8.2.2 脉冲电离室及其输出信号在线视频

现在我们知道了

电离室的工作机制

我们用电离室测量

入射辐射粒子的能量

需要满足什么条件呢

想用电离室测量

入射辐射粒子的能量

电离室必须工作于

脉冲的工作状态

而且它的输出信号幅度

应该和单个粒子

在电离室灵敏体积的气体中

电离产生的离子对数成正比

那什么是脉冲电离室

脉冲电离室是电离室的

一种工作状态

此时它的输出信号

仅反映单个入射粒子的电离效应

脉冲电离室可以测量

每个入射粒子的能量和时间信息

下面我们来介绍一下脉冲电离室

我们首先来看脉冲电离室

它的输出信号

以及脉冲电离室的工作原理

刚才说了脉冲电离室

就是处于脉冲工作状态的电离室

其实这个里面的脉冲

描述的是它的一种工作状态

这个时候电离室的输出信号

仅反映单个入射粒子的电离效应

可以用脉冲电离室

测量每个入射粒子的

能量 时间等等信息

也可以测量入射粒子流的强度

也就是你可以对一定时间里面

入射粒子流进行计数

通过这个我们得到计数率

也就知道了入射粒子流的强度

脉冲电离室的输出信号呢

我们可以分成几种信号

首先我们要探讨的是

它的电荷信号

然后去探讨它输出的电流信号

在回路里面有负载电阻的时候

我们讨论它输出的电压信号

下面我们讨论的过程里头

都假设入射粒子在灵敏体积里面

产生了N个离子对

并且我们忽略扩散和复合的影响

一般情况下气体探测器

也都可以忽略

扩散和复合的影响

而且在信号结束之前呢

探测器灵敏体积里面

不再有其他入射粒子产生电离

也就是完全是一个脉冲工作状态

这样的一个情况

我们先来看

脉冲电离室的总输出电荷量

电离室灵敏体积里面产生了

N个离子对并全部被极板收集

这个时候总的输出电荷量是多少呢

它应该等于

q等于N×e

N=E/W

E是入射粒子损耗在气体中的能量

W是这个气体

对这种粒子的平均电离能

这一结果根据我们刚才讨论的

就是电离室的工作机制

我们会知道

它和极板的形状

电场的分布

输出回路的参数

电离产生的位置等等

都是没有任何关系的

也就是说你那些参量变

其实它不会改变

我们上面的这个结论

因此我们说电离室本身

是一个理想的电荷源

外回路的参数对输出电荷量

是没有影响的

下面我们看一下

脉冲电离室它的输出电流信号

首先看一下

负载电阻等于0的情况

负载电阻等于0的情况呢

是最简化的一种情况

这种情况就相当于是

用输入电阻很小的电流计

来测量电离室的输出信号的情况

测量它的输出电流信号

也就是我们刚才描述的

那样一个情况

我们在这样的一个回路里面

放上一个电流表

我们直接去测量正负电荷运动

所引起的感应电流的一个情况

这个感应电流呢

用i（t）去表示

或者i（t）就等于i+加i-

流过回路的总电荷量是e

电子和正离子

在电场中漂移的过程

实际上呢

我们说是电场对电子和正离子

做功的一个过程

因为它们的漂移运动

其实是在电场的驱使下来完成的

这个时候电场要消耗功率

消耗的功率是多少呢

显然和你这个电荷量

就驱动了多少个电荷有关系

和你这个电场强度有关系

和你这个运动速度有关系

我们把它分别写成两个部分

这个地方呢

我们描述的是

分别对一个正电荷

和一个负电荷做功的情况

电源提供的功率是多少呢

电源提供的功率呢

就应该等于

这个电源的电压V0

乘上流过电源的电流IT

去表示它

当然IT我们可以分成两部分

其实这个it就是感应电流了

就是i+t加上i-t

由能量守恒定律呢

上面两个式子是相同的

我们求解这样的一个关系

就可以得到t时刻

一个正离子和一个电子运动

所引起的回路的电流

我们可以用i（t）和i-（t）

小的i去表示它

在t时刻灵敏体积里面

可能有N+正离子和N-电子

总的回路里面流过的电流

我们叫它输出电流

可以用一个所有正离子运动

所引起的感应电流

和所有电子运动

所引起的感应电流

求和得到

这个里面我们用大写的I+

和大写的I-去分别表示正离子

所有的正离子运动

所引起的感应电流

和所有的电子运动

所引起的感应电流

把它们之和

我们叫做电离室的本征电流

电离室的本征电流呢

我们会看到

就是由于电离室里面

正负电荷的运动所引起的

这两部分电流的持续时间呢

显然我们说是不一样的

前面我们分析过

离子的漂移速度要慢得多

所以离子电流的持续时间呢

通常要长得多

当然离子电流本身的

这个数值要小得多

我们再来看一下负载电阻

不等于0的情况

这种情况呢

我们说在回路里面

其实要消耗一定的功率

因为回路里面

是有消耗功率的元件的

这个时候做功的还是电源

我们电源做的功率呢

我们用wt去表示它

当然这个时候

灵敏体积里面的电子和正离子

在电场作用下的漂移

还是要消耗功率

我们用Wet去表示它

由于外回路里面有原件了

外回路里面流过电流的时候

这个两个极板上的电压

其实是要发生变化的

也就是说

这个电容就电离室本身的

电容上面的能量是要发生变化的

我们把它的储能发生的变化

用Wc1去表示

当然回路里面的元件

也会消耗功率

我们用Wot去表示它

推倒这个信号的过程呢

还是用到了能量守恒定律

提供的功率应该等于消耗的功率

也就是Wt应该等于

另外三个功率之和

具体的推导过程呢

我们在这个地方不详细去描述

我们直接把它的结果

给大家表示出来

得到的结果是什么呢

得到的结果是上面这个关系

流过回路的这个电流

应该等于两部分电流之和

一个是流过这个R0

就是负载电阻和测量电路的

输入电阻的并联

然后是流过电容的电流

这两部分电流之和

I0（t）应该等于什么呢

根据我们前面的能量守恒

然后推导出来的关系

它应该等于E/(V0-V(t))

