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對于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于輻射探測器探測各種輻射，給出輻射的類型、強(qiáng)度(數(shù)量)、能量及時(shí)間等特性。即對輻射進(jìn)行測量。 輻射探測器的定義：利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應(yīng)或其它 物理、化學(xué)變化進(jìn)行輻射探測的器件稱為輻射探測器。 為什么需要輻射探測器？ 探測器按探測介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為： 氣體探測器； 閃爍探測器； 半導(dǎo)體探測器。 輻射探測器學(xué)習(xí)要點(diǎn)（研究問題）： 探測器的工作機(jī)制； 探測器的輸出回路與輸出信號； 探測器的主要性能指標(biāo)； 探測器的典型應(yīng)用。 輻射探測的基本過程： 輻射粒子射入探測器的靈敏體積； 入射粒子通過電離、激發(fā)等效應(yīng)而在探測器中沉積能量； 探測器通過各種機(jī)制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號。 第八章 氣體探測器 Gas－filled Detector 電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過程 入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或 激發(fā)。 8.1 氣體中離子與電子的運(yùn)動規(guī)律 1、氣體的電離與激發(fā) 入射粒子直接產(chǎn)生的離子對稱為原電離。 初電離產(chǎn)生的高速電子足以使氣體產(chǎn)生的電離稱為次電離。 總電離= 原電離 次電離電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一電子離子對所需的平均能量。

對不同的氣體，W大約為30eV 若入射粒子的能量為E0，當(dāng)其能量全部損失在氣體介質(zhì)中時(shí)，產(chǎn)生的平均離子對 IonPairs Formed FanoFactor 離子對數(shù)N是隨機(jī)變量. 它服從什么分布？ 法諾分布 離子對數(shù)的方差 過去實(shí)驗(yàn)測量不同氣體的法諾因子介于1/3～1/2之間，但目前實(shí)際可以做到不大 于0.2。 C、光致電離 Cs原子的電離電位最低，3.88eV； 相應(yīng)的光子波長為3184 ，在紫外區(qū)； 紫外光或能量更高的光才能產(chǎn)生光致電離。 介質(zhì)中原子吸收一個(gè)光子，放出一個(gè)電子而電離。 紫外光子能量較低，光致電離產(chǎn)生的電子動能很低，一般不能再引起新的電離或激 上述兩過程均在10-9秒內(nèi)完成。亞穩(wěn)態(tài)原子壽命較長，一般為10-2 輻射光子。發(fā)射波長接近紫外光的光子，這些光子又可能在周圍介質(zhì)中打出光電子，或被某些氣體分子吸收而使分子離解。 亞穩(wěn)態(tài)原子的退激。受激原子處于亞穩(wěn)態(tài)，僅當(dāng)它與其它粒子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)才能退激。 2、電子與離子在氣體中的運(yùn)動 當(dāng)不存在外加電場的情況下，電離產(chǎn)生的電子和正離子在氣體中運(yùn)動，并和氣體 分子或原子不斷地碰撞，處于平衡狀態(tài)。其結(jié)果會發(fā)生以下物理過程： Diffusion； Electron Attachment； Recombination； 擴(kuò)散(Diffusion)在氣體中電離粒子的密度是不均勻的，原電離處密度大。

由于其密度梯度而造 成的離子、電子的定向運(yùn)動叫擴(kuò)散。 由氣體動力學(xué)，可得到擴(kuò)散方程： 電子的平均自由程和亂運(yùn)動的平均速度都比離子的大，因此其擴(kuò)散系數(shù)比離子的大，因而電子的擴(kuò)散效應(yīng)比離子的嚴(yán)重。 電子的吸附和負(fù)離子的形成電子在運(yùn)動過程中與氣體分子碰撞時(shí)可能被氣體分子俘獲，形成負(fù)離子，這種現(xiàn)象 稱之為吸附效應(yīng)。 Electron attachment Negativeion 例如O 氣體探測器的工作氣體應(yīng)盡量選擇吸附系數(shù)小的氣體，在不得已采用時(shí)，將會影響探測器的性能。 復(fù)合(Recombination)有兩個(gè)過程：電子與正離子，或負(fù)離子與正離子，相遇時(shí)可能復(fù)合成中性的原子 或分子。 Recombination 為復(fù)合系數(shù)復(fù)合的結(jié)果是把許多有用信號給復(fù)合掉，使有用的信號減少。因此，復(fù)合現(xiàn)象 在探測器正常工作中應(yīng)盡量避免。 復(fù)合引起的離子對數(shù)目的損失率： 一旦形成了負(fù)離子，其運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于電子，正離子與負(fù)離子的復(fù)合系數(shù)要比 正離子與電子的復(fù)合系數(shù)大得多。 D.離子和電子在外加電場中的漂移 離子和電子除了與作熱運(yùn)動的氣體分子碰撞而雜亂運(yùn)動和因空間分布不均勻造 成的擴(kuò)散運(yùn)動外，還有由于外加電場的作用沿電場方向定向漂移。

