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2004年10月 合肥 第三章 气体探测器 §3-1 气体探测器的基本原理 §3-2 电离室 §3-3 正比计数器 §3-4 G-M计数器 气体探测器 入射带电粒子引起气体电离。 气体探测器的特点： 探测器的灵敏体积大小和形状几乎不受限制； 没有辐射损伤或极易恢复； 经济可靠。 §3-1 气体探测器的基本原理 一、气体的电离 当带电粒子通过气体时，与气体原子的核外电子发生库仑作 用，入射粒子损失部分能量，而气体原子则电离或激发。轨 道电子获得的能量足以克服原子的束缚成为自由电子，形成 电子－离子对。 入射粒子能产生电离的最小能量： 原初电离：入射粒子和气体原子直接作用产生的电离对数目。 次级电离：电离的次级粒子再次和气体原子作用产生的电离对数目。 总电离N0：等于原初电离＋次级电离 平均电离功：带电粒子在气体中产生一对电离粒子所需的平均能量。 混合气体的平均电离功 总电离与入射粒子在气体中损失能量成正比，这是我们由总电离的测量来确定入射粒子能量的依据。 实验测得平均电离功是统计平均值，其统计涨落会使单能谱展宽，形成能量测量的固有分辨。 二、电子和离子在气体中的运动 不加外电场时，电子和离子与气体分子不断碰撞，三种运动状况： 扩散：从密度大的区域向密度小的区域扩散运动 电子吸附：电子被中性气体原子俘获形成负离子 复合：电子和正离子复合形成中性原子 加外电场时，电子和离子沿电场方向分别向正负电极做漂移运动。 漂移运动有利于总电离的收集，是我们需要的。前三种运动不利于总电离的收集，造成能量测量误差，应设法减小它们的影响。 1. 离子的漂移 稳定状态下离子的漂移速度 对重离子就每一种气体而言，其迁移率在相当宽范围内与E/P无关（E/P?3?103V.cm-1.atm-1），近于常数。当E/P很高时，?值不再是与E/P无关的常数。 负离子的?值和正离子的?值是同数量级的，绝大部分?－比?＋大一些，这与气体纯度有关。 2. 电子的漂移 对于电子， ?值只在E/P很窄一段范围内近似于常数，在其他范围主要取决于E/P(p56 fig.3-2)。 E/P较小时，电子漂移速度比离子漂移速度大三个数量级，约为106cm/s。 电子的漂移速度对气体成分非常灵敏。在惰性气体（如Ar等）中加入多原子分子气体（如CO2和CH4等），可大大增加电子漂移速度。 3. 电子和离子的扩散 电子和离子因空间密度不均匀而由密度大的空间向密度小的空间扩散。 根据气体动力学，粒子速度遵从麦克斯韦分布，则扩散常数 与气体性质、 温度和压强 有关。电子的扩散常数大于离子的扩散常数。 在扩散过程中，电子和离子与气体分子发生多次碰撞，损失能量，最终达到气体的热运动平均能量分布。通常条件下 并遵从麦克斯韦能量分 布规律： 若不存在其他因素的影响，则由于多次碰撞引起的电荷扩散的空间分布遵从高斯分布 4. 电子的吸附 电子与气体分子碰撞时被捕获而形成负离子的现象称作电子吸附效应。 电子吸附系数用h表示，定义为在一次碰撞时电子被中性分子吸附的几率。它与气体性质有关，不同的气体有不同的h值。 h值较大的气体称作负电性气体。如卤素气体、氧气、水蒸气等。 电子被捕获形成负离子后，其漂移速度大大减小，增加了离子复合的可能性，不利于电离数的收集。 减少电子被捕获的方法： 1）使用h值小的气体如惰性气体； 2）纯化气体； 3）在单原子分子气体中掺加少量的双原子或多原子分子气体，提供电子漂移速度，减少电子被捕获几率。 5. 复合 电子和正离子碰撞或负离子和正离子碰撞时发生与电离相反的过程，即复合成中性分子或中性原子。 电子复合：电子＋正离子 复合 离子复合：负离子＋正离子 复合几率与正负离子密度成正比，则复合率，即单位时间单位体积内正负离子复合的数目： 离子的复合系数比电子的复合系数大几个量级（p56,表3－2） 三、外加电场对电离粒