然后乘上后面这一部分

这个地方要注意一下

我们由于有负载电阻的存在

两个极板上

它的电位是会发生变化的

也就是说不像没有负载的情况

没有负载的情况

就回路里面不会有压降

也就是说它的电场

是一个稳定的电场

但是有负载电阻之后呢

它的这个电场

是要发生变化的一个电场

所以这个流过回路的电流呢

它不是和我们前面

没有负载电阻的情况下

是不一样的

也就是说V0-Vt

这个地方要注意一下

Vt我们说往往比V0

其实要小得多

V0一般是千伏量级

Vt一般是毫伏量级

所以这两个数值之间

差了好多个量级

所以我们说通常情况下

是Vt远远小于V0

所以上面这个式子就约等于

就是I0（t）就约等于E/V0

乘上后面这一部分

这样的话我们会看到

如果是有这样的一个Vt

远远小于V0这样一个条件

这个时候

外回路里面流过的电流

和我们前面说了

没有负载电阻的时候

流过的电流

就近似相等了

这种情况下呢

我们也可以把电离室

看成是一个理想的

内阻无限大的一个电流源

当然这是有条件

条件就是Vt远远小于V0

这个条件

我们说往往是容易满足的

所以这个要注意一下

我们说流过回路的这个电流

和流过电离室的电流

其实并不相等

差了一点

差了一点呢

就是流过这个电离室本身

有一个电流

就是流过c1本身有一个电流

这个要注意一下

从这个地方的分析呢

我们可以得到

电离室输出回路的

一个等效电路

我们说既然电离室

可以看成是一个电流源

电流就是用I0（t）去表示

I0就是它的

刚才说了是它的本征电流

电离室本身也有电容

所以我们可以用I0并上C1

去表示它

表示这个电离室

这样的话我们可以整理得到

电离室输出回路的等效电路

这个部分描述的就是那个

电离室的部分

用I0（t）并上C1去描述它

因为I0（t）是它的本征电流

这个本征电流呢

比流过回路的电流要大

大多少呢

大的部分就是流过c1的电流

所以我们把c1给它并上去

然后把外回路给它并上去

这样的话就是可以等效

后面就是负载电阻和杂散电容

还有测量电路的输入电阻

输入电容

当然它们之间是一个并联的关系

这个地方

我们说会产生一个电压降

这个电压降就是Vt

我们稍微把这个关系整理一下

我们可以得到下面这个

比较简单的一个电路图

在这个图里面

I0（t）就是电离室的本征电流

也就是我们把它

就是一个电离室

等效成了一个电流源

当然这个还有一个C1

我们把它整理到和后面的电容

它本身是一个并列的关系

我们用C0去表示

所以C0暗含了三部分的电容

R0是两个电阻阻值并联的一个关系

所以这个地方

我们可以写出它们的关系来

有了这样一个简单的电路图

显然vt和I0（t）的关系

我们可以直接去描述了

I0（t）就应该等于V(t)/R0+C0dV(t)/dt

也就是说

这个电流应该流过了

回路的两个部分

一个是流过了R0

一个是流过了C0

后面这个式子

我们显然可以看出来

它其实是V和I的一个关系