這種運(yùn)動稱為“漂移運(yùn)動”，定向運(yùn)動的速度為“漂移速度”。 kTMv 對于離子：在存在電場的情況下，兩次碰撞之間離子從電場獲得的能量又會在碰撞中損失，離 子的能量積累不起來。離子的平均動能與沒有電場的情況相似，為： 離子漂移速度 離子的遷移率可表示為： 對于自由電子：電子與氣體分子發(fā)生彈性碰撞時(shí)，每次損失的能量很小，因此，電子在兩次碰撞中 由外電場加速的能量可積累起來。直到使它的彈性碰撞能量損失和碰撞間從電場獲 得的能量相等，或發(fā)生非彈性碰撞為止。 kT 電子的漂移速度與約化場強(qiáng)不成正比，可用函數(shù)表示：這個(gè)函數(shù)關(guān)系均由試驗(yàn)測定。一般給出的是實(shí)驗(yàn)曲線(如圖8.2、8.3、8.4)。 電子漂移速度對氣體成分很敏感，少量某種氣體的混入就可顯著提高電子漂 移速度。 (1)電子漂移速度一般為： 10離子漂移速度一般為： 10(2)電子的漂移速度對組成氣體的組分極為靈敏 在單原子分子氣體中（如鹵素）加入少量多原子分子氣體（如CO2、H2O 等）時(shí)，電子的漂移速度有很大的增加。 電子與離子在氣體中在外電場作用下的漂移速度的主要區(qū)別為： E、電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng) 正離子與中性的氣體分子碰撞時(shí)，正離子與分子中的一個(gè)電子結(jié)合成中性分子，中 性氣體分子成為正離子。

電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)在混合氣體中比較明顯。 電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)可以減小離子的遷移率，降低離子的漂移速度。 復(fù)合效應(yīng)、電子吸附效應(yīng)、電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)等，都不利于電荷收集。 3．氣體放電 A、雪崩 電子在氣體中的電離碰撞過程。 發(fā)生雪崩的閾值電場：ET ~106V/m。 能引起雪崩的其他因素：光子與氣體和器壁作用，打出光電子，~10 7sec； 光電子又可以引起新的雪崩。 二次電子發(fā)射： 雪崩區(qū)產(chǎn)生的正離子經(jīng)過~10 3sec到達(dá)器壁， 并可能在器壁上打出二次電子。 光子的作用： 雪崩形成大量的電離和大量的激發(fā)，~10 6sec 伴隨著雪崩過程，退激產(chǎn)生大量的光子。二次電子又可以引起新的雪崩。 B、氣體放大 自持雪崩： 通過光子的作用和二次電子發(fā)射，雪崩持續(xù)發(fā)展。 也叫自持放電。 非自持放電： 雪崩從產(chǎn)生到結(jié)束，只發(fā)生一次。 復(fù)合區(qū)II 飽和區(qū)III IV:有限正比區(qū) G-M工作區(qū)VI: 連續(xù)放電區(qū) 8.2電離室的工作機(jī)制與輸出回路 電離室的工作方式可分為： 累計(jì)型工作狀態(tài)記錄單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)，處于這種工作狀態(tài)的電離室稱為：脈沖電離 1、電離室的基本結(jié)構(gòu)不同類型的電離室在結(jié)構(gòu)上基本相同. 典型結(jié)構(gòu)有平板型和圓柱型。

