第三章 气体探测器(80-96)

体电离探测器。 3.2 电离室

电离室是工作在饱和区的气体探测器，原则上它既不存在复合也没有气体放大，入射粒子电离产生的全部电子和正离子都被收集到正负电极上，它的工作电压必须在图中Va和Vb之间，对于不同大小，不同结构和它不同气体的电离室，为了达到收集电荷的饱和状态，外加电压值的差别很大，可以从几十伏到上千伏不等。

按工作方式，电离室可分为两类，一类是记录单个核辐射粒子的脉冲电离室，主要用于测量带电粒子的辐射量和能量。这类电离室按输出电路的时间常数大小又可分为离子脉冲电离室和电子脉冲电离室，另一类是记录大量粒子平均电离效应的电流电离室，其中包括测量单位时间内入射粒子所产生的平均电离电流的电流电离室和测量相当长时间内大量入射粒子的积累电荷的累计电离室。

常见的电离室结构主要由两个处于不同电位的电极和保护环等组成。两个电极中的一个和高压电源直接连接，加上所需电压称为负高压电极（或阴极）用K表示。另一个电极和记录电子仪器的连接并通过负载电阻RL接地称为收集电极，或阳极，以A表示，两电极之间用绝缘体隔开，两电极之间的保护环以P表示，它的主要作用是使收集极边缘的电场保持均匀，这就可使电离室有确定的灵敏体积（入射核辐射与气体相互作用的有效体积）也可使高压电极到地的漏电流不通过收集电极。保护环保证了灵敏体积内形成的离子对被收集电极全部收集。

1、脉冲电离室

脉冲电离室是记录单个入射粒子的电离室，一定能量的带电粒子进入电离室灵敏体积后，将产生一定数量的离子对，当电离室两电极加上工作电压V0后，电子和正离子在电场作用下向两极漂移，从而在收集电极上产生电流脉冲I（t），如果在电离室的输出电路中接入负载RL则电流脉冲在负载电阻上使形成一个电压脉冲V（t），脉冲幅度正比于入射粒子在电离室灵敏体积中损失的能量，通过测量脉冲数目可以求得入射粒子数，通过分析脉冲幅度可以知道入射粒子的能量。

输出电压脉冲的形成和脉冲幅度的大小，以平行极电离室为例来讨论脉冲的形成，假定所加电压V0足够高，可忽略电子和正离子的复合，输出回路的时间常数，比正离子的收集时间长得多。

采用负高压，阴极为K接负高压，而电极A阳极通过-负载电阻RL接地，收集极对地的电容为C（包括电离室两极之间的电容和分布电容），工作电压V0恒定不变（稳压电源）。

t=0时，没有粒子入射时，输出端的电位为地电位，当有一个粒子进入电离室，并在距阴极K为X0处产生若干离子对时，由于电子和正离子相距很近，它们在两个电极板上感生电荷相互抵消，输出端电位无变化，t=t1>0时，在电场作用下，电子和正离子分别以速度

++

Ve和V向A极和K极漂移，由于Ve>>V，在漂移过程中，电子在A电极上感生的正电荷，比正离子在A极上感生的负电荷增加的快的多，因而在A极内侧出现正的感生电荷，同时，在电容上出现数目与之相同的负电荷，这是形成脉冲的开始阶段，电子越靠近A极，感生正电荷越多，电容C上积累的负电荷越多，脉冲继续上升，当电子到达极A时与电子自身感应的正电荷中和。这时，正离子还在漂移，收集极内侧还有部分正离子感生的负电荷。当正离子逐渐漂移靠近K极时，A极上感生的负电荷逐渐释放，因而电容上的积累的电荷继续增加，当正离子到达K极，A极上的电荷达到最大值，则在t时刻产生的电压脉冲为：

V(t)?Q(t) C由静电学基本定理给出，在距收集极A[d-x0]处的电荷Q0在收集极上感应出并积累在电容C的电荷为：

84

Q(t)?Q0U(x) V0Q0=N0e，U(x)是电离室内X处的电位。

所以我们可以认为，在t=0时，相应于一个入射带电粒子在离阴极K X=X0处产生N0个

+

离子对，电荷为N0e和–N0e分别以速V和Ve向负高压极（阴极K）和收集极（阳极A）漂移，

++––

在t时刻正离子和电子分别到达x=x0-vt，x=x0+Vet位置，（X0是指离阴极的位置）在C上感生出的电压为：

V(t)?N0e(Ux??Ux?) V0C平行极电离室二极间距离d小于电极板的尺度且极间距离均匀，电离室就被认为是一个孤立的电容器。所以得出：

E(x)?U(x)??dV0 dv0(d?x) d0?xdx?我们便可得到电离室的脉冲电压的表达式：

（te为电子的收集时间，t+为正离子的收集时间），X0是指离负高压电极（阴极K）的位置。

te?d?x0x,t??0分别是对正离子和电子的收集时间，它们分别是ms和μs量级。 vev?tvt，主要是电子对脉冲的贡献。 te≤t

当t＞t+，正离子也漂移到高压电极，电子和正离子全部被收集输出脉冲幅度达到饱和值：

若为圆柱型电离室，电极为中心位置（中心电极）。

??v0 (E)?

