8.3.1 正比计数器的工作原理在线视频

通过前面的介绍

我们知道可以用累计电离室

来测量入射粒子流的强度

可以用脉冲电离室

来测量入射粒子的能谱

我们现在要介绍的正比计数器

也是一种脉冲探测器

那么前述的脉冲电离室

有什么缺点

才使得我们要引入正比计数器呢

电离室是工作原理

比较简单明了的气体探测器

脉冲电离室虽然可以测量

入射粒子的能谱

但是脉冲电离室输出信号的

电荷量很有限

也就是输出信号的幅度太小

受放大器噪声水平的限制

无法测量能量较低的

入射粒子的能谱

因此需要在探测器内部

就要进行信号的放大

这就引入了正比计数器

正比计数器就是在探测器内部

具有放大功能

而且放大倍数

在一定条件下保持不变的

一种气体探测器

这节我们来介绍一下

正比计数器的工作原理

首先我们来看一下气体探测器

输出信号幅度

随着工作电压的一个变化关系

这张图横坐标是工作电压

纵坐标是输出信号的一个幅度

我们假设有两种能量的

带电粒子入射

一个是1MeV

一个是2MeV

我们说当你工作电压

不够高的时候

也就是连电离室的饱和区

都没到达的时候

那么这个时候

其实是处于一个复合区

在复合区的时候

这两条线我们说

也是能够有分开的

但是每一个线随着工作电压呢

都是一个上升的过程

随着工作电压的增加

很快进入到一个饱和区

饱和区就是电离室的工作区域

在这个区域这个输出信号

基本上和你的能量之间

就是一个正比的关系

所以你能量越大

输出信号的这个幅度也是越大

所以这条红色的线

和蓝色的线之间

肯定就是一个这样的关系

在饱和区

我们说随着工作电压的增加

这个线它也是不怎么变化的

这就是饱和

再随着工作电压的增加

很快我们会进入到另外一个区域

那么这个区域我们叫正比区域

正比区域也就是说

这个时候输出信号

随着工作电压的增加

它又会增加了

为什么又会增加呢

不是说因为

初始电离产生的离子对数目

增加了

而是因为电场足够强了

在这个电场里面

又产生了碰撞电离

也就是说产生了电子雪崩的过程

那么电子雪崩的过程

使得初始电离产生的

那些离子对的数目被放大了

那么放大的过程

在这个工作电压

不是太高的情况下

它和你在这个初始的电离产生的

离子对数目之间

是一个正比的关系

所以我们把这个区域

叫做正比区域

正比区域

就是我们讲到的正比计数器

它的一个工作区域

如果你的工作电压再高的话

出了这个正比区域

那么就没有办法去维持

你的这种正比关系了

放大的关系还在

但正比关系没有了

工作电压再高到一定程度的话

不管哪一个能量入射

最后输出信号的幅度

都趋于一致了

那么这个时候呢

进入到另外一个区域

我们叫盖革区

盖革区呢是G-M管的工作区域

我们先来介绍正比区

就是正比计数器的工作区域

正比计数器

是这样的一种气体探测器

它利用到了碰撞电离

利用碰撞电离将入射粒子

直接产生的电离效应进行放大

那么使得正比计数器的输出信号

应该比脉冲电离室要大得多

我们有了显著的增加

我们说对直接电离效应

放大的倍数

我们称为气体放大倍数

用A去表示它

在一定的工作条件下

A保持为常数

所以这里面要注意

正比计数器我们要求有放大

而且要求这个放大倍数

是一个常数

否则它不是正比的关系

这个里面描述的气体放大倍数

放大的指的是在气体里面

电荷量的放大

我们来看它的工作原理

正比计数器

它有本身的一些结构的特点

我们说在结构上

必须能够满足

实现碰撞电离的需要

那么碰撞电离就是电子雪崩

必须在强电场的情况下

才能实现

我们前面说了有一个阈值

在一个大气压之下

电子在气体中的自由程

差不多是

10的-3到10的-4次方厘米

气体的电离电位一般是20eV左右

我们说要使电子在一个自由程

就能达到电离电位

场强差不多是10的4次方V/cm

我们把这个场强叫临界场强

或者阈值场强

为了达到临界场强

并且实现是一个正比放大的过程

我们需要用到非均匀的电场

如果你是一个均匀电场

又强到了这么高的话

那你可以实现放大

但不能实现正比

我们要用一个非均匀电场

初始电离呢

我们在那个

不能发生雪崩的区域里面去完成

然后初始电离产生的电子

往这个强的电场区域去漂移

让每一个电子所能经受的

这个放大的过程都一样

这样的话才能实现

一个正比的关系

所以我们要采用的

就是这种非均匀的电场

通常情况下

都是这种圆柱形的电场

所以我们可以用这样一张图

去描述它的结构

中间是一个阳极丝

所谓的阳极丝

就是这个地方的电位要高

外面是阴极

那么在这个区域里面产生的

电子和正离子

电子要向阳极丝去漂移

我们知道

在这个丝的附近

电场强度是强的

越往丝那个地方走电场越强

所以一开始的电场可能比较弱

不至于去产生电子雪崩

但是当这个电子运动到

丝的附近的时候

电场足够强能产生电子雪崩

这样的话就有一个放大的过程

那么圆柱型电场有它的表达式

在这个圆柱形电场

我们看它的电场强度

随着r的变化是这样的

r越小它的电场强度就越大

r越大电场强度就越小

也就是说r等于b的时候

场强最小

R=a的时候场强最大

a是中间这个电极的半径

b是外面那个电极

阴极的半径

我们定义这个ET=VT/(a·ln(b/a))