高壓極(K)：正高壓或負(fù)高壓； 均包括： 收集極(C)：與測量儀器相聯(lián)的電極，處于與地接近的電位； 保護(hù)極(G)：又稱保護(hù)環(huán)，處于與收集極相同的電位； 負(fù)載電阻(RL)：電流流過時(shí)形成電壓信號。 高壓極 收集極 保護(hù)極 高壓負(fù)載電阻 外殼 靈敏體 絕緣子平板型電離室 圓柱型電離室靈敏體積： 由通過收集級邊緣的電力線所包圍的兩電極間的區(qū)域。 保護(hù)環(huán)G的作用： 若無G，當(dāng)高壓很大時(shí)，會有電流通過絕緣子從負(fù)載電阻RL上通過氣體探測儀，從而產(chǎn)生噪聲，即絕緣子的漏電流。 氣體壓力：從10-1~10大氣壓。 2、工作氣體 充滿電離室內(nèi)部空間，是電離室的工作介質(zhì)； 如Ar 加少量多原子分子氣體CH4。 需要保證氣體的成分和壓力，所以一般電離室均需要一個(gè)密封外殼將電極系統(tǒng) 包起來。 第一步：假設(shè)回路中沒有負(fù)載電阻 3、輸出信號產(chǎn)生的物理過程即電離室的工作機(jī)制。 第二步：在電離室內(nèi)某一點(diǎn)引入一單位正電荷e+它將在兩極板上分別感應(yīng)出一定的負(fù)電荷，設(shè)分別為-q1、-q2 高斯定律： 第四步：當(dāng)正電荷快到達(dá)極板的前一瞬間，-q1全部由a極板經(jīng)外回路流到b極板，b極板上的感應(yīng)電荷： 當(dāng)e+到達(dá)b極板，e+與b極板上的感應(yīng)電荷中和。

外回路電流結(jié)束，流過外回路的總電荷量為： 考慮：如果在電極之間引入的是負(fù)電荷，解釋一下整個(gè)物理過程。產(chǎn)生的結(jié)果是否與正電荷有共同之處？ 正、負(fù)電荷的感應(yīng)電流方向相同，在探測器內(nèi)部從陽極流向陰極。電荷漂移過程結(jié)束，外回路感應(yīng)電流消失。當(dāng)負(fù)電荷被收集后，外回路中就只有正電荷的感應(yīng)電流。 結(jié)論： e電荷漂移結(jié)束，流過外回路的總電荷量為e；該電荷量與這一對電荷的產(chǎn)生位置無關(guān)。 當(dāng)入射粒子在探測器靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N個(gè)離子對，它們均在外加電場作用下漂移，這時(shí)，產(chǎn)生的總電流信號是： 引伸結(jié)論： 輸出回路的定義：輸出信號電流所有流過的回路都包括在輸出回路中。感應(yīng)電荷在外回路上形成的電流，在負(fù)載電阻RL上形成電壓，有信號輸出； 測量儀器有內(nèi)阻、電容； 探測器電容C1。 輸出回路的簡化過程： 4、電離室的輸出回路 線路的雜散電容C′。 RL：負(fù)載電阻； C1 ：探測器電容； R入：測量儀器輸入電 C入：測量儀器輸入電容；：雜散電容； 電纜電容~100pF/m。 電離室處于脈沖工作狀態(tài)，電離室的輸出信號僅反映單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)?？梢詼y量每個(gè)入射粒子的能量、時(shí)間、強(qiáng)度等。 8.3 脈沖電離室 以下討論假設(shè)入射離子在靈敏體積中產(chǎn)生N 個(gè)離子對，并忽略擴(kuò)散和復(fù)合的影響， 而且在信號結(jié)束前，探測器靈敏體積內(nèi)不再有其它入射粒子產(chǎn)生電離。