也就是输出电压信号

和电流信号之间的一个关系

如果你电流信号已经有了

通过后面这个式子很容易得到

这个脉冲电离室输出的电压信号

所以我们用这样的一个

输出回路的等效电路去分析

很容易得到这样的一个关系

这个地方呢

它输出回路的等效电路

虽然我们是描述的电离室的

输出回路的等效电路

大家也要注意

其实我们后面讲到的各种探测器

它输出回路的等效电路

最后都可以用这样的一个形式

去描述

也就是说我们讲到的各种探测器

本身都可以用一个电流源

并上一个电容去描述它

有了这样的关系我们再来分析

脉冲电离室的输出电压信号

怎么分析呢

就是刚才那个关系

I0（t）等于V(t)/R0+C0dV(t)/dt

在I0已知的情况下

我们求解Vt

所以这是一个解微分方程的过程

求解的结果我们用下面这个式子

去描述它

当然这个暗含条件是

电压信号是0

我们把它也放进去

显然我们就可以得到

Vt是这样的一个表达式

显然我们会看出来

Vt的具体的这个形式

和R0C0的取值是有关系的

当然和I0的具体的情况

是有关系的

它决定于I0（t）和R0C0

得到了这个输出电压信号的

表达式之后呢

我们对输出电压信号

做具体的分析刚才说了

这个输出电压信号呢

和R0C0其实有关系

我们把它分成两种情况去讨论

一个是R0C0远远大于T+

这种情况

T+在这个里面描述的是

全部的正离子被收集的时间

R0C0远远大于T+

描述的就是全部的电子

和正离子的漂移

对输出电压信号

都有贡献的一种情况

在这种情况下我们来看一下

输出电压信号

它的具体的形式

我们分时间段去讨论一下

先来看t

t

所以上面的两个指数的部分呢

是约等于1的

我们直接用1去替代它

得到了这样的一个关系式

这个关系式里面呢

我们说后面这个

电流对时间的积分呢

其实就是一个电荷量

就是随着时间流过回路的

总电荷量的一个形式

因为总有电流的存在

所以后面这个

电流对时间的积分的部分

是不断增加的

也就是说

这个电压信号是在一直上升的

我们叫电压信号的上升的过程

T=T+的时候

我们来看一下

T+刚才说的是所有的正离子

被收集的时间

我们这个里面认为

电子早就被收集完了

所以所有的正离子被收集的

这个时间之后就没有电流了

因为都没有电荷的运动了

所以这一刻呢

对应到就是电流的积分呢

是得到了总的电荷量

就是流过回路的总电荷量

也就是N×e

所以我们会看到

这个时候达到了

输出电压脉冲信号的最大值

这个最大值我们用h表示它

它应该等于Ne/C0

N又等于e/w

所以我们会看到h和e之间呢

是一个正比关系

因为一般情况下

W本身是一个常量

C0在确定了电路的情况下

也是一个常量

我们再来看

T>T+的时候

t>T+的时候

显然这个时候

我们说那个积分

已经不用再积了

因为已经没有电流了

这个时候就变成了一个

指数下降的一个信号

也就Ne除以C0

再乘上一个e^(-t/R0C0)