这个我们知道

Et是它的临界场强

这个地方我们定义出来

就可以得到VT

VT就是它的起始电压

或者叫阈压

从这可以看出来

如果VT

就是你的工作电压

大于VT的话

这个探测器里面就有一个地方

有一个区域

它的电场强度大于了10的4次方V/cm

也就是说

它可以是一个正比工作状态

如果你的工作电压

比VT还要小的话

那么这个探测器里面

各个地方的电场强度

都比这个10的4次方V/cm要小

那么这种情况下

它就不可能是一个正比工作状态

所以这个对于正比计数器来说

只有当工作电压V>VT的时候

它才工作在

正比计数器的工作区域

否则的话它就是一个电离室

我们举个例子看一下

看一些具体的数值

我们说当V0

就是工作电压取1000伏

a是25个微米

b是一个厘米的时候

那这个时候我们可以计算得到

r0=167个微米

在这个地方

电场强度等于临界场强

10的4次方V/cm

也可以反过来算出来

VT是150伏左右

当V0>VT的时候

也就是在

这个a到r0这个区间里面

能够发生碰撞电离

在r0之外的区域里面

电场强度就小于临界场强

就不能发生碰撞电离了

通常情况下

我们说r0是比较小的

像上面这个例子里面

即使工作电压比这个VT要大得多

那么最后得到的r0

比这个a

可能也只是大了一个量级

那么和这个b相比要小得多

那么在这种情况下

我们说入射粒子在r0以内

直接产生初始电离的

可能性是很小的

我们把这种情况近似的可以忽略

因此我们说不同位置入射的

入射粒子所产生的电离效应

在正比计数器里面

就在这样的一个结构里面

所经受的气体放大的过程是一样的

所以它可以有一个

同样一个气体放大倍数

也就实现了正比的一个功能

由于雪崩是发生在

阳极附近很小的一个区域

也就r0里面才能发生电子雪崩

所以电子在收集之前

扫过的电位差也比较小

所以我们说正比计数器的输出信号

主要是由正离子的漂移所引起的

那我们来看一下它的放大过程

我们说碰撞电离

只有电子才能实现

因此对于正比计数器来说

对于这种圆柱形的结构

中间的那个电极必须是阳极

我们让电子往那个电场越来越强的

那个地方走

然后在那个很小的区域里面

去产生碰撞电离

如果你把这个电极颠倒了

电极外面是一个阳极

里面是阴极

电子就会往外走

它的电场强度越来越弱

它就不能产生这个碰撞电离

就不是正比计数器了

所以我们说这种情况下

中间的那个电极必须是阳极

当电子到达距丝极一定距离

也就是到达r0之后

通过碰撞电离

电子的数目不断的增多

这个过程呢

当然就是一个气体放大的过程

就是电子雪崩的过程

我们可以定义它的气体放大倍数

A就是n(a)/n（r0）

也就是到达阳极的电子数

和到达r0的电子数之比

气体放大倍数呢

显然它和工作电压是有关系的

你工作电压越大

能够放大的区域也就越大

所以这个气体放大倍数也会越大

在这个过程里头呢

我们说有所谓光子反馈

和离子反馈的问题

所谓的光子反馈

就是说在这个雪崩的过程里头

它实际上也会产生很多的激发

就是不光是碰撞电离

也有碰撞激发了

碰撞激发退激的

这个气体分子会发出紫外光子

紫外光子它可能在阴极上

打出次电子来

这个次电子我们说

在电场的作用下

它又会往这个阳极漂

漂到阳极附近呢