脈沖電離室的輸出信號：電荷信號，電流信號，電壓信號。 脈沖電離室的總輸出電荷量1、脈沖電離室的輸出信號 電離室靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N個(gè)離子對并全部為極板收集后的總輸出電荷量： 這一結(jié)果與極板形狀、電場分布、輸出回路參數(shù)無關(guān)。 脈沖電離室的輸出電流信號相當(dāng)于用輸入阻抗極小的電流計(jì)測量電離室輸出信號的情況。 下面來計(jì)算電流的大?。弘娫刺峁┕β剩?離子、電子在t時(shí)刻的空間位置空間位置； 正離子、電子在該點(diǎn)的場強(qiáng)場強(qiáng)； 正離子、電子在該點(diǎn)的漂移速度漂移速度。 求解得到t時(shí)刻流經(jīng)外回路的電流 時(shí)刻，靈敏體積中有N+(t)個(gè)正離子和N –(t)個(gè)電子，則輸出電流： 電離室的本征電流（IntrinsicCurrent） 以平板電離室為例， 設(shè)離子和電子的漂移速度是常數(shù)，并且電子的漂移速度是離子漂移速度的1000倍， t2為開始有正離子到達(dá)b極板的時(shí)間； 幾個(gè)重要時(shí)刻： t1 為開始有電子到達(dá)a極板的時(shí)間； 為正離子全部到達(dá)b極板的時(shí)間。離子和電子的初始數(shù)目為： 采用一般的具有輸入阻抗的測量裝置，輸出電壓信號。總電阻 電源做的功率W(t)輸出回路中消耗的功率 WO(t) 靈敏體積內(nèi)電子和正離子在電場作用 下漂移所消耗的功率We(t) C1的儲能發(fā)生變化(消耗功 率)WC1(t) 推導(dǎo)過程的物理基礎(chǔ)： 靈敏體積內(nèi)電子－正離子在電場下漂移所消耗的功率We(t)能量守恒 根據(jù)能量守恒： a極板的電位不再為常數(shù)而為V(t)電容C1的儲能為 能量變化率為：dt 為電離室的本征電流。

把電離室看成理想的內(nèi)阻無限大的電流源，但這是有條件的。而電荷源則是無條件的。 結(jié)論： 電離室可以用電流源I0(t)和C1并聯(lián)等效。并可得到其輸出回路的等效電路dt T+時(shí)間內(nèi)dt Nedt 越小，h越大。為此須降低C工作在這種狀態(tài)的電離室稱之為離子脈沖電離室。 存在問題——輸出電壓脈沖寬度非常大(T＋是ms量級)，這樣入射粒子的強(qiáng)度不能 太大，并且要求放大器電路頻帶非常寬，噪聲大而非實(shí)用。 結(jié)論： 結(jié)論：工作于這種狀態(tài)的電離室稱為電子脈沖電離室。 存在問題：輸出電壓脈沖幅度h-與初始電離的位置有關(guān)，也就是Q -與初始電離位置 有關(guān)。 即Q－與第j個(gè)電子被收集時(shí)最終電位和最初產(chǎn)生處(初電離位置)電位之差有關(guān)。這樣，電子脈沖電離室的輸出電壓脈沖幅度不僅與產(chǎn)生的離子對數(shù)有關(guān)，而且，與離 子對生成的位置有關(guān)。 電子或正離子漂移對輸出電壓脈沖信號的貢獻(xiàn)，取決于電子或正離子掃過的電位差。 關(guān)于電離室輸出電壓信號的一些重要結(jié)論： 電子離子對一旦形成，立即就有輸出電流信號；電壓脈沖的上升時(shí)間為電流脈沖的持續(xù)時(shí)間。與R0C0有關(guān)。 電離室輸出電流中包含快成分與慢成分，其比例與電子離子產(chǎn)生位置有關(guān)，導(dǎo)致電離室輸出的電壓脈沖為變前沿的脈沖，其上升時(shí)間漲落達(dá)10 3sec量級。