所以这个指数下降的

这个信号的时间常数

就是R0C0

所以它是一个随着R0C0

这样一指数下降的一个

一个电压脉冲信号

所以通过上面的分析

我们会看到

它的上升它达到的最大值

和它下降的一个过程

在这样一种情况下

我们说t等于T+的时候

输出电脉冲信号

是达到它的最大值

我们叫输出电压脉冲信号的幅度

它等于Ne除以C0

显然刚才分析了h和e之间

就是一个正比关系

可以用输出电压脉冲信号的幅度

去测量入射带电粒子损耗

在探测器里面的能量

第二个我们也可以看到

C0越小h就越大

就是在相同q的情况下

所以通常情况下对于探测器来说

我们总是希望它的电容

就c0应该尽量的小

C0有几个成分

我们知道

然后这个里面呢

我们说尽量能够降低的

其实是c'

就杂散电容的部分

因为其它的部分呢

我们在设计的过程里头

已经在尽量的减小了

但是杂散电容的部分呢

它和你的连线等等都有关系

所以我们不能随随便便的

把这个放大器和探测器

连在一块去用

我们尽量的要想办法

把这部分杂散电容给它降下来

我们把R0C0远远大于T+

这样一个工作状态的脉冲电离室

叫做离子脉冲电离室

离子脉冲电离室

我们会看到

它的输出电脉冲信号幅度很大

可以用来测能量

这是它的优点

但是离子脉冲电离室

它也有一些问题

主要的问题是什么呢

我们会看到

所有的电流

对输出电压信号有贡献

所有的电流包括了离子的电流

离子电流的持续时间是很长的

通常我们说在毫秒的量级

这样的话输出电压脉冲信号的

宽度就会比较大

宽度大

我们说这样的话

入射粒子流的强度就不能太大

否则这个信号就叠在一块

信号叠在一块呢

它就不是一个脉冲工作状态了

另外一个

虽然我们说的信号大

但这个信号其实也没那么大

因为它是q除以C0直接的

一个信号

这种情况下呢

我们后面依然要接放大器

因为这个信号宽度很大

所以要求放大器电路的频带

是很宽的

这样的放大器呢

往往噪声很大

你的信号小

噪声 就放大器的噪声又大

这样的信噪比很差

所以这种情况

不是使用的一个情况

我们再来看第二种情况

就R0C0远远小于T+

但是我们要求它远远大于T-

这样一个情况

这个里面的T-指的是

所有的电子都被收集的时间

T+刚才说了

是所有的正离子被收集的时间

T+往往比T-要大3个量级

所以我们在中间

找这么一个合适的R0c0

还是可以找到的

这个时候正离子漂移

对输出电压脉冲信号的贡献呢

可以给它忽略掉

所以我们只考虑

电子漂移引起的

感应电流就可以了

所以我们电流信号的部分呢

我们直接把那个I+

那个部分给它扔掉

所以最后我们直接把这个I0-

就是由于电子漂移

引起的感应电流

去替代前面说的

那个总的电流信号

我们就可以得到这种情况下

它的输出电压脉冲信号

我们还是分时间段去考虑一下

t小于T-的时候

同样满足这样的这个关系

我们会看到

这个时候呢

也是这个电脉冲信号

在上升的一个过程

我们叫电脉冲信号的前沿

t等于T-的时候呢

就是所有的电子被收集的时刻

其实从这一刻往后

就没有电子电流了

只剩下了离子电流

我们说离子电流贡献

我们又给它忽略掉

所以从这个时刻往后

就没有电荷量的收集了

所以它的信号应该下降

所以这一时刻

是它的电压脉冲信号

达到最大值的时候

我们用Q-/C0去表示它

我们用h-去描述

这个时刻往后

就t大于T-的时候

刚才说了这个信号开始下降

下降的时间常数是多少呢

R0C0

还是一个e指数下降的

这样的一种情况

这个地方要注意

是h-而不是h

Q-等于什么呢

Q-我们说

它其实是每一个电子被收集时的

最终电位位和最初电位之差

处以V0乘上e的一个数值