它又会产生碰撞电离

我们把这个过程叫光子反馈

当然光子反馈的过程呢

是一个快的过程

它比电子漂移的过程要快

对信号形成来说呢

在时间上基本上

和原来的那个信号是同时事件

所以时间上没有办法分辨

所以光子反馈

使得你这个信号变大

通常情况下

我们不希望有光子反馈的存在

所以我们通常是加入

少量的多原子分子气体

那么加入这样的气体呢

它可以吸收气体分子退激

发出来的紫外光

让这个紫外光

不能再去打到阴极上

而是产生了很多个

激发态的多原子分子气体

那么激发态的这个多原子分子呢

它不再发光退激

而是把自己

因为它是一个多原子分子气体

所以它会我们叫离解

就是变成了几个小分子退激

把这个能量消耗掉

这样的话这个紫外光子

它就没有办法打到阴极上去了

所以这个光子反馈可以降下来

另外一个

就是离子反馈的一个影响

离子它漂移的速度比较慢

我们说

在电子漂移碰撞电离等等过程里头

可以认为正离子基本上没动

所以它会形成一个空间电荷

处在阳极丝附近

当然这个空间电荷

在那个地方存在

它和阳极上的感应电荷

感应就会形成一个

电场这个电场

和原来的电场方向是相反的

我们说会使得

那个地方的电场强度变弱

使得这个地方的电子雪崩

就没有办法再进行

雪崩就结束下来

然后是正离子的漂移

我们说正离子漂移到达阴极的时候

它和阴极表面的感应电荷

中和的过程里头

它是有一定的概率

会产生次电子的

那么发生新的电子

这个电子发射出来

它又会在电场的作用下

向阳极漂移

在阳极附近又会有雪崩的过程

我们把这样的一个过程

叫离子反馈

当然离子反馈你会看到它本身

离子漂移是一个慢的过程

离子反馈产生的结果呢

就是会产生假的信号

这个假的信号

当然在我们辐射测量里头

是不希望有的

所以我们也是要阻断这个

或者抑制这个离子反馈的

而抑制的办法也是在工作气体

里面加入少量的多原子分子气体

加入多原子分子气体呢

就可以阻断离子反馈

这个过程里头用到的

就是一个电荷的交换效应

使得你这个开始产生的离子

在往这个阴极漂移的过程里头

和我这个多原子分子气体

不断的碰撞

进行电荷交换

使得到达阴极表面的

都是多原子分子气体的离子

那么这样的离子中和过程里头呢

它也不会引起二次电子发射

而是超前离解的一个过程

考虑了光子反馈和离子反馈的

抑制之后呢

这个正比计数器就可以正常的工作了

这个就是正比计数器

它的工作原理

以及它的工作过程里头

我们应该考虑的一些问题

所以我们说要想实现

正比计数器的功能

有两个比较关键的内容

一个是放大

一个是正比

既要放大也要实现正比

所以我们说既要实现电子的雪崩

同时电子雪崩的区域

一定要相对的很小

而且也不能有放电的传播

这样才能实现

正比放大的一个过程

因此我们说正比计数器中的电场

一定是一个非均匀的电场

只有局部电场才超过这个阈值

才能在这个局部电场里面

产生雪崩

而且我们说这个电场附近的电极

一定应该是阳极

这样的话电子才能往这个地方漂

产生电子雪崩

反过来的话

那就完全不成立了

所以正比计数器工作的时候

很简单

如果拿到的是一个

圆柱形的正比计数器的话

中间的那个电极加高压加正高压

外面是地

或者是中间是地

外面是负高压

总之中间那个电极要是阳极

这一节的内容就到这里