離子脈沖電離室存在問題——輸出電壓脈沖寬度非常大(T＋是ms量級)，這樣入射 粒子的強(qiáng)度不能太大，并且要求放大器電路頻帶非常寬，噪聲大而非實(shí)用。 電子脈沖電離室存在問題：輸出電壓脈沖幅度h-與初始電離的位置有關(guān)，也就是 Q—與初始電離位置有關(guān)。 2、圓柱型電子脈沖電離室和屏柵電離室 設(shè)計(jì)思想：利用圓柱形電場的特點(diǎn)來減少Q(mào)－與入射粒子位置的關(guān)系，達(dá)到利用“電子脈沖”來測量能量的目的。 距中心位置為r的場強(qiáng)： lnln lnln lnln 結(jié)論：選擇足夠大的b/a值，在r0較大時(shí)，h(r0)與r0之間的關(guān)系就不顯著了。同時(shí)由于圓柱形的幾何條件，r0小的區(qū)域只占很小的一部分體積，大部分入射粒子都在r0較 大處產(chǎn)生離子對。 注意：這種工作狀態(tài)下，中央絲極必須是陽極。 對于大部分入射粒子而言，圓柱形電子脈沖電 離室的輸出電壓脈沖幅度均接近于 屏柵電離室（TheGridded Ion Chamber） 屏柵電離室的構(gòu)成：負(fù)極B、正極A、柵極G、電源和負(fù)載電阻。（講義圖8.20） 屏柵電離室信號的形成過程離子對僅在B－G之間產(chǎn)生，要求入射粒子的射程R小于B－G之間的距離a；柵極由網(wǎng)柵 構(gòu)成，要求柵極屏蔽完善。

合理選擇電壓分配及網(wǎng)柵的參數(shù) ＝r/d，使電子和正離子在 B－G之間漂移時(shí)，僅在B，G極板上有感應(yīng)電荷產(chǎn)生，并在B－G回路中流過電流i1；同 時(shí)電子在穿過柵極時(shí)，不被柵極所捕獲。相當(dāng)于N個(gè)電子先后在柵極上產(chǎn)生，然后，掃 過G－A電極；在輸出回路上輸出電壓脈沖信號： 3、脈沖電離室輸出信號的測量脈沖電離室的輸出信號所包含的信息： 1）入射帶電粒子的數(shù)量； 2）入射帶電粒子的能量； 3）確定入射粒子間的時(shí)間關(guān)系。 通過對輸出脈沖數(shù)進(jìn)行測量。 通過對輸出電壓信號的幅度進(jìn)行測量。 通過對輸出電壓信號的時(shí)間進(jìn)行測量。 脈沖電離室的輸出信號需要用電子儀器來測量。 氣體 電離室 高壓 前置 放大器 放大器 單道或多道 脈沖分析器 4、脈沖電離室的性能 脈沖幅度譜與能量分辨率脈沖電離室常用來測量帶電粒子的能量。 對單能帶電粒子，若其全部能量都損耗在靈敏體積內(nèi)甲烷報(bào)警器，則脈沖電離室輸出電壓脈 沖的幅度反映了單個(gè)入射帶電粒子能量的大小。 能量分辨率： FWHM 半寬度多道測量的脈沖幅度譜： dn dE dndh FWHM dndh 幅度平均值：標(biāo)準(zhǔn)偏差： 相對標(biāo)準(zhǔn)偏差： 且有：能量分辨率為： (1)能量分辨率反映了譜儀對不同入射粒子能量的分辨能力。

能量分辨率越小，則 可區(qū)分更小的能量差別。這是譜儀的最主要的指標(biāo)。 關(guān)于能量分辨率的小結(jié)： (2)能量分辨率的公式是譜儀所達(dá)到的分辨率的極限和理論值。并可檢驗(yàn)譜儀的性 綜合考慮放大器放大倍數(shù)A的漲落，放大器噪聲的影響，則電離室譜儀放大器輸出信號的相對均方漲落為： 要使分析器道寬影響不超過1/100，F(xiàn)WHM內(nèi)須不少于6～7道。幅度分析器的道寬對能量分辨率也有影響， 0.28FWHM 電離室的飽和特性曲線----脈沖幅度h與電離室工作電壓V0的關(guān)系 影響因素：離子和電子的復(fù)合或擴(kuò)散效應(yīng)。 飽和特性曲線形成的物理過程： 飽和區(qū)斜率的原因：隨工作電壓的升高而使靈敏體積增加及負(fù)離子的釋放。 電離室的坪特性曲線當(dāng)輸出脈沖幅度飽和后，計(jì)數(shù)率不再隨工作電壓而變化二氧化碳報(bào)警器，稱坪特性曲線。 在入射粒子束流不變的情況下： 甄別閾h1>h2>h3 h1 h2 h3 入射粒子是單能的 探測效率粒子數(shù) 射入電離室靈敏體積的 記錄下來的脈沖數(shù) 定義：原因：A 帶電粒子可能只在靈敏體積內(nèi)損失一部分能量；B 電離過程是漲落的。 這樣必將有一部分幅度低于甄別閾的信號脈沖未被記錄下來。 100% γ粒子等中性粒子則取決于與介質(zhì)作用產(chǎn)生次級帶電粒子的相互作用截面，以及次級帶 電粒子能否進(jìn)入靈敏體積。

