个正负电荷

是在同一个位置上产生的

这个电荷量也就是流过回路的

总电荷量e

和这一段电荷产生的位置是无关的

这个要特别的注意一下

我们再稍微引申一下

当入射粒子

在探测器灵敏体积里面

产生n个离子对的时候

当然这n个离子对里面的

正离子和电子

在电场的作用下都会漂移

这个时候呢

它产生的总的电流信号

就应该是所有的正离子漂移

所有的电子漂移

所引起的感应电流之和

所以我们可以用分别两部分

蓝色的这部分表示的是正离子

漂移所引起的感应电流

红色的部分呢

表示的是电子漂移引起的

感应电流

当N个离子对全部被收集的时候

流过外回路的总电荷量

是多少呢

很显然q就等于N乘以e

N就是离子对的数目

前面我们有知道了

N是由带电粒子

损耗在气体里面的能量

成正比关系的

也就是说q

其实最后就和带电粒子

损耗能量之间

建立了一个正比的关系

而且这个q

只和离子对的数量有关系

而和各个离子段产生的位置

是没有关系的

所以这个q我们可以用它来描述

入射粒子损耗在气体里面的能量

也就是说可以用它来测能谱了

这个部分就是气体探测器中

电离室的工作原理的部分

当然这个部分其实也是其它

我们后面要讲到的气体探测器的

最基本的原理部分

不管是哪一种

前面的那个部分都是一样的

我们要特别强调的是电场中

某一种载流子单独被收集

就是单独电子

或者是单独离子被收集

流过回路的感应电荷量

一般都不仅仅取决于

载流子的数量

而且和你这个电离

究竟发生在电离室里面

哪个位置是有关系的

我们说只有将两种载流子都收集

流过回路的感应电荷量

才只和载流子的数量成正比

而与电离发生的位置无关

两种载流子运动所引起的

感应电流是同方向的

是一个叠加的关系

流过回路的感应电荷量呢

也是一个叠加的关系

它不能抵消

是一个叠加的关系

这个要注意

这一节的内容就到这里