我们把每一个电子

它的这个被收集之前

所对应的流过回路的感应电荷量

给它加起来就是q-

这样的话

我们会看到输出电压脉冲的幅度

Q-除以C0

不仅仅和产生的

离子对的数目有关系

就上面这个式子里面

其实也有N

N就是离子对的数目

但是它也和离子对的生成位置

是有关系的

在这种情况下

输出电压脉冲幅度呢

是q-除以C0

仅取决于电子漂移

在外回路里面流过的

感应电荷量

由于R0C0年远远小于T+

所以我们R0C0的选择

往往在微秒

或比微秒大一点这样的量级

这样的话我们就可以大大降低

电压脉冲信号的宽度

可以得到比较快的响应时间

我们把工作在这种状态下的

电离室

就是脉冲电离室

称为电子脉冲的电离室

当然电子脉冲电离室

有一个比较严重的问题

就是刚才我们说

它的输出电压脉冲信号的幅度

H-和初始电离的位置是有关系的

这个是我们特别不想要的

为了解决这个问题呢

可以通过引入

圆柱形的电子脉冲

电离室或者屏栅电离室来解决

圆柱形电子脉冲电离室

和屏栅电离室

大家看一看讲义上面都有

也很容易理解

怎么去消除了

这种和初始电离位置的

这种关系的

关于脉冲电离室

输出电压脉冲信号呢

我们先来做一个小结

首先我们说电子离子对

在电离室里面一旦形成

在电场的作用下就开始漂移

立即就有输出电流信号

电压脉冲信号的上升时间呢

就是电流信号的持续时间

当然和R0R0的大小有关系

也就是说这个电流

R0C0很大的时候

指的是总电流

R0C0小的时候指的是快电流

也就是电子电流的部分

电离室输出电流信号呢

当然包括了快成分和慢成分

它的比例

显然和电离产生的位置

是有关系的

导致离子脉冲电离室

输出的电压脉冲信号

其实是一个变前沿的脉冲信号

也就是说

你这个快成分和慢成分的

比例不一样

你电离产生在不同的位置

这个电流是一个变形状的电流信号

变形状的电流信号

导致产生了一个

变前沿的输出电压脉冲信号

这个输出电压脉冲信号的

上升时间的涨落呢

达到了毫秒量级

电子脉冲电离室

输出电压脉冲信号呢

本身又是一个变幅度的情况

这个变幅度刚才说了

其实是因为这个电子产生的位置

和最后流过回路的感应电荷量的

大小是有关系

这样的话我们说脉冲电离室

如果是离子脉冲电离室的话

它一定是一个变前沿的这种情况

如果是电子脉冲电离室呢

当然它的前沿根据这个位置

也是发生变化的

幅度的也有可能是变化的

除非你采取特殊的措施

就像采取这种圆柱形的

电子脉冲电离室

或者屏栅电离室

屏栅电离室本真

也是一种电子脉冲电离室

这样的情况下

消除了开始的时候

电子产生位置

和输出电荷量之间的关系

就是尽量减小这个关系

才能达到一个使用的目的

第三个是电子或者正离子的漂移

对输出电压脉冲信号的贡献

其实取决于电子或者正离子

扫过的电位差

当然这个是我们前面说的

那个关系

这个就是脉冲电离室

以及它的输出信号的一个部分

这一节我们需要掌握

什么是脉冲电离室

脉冲电离室产生信号的物理过程

究竟是一个什么样的过程

它的三种输出信号

怎么去理解它

为什么说

电离室是一个理想的电荷源

通常不是一个理想的电流源

但是一般又可以简化为

一个电流源

简化为电流源之后呢

我们还要考虑上它的电容

这样的话才可以

这个整体上来说

都是由它的输出信号的

物理过程来决定的

我们要能够掌握

拿到一个就是电离室

或者是其它的探测器

接上输出回路

这种情况下呢

你应该能够画出

它的等效电路来

画出等效电路呢

特别有助于我们去分析

它的输出信号

以及我们分析哪个参数

对它的输出信号

产生了比较大的

比较重要的影响

这个是我们这个部分

需要掌握的一些内容

这一节就到这里