對帶電粒子 時(shí)間特性常用三種指標(biāo)A：分辨時(shí)間 ——能分辨開兩個(gè)相繼入射粒子間的最小時(shí)間間隔。 主要取決于輸出回路參數(shù)的選擇和放大器的時(shí)間常數(shù)的大小。 ——入射粒子的入射時(shí)刻與輸出脈沖產(chǎn)生的時(shí)間差。C：時(shí)間分辨本領(lǐng)——即由探測器輸出脈沖來確定入射粒子入射時(shí)刻的精度。 當(dāng)電離室的輸出信號是反映大量入射粒子的平均電離效應(yīng)時(shí)，稱作電流工作狀態(tài) 或累計(jì)工作狀態(tài)。 此時(shí)電離室稱作“累計(jì)電離室”或“電流電離室”。 恒定狀態(tài)下，輸出直流電流信號是： 設(shè)入射粒子在電離室靈敏體積內(nèi)各處單位 時(shí)間、單位體積內(nèi)恒定地產(chǎn)生 離子對。則在靈敏體積內(nèi)單位時(shí)間的總離子對數(shù)為 8.4累計(jì)電離室 1、輸出信號及其漲落 輸出信號可以是直流電流(相當(dāng)于回路中接入內(nèi)阻極小的電流計(jì)，即RL 0)或直流電壓(在輸出回路上的積分電壓)信號。 （1）輸出信號輸出直流電壓信號 （2）輸出信號的漲落假設(shè)，每一對離子產(chǎn)生后將立即使探測器產(chǎn)生一輸出信號： 這樣，在任一時(shí)刻t，探測器的總輸出信號是此時(shí)刻以前在探測器內(nèi)產(chǎn)生的各 個(gè)離子對所產(chǎn)生信號在此時(shí)的所取值的疊加。 間隔內(nèi)入射粒子流在探測器內(nèi)產(chǎn)生的離子對數(shù)。這些離子對的信號經(jīng)過 時(shí)間到達(dá)t 時(shí)刻的信號為： 時(shí)刻的總信號St應(yīng)當(dāng)是t 以前( )產(chǎn)生的離子對在t時(shí)刻的信號的總和，即： 間隔內(nèi)的n個(gè)入射粒子分別在探測器內(nèi)產(chǎn)生的離子對 數(shù)Ni 的總和。

這樣， M顯然是由 n及N串級而成的串級型隨機(jī)變量。 考慮到n遵守泊松分布： 產(chǎn)生的M是相互獨(dú)立的。因此： St的平均值為： 下面分析St的相對均方漲落：由于獨(dú)立隨機(jī)變量和的方差是各方差的和。 從式子可以看出，粒子入射探測器后產(chǎn)生的離子對數(shù)N的漲落對于累計(jì)信號的相對均方漲落的影響很小。累計(jì)信號的相對均方漲落主要決定于入射粒子數(shù)的漲落。 當(dāng)近似用寬度為T的矩形脈沖代表一對離子所產(chǎn)生的電流信號f( )，求輸出電流信 號及其相對均方漲落。 則，輸出電流信號平均值為：輸出電流信號相對均方漲落為： 電流脈沖寬度要遠(yuǎn)大于入射粒子平均時(shí)間間隔 輸出回路的時(shí)間常數(shù)要遠(yuǎn)大于入 射粒子平均時(shí)間間隔 ―脈沖電離室”與“累計(jì)電離室”僅是電離室的兩種工作狀態(tài)，由入射粒子流的強(qiáng)度及輸出回路的時(shí)間常數(shù)決定。電離室結(jié)構(gòu)并無本質(zhì)差別。 結(jié)論：與脈沖電離室一樣具有飽和特性曲線，一般工作于飽和區(qū)。還有一些特性不同 于脈沖電離室： 靈敏度入射粒子流的強(qiáng)度 輸出的電流（電壓）值 影響靈敏度的因素有電離室的結(jié)構(gòu)、氣體壓力和組分、入射粒子的類型和能量等。2、電流電離室的主要性能 單位入射粒子流強(qiáng)度引起的電離室輸出信號電流或電壓幅度： 線性范圍——一定工作電壓下，輸出信號的幅度與入射粒子流強(qiáng)度的保持線性關(guān)系的范圍(一般用輻射強(qiáng)度的范圍表示) 只要電離室工作在飽和區(qū)，則信號電流與入射粒子流強(qiáng)度一定成正比關(guān)系，即線性關(guān)系。

但是，當(dāng)入射粒子流強(qiáng)度增大時(shí)，飽和電壓將提高。一旦當(dāng)入射粒子流強(qiáng)度大 到使飽和電壓超過了原來選好的工作電壓V0時(shí)，電離室將不再工作于飽和區(qū)，信號 電流將比預(yù)期值小。即出現(xiàn)非線性。 響應(yīng)時(shí)間——反映當(dāng)入射粒子流強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，輸出信號的變化規(guī)律。對電壓信號氣體探測儀，它跟隨輻射強(qiáng)度變化的響應(yīng)時(shí)間主要決定于電離室輸出回路的時(shí) 間常數(shù)R0C0值。 對電流信號，其滯后時(shí)間將最大為離子收集時(shí)間T。T就是累計(jì)電離室電流信 號的響應(yīng)時(shí)間。 能量響應(yīng)即靈敏度隨入射粒子能量而變化的關(guān)系。一般情況下，希望靈敏度與輻射能量無關(guān)，即相同的照射量率不因輻射能量 不同而造成不同的輸出。 3、電流電離室的應(yīng)用 累計(jì)電離室的應(yīng)用比脈沖電離室更為廣泛，特別是充入高壓工作氣體的累計(jì) 電離室，靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長。 由于其具有十分良好的承受惡劣工作環(huán)境影響的能力，所以，在工業(yè)上可應(yīng) 用于核輻射密度計(jì)、厚度計(jì)、料位計(jì)、水分計(jì)、核子秤等。 累計(jì)電離室還可應(yīng)用于劑量測量、反應(yīng)堆監(jiān)測等方面。 8.5 正比計(jì)數(shù)器（Proportional Counters） 正比計(jì)數(shù)器中，利用碰撞電離將入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應(yīng)放大了，使得正比計(jì) 數(shù)器的輸出信號幅度比脈沖電離室顯著增大。

對直接電離效應(yīng)放大的倍數(shù)稱為“氣體放大倍數(shù)”，以A表示，在一定的工作條件 下，A保持為常數(shù)。 正比計(jì)數(shù)器屬于非自持放電的氣體電離探測器。 1、正比計(jì)數(shù)器的工作原理 正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)上必須滿足實(shí)現(xiàn)碰撞電離的需要，而在強(qiáng)電場下才能實(shí)現(xiàn)碰撞電離。 在一個(gè)大氣壓下，電子在氣體中的自由程約 10-3～10-4cm，氣體的電離 電位～20eV。要使電子在一個(gè)自由程就達(dá)到電離電位，場強(qiáng)須>104V/cm。 為達(dá)到這一要求，一般采用非均勻電場，以圓柱型為主。 設(shè)計(jì)思想：利用圓柱形電場的特點(diǎn)在中央絲極附近會產(chǎn)生小范圍的強(qiáng)電場區(qū)域。 距中心為r的場強(qiáng)： 實(shí)例：當(dāng)V0＝1000V，a＝25m，b＝1cm時(shí)，在r＝0.02cm處，電場強(qiáng)度相當(dāng)于臨 界場強(qiáng)ET。 在r＝b時(shí)場強(qiáng)最小，r＝a時(shí)場強(qiáng)最大。cm 定義：對于一個(gè)確定的正比計(jì)數(shù)器，只有當(dāng)工作電壓V VT時(shí)，才工作于正比計(jì)數(shù)器工作 區(qū)，否則工作于電離室區(qū)。 VT 稱為正比計(jì)數(shù)器的起始電壓(閾 VT時(shí)，僅在r0～a 區(qū)間內(nèi)發(fā)生碰撞電離。 一般r0很小，和a是同一量級，這樣入射粒子在r0 內(nèi)產(chǎn)生電離的可能性很小，可 以忽略。因此，在不同位置射入的入射粒子所產(chǎn)生的電離效應(yīng)在正比計(jì)數(shù)器中都經(jīng)受 同樣的氣體放大過程，都有同一個(gè)氣體放大倍數(shù)。

正比計(jì)數(shù)器輸出信號主要由正離子漂移貢獻(xiàn)。 碰撞電離只有電子才能實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)電子到達(dá)距絲極一定距離r0 之后，通過碰撞電離過程，電子的數(shù)目不斷增殖，這 個(gè)過程稱為氣體放大過程，又稱電子雪崩(electron avalanche)。 碰撞電離與氣體放大定義氣體放大倍數(shù)： 近似認(rèn)為電子的能量就是電子在兩次碰撞間從電場獲得的能量?？傻玫饺缦玛P(guān)系： 當(dāng)電壓足夠高，即V0/VT>>1時(shí)氣體探測儀， 氣體放大過程中的光子作用——光子反饋在電子與氣體分子的碰撞中，不僅能產(chǎn)生碰撞電離，同時(shí)也能產(chǎn)生碰撞激發(fā)。氣 體分子在退激時(shí)會發(fā)出紫外光子，其能量一般大于陰極材料的表面逸出功，而在陰 極打出次電子。次電子可以在電場的加速發(fā)生碰撞電離。這個(gè)過程稱為光子反饋。 定義：光子反饋概率 為每個(gè)到達(dá)陽極的電子通過光子反饋又在陰極打出一個(gè) 次電子的概率。 由于光子反饋，使得總放大倍數(shù)增加，為： 光子反饋的過程(10-9s)遠(yuǎn)快于電子的漂移過程(10-6s)，對信號的形成而言，在時(shí)間上是同時(shí)事件。 氣體放大過程中正離子的作用離子漂移速度慢，在電子漂移、碰撞電離等過程中，可以認(rèn)為正離子基本沒動，形 成空間電荷，處于陽極絲附近，會影響附近區(qū)域的電場，使電場強(qiáng)度變?nèi)?，影響電?雪崩過程的進(jìn)行。

正離子漂移到達(dá)陰極，與陰極表面的感應(yīng)電荷中和時(shí)有一定概率產(chǎn)生次電子，發(fā) 生新的電子雪崩過程，稱為離子反饋；也可以通過加入少量多原子分子氣體阻斷離 子反饋。 2、正比計(jì)數(shù)器的輸出信號 假定： 全部輸出信號均為正離子由陽極表面向陰極漂移而在外回路流過的感應(yīng)電荷。這時(shí)，由于r0很小，以至電子在陰極的感應(yīng)電荷很小，而可以忽略電子對輸出信 號的貢獻(xiàn)。 得到本征電流： 由于： 其中，僅取決于結(jié)構(gòu)、工作氣體及工作電壓等。 由于很小，所以電流隨時(shí)間而迅速下降。 有關(guān)的時(shí)間函數(shù)，與入射粒子的位置無關(guān)。dt 電流脈沖I(t)的形狀一定，與入射粒子的位置無關(guān)；輸出電壓脈沖為定前沿脈沖。結(jié)論： 由于～10-8s，即使t～100 ，也就是輸出電流降為初始的約1/100,也僅需要 當(dāng)R0C0>>T＋時(shí)，獲得最大輸出脈沖幅度ANe/C0，但不管選取什么R0C0的值，電壓脈沖幅度均正比于ANe。因此可選擇小的輸出回路時(shí)間常數(shù)，獲得好的分辨時(shí)間。

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