brlna 则我们可得到：

85

若入射粒子的能量E0全部损失在电离室灵敏体积内，则产生的平均离子对数目 N0=E0/ω。

便得到输出的饱和电压脉冲幅度为

表示脉冲幅度与入射粒子

能量成正比，ω为平均电离能，负号是阴极加负高压时输出脉冲是负极性。

由上讨论可得到如下结论：

（1）电离室以及所有的气体探测器的输出脉冲是电子和正离子分别在收集极上感应电荷产生的，不是电子和正电离子到达电极后才产生的。

电子和正离子一经产生并分别向两电极漂移，脉冲就开始产生，随着漂移运动的进行，电压脉冲幅度不断增大，当电子和正离子全部被收集时则达到饱和值（最大值）。

（2）电离室输出脉冲幅度很小，而且当探测器输出电路时，时间常数RC>>t+时，脉冲信号的幅度值达到最大。

与离子对在电离室内产生的位置无关。

例如C=20×10F的空气电离室。

5.3MeV的α粒子，α粒子能量全部损失在电离室内。

-12

这样小的脉冲幅度，必须配用噪声很小的放大器才能测到。

63

（3）脉冲变化率取决于漂移速度，由于ve>>vt，Ve=10cm/s，Vt=10cm/s。

因此电子漂移构成脉冲的快成份，正离子漂移构成脉冲的慢成份，前者称为电子脉冲，后者称为离子脉冲，电子和正离子对输出脉冲的贡献与电离室结构及电离地点有关。对于平板电离室。

电子对脉冲幅度的贡献为V饱和?-N0ed?x0? Cd对圆柱型电离室电子对输出脉冲辐度的贡献

?V饱和??N0er0ln/ln?b/a? Ca在X0=d时，即电离发生在靠近收集极（阳极），电子对脉冲的贡献很小，脉冲主要是正

离子的贡献，电离发生在X0=0（阴极位置）脉冲主要是电子的贡献，正离子的贡献很小。

（4）脉冲对一个入射粒子而言，无论是电压脉冲还是电流脉冲，均是电子和离子脉冲的总和，脉冲开始于离子对生成并向各自的电极漂移时，终结于离子对的全部被收集，但不能认为电子和离子对脉冲的贡献各占一半。 2、几种常用的脉冲电离室

（1)离子脉冲电离室：用于测量入射粒子的能量，因为输出脉冲幅度（饱和值）与初电

86

离N0成正比，且与离子对产生地点x0无关，入射粒子损耗在电离室内的能量产生的正负离子全部被收集，使电压脉冲达到饱和。

-3

缺点：①脉冲较宽，RC常数较大（1～10）×10s〖（1～10）ms〗。

2

②当计数率达到10/s时，脉冲就可能重叠，使脉冲幅度变高，影响能量测量的

精度。

（2）电子脉冲电离室：工作条件te

离子脉冲电离室和电子脉冲电离室的主要差别在探测器的输出电路的RC常数。

（3）屏栅电离室：它又叫栅网状电离室，在电离室的负高压电极K和收集电极A之间放置一个金属网状栅电极G，核辐射在栅极G和阴极K之间电离产生电子正离子对，只有电子通过栅极后才开始形成脉冲，所以输出脉冲幅度与地点无关。但要注意脉冲形成起始于第一个电子穿过栅极的时刻，因此输出脉冲出现的时刻与发生电离时时刻有一段延时，延时与电离地点有关，所以在符合测量中，使用屏栅电离室时必须考虑这个问题。

（4）裂变电离室：用来探测中子通量密度的涂裂变物质的脉冲电离室，处在收集电子的工作状态，裂变物质涂在电离室板表面，中子入射后与裂变物质发生裂变反应，产生具有很大能量和电荷量的核裂片。裂变碎片在气体中产生电离，使电离室输出较大幅度的脉冲信号。

3、脉冲电离室的能量分辨

FWHM=△V=2.355σv

脉冲幅度与入射能量成正比关系，所以又可表示为：

1/2

FWHM=△E=2.355σE=2.355ωσN=2.355(ωE0)

?E为能谱高斯分布的标准偏差，△E为能谱的半高宽，它表示电离室能分开两种不同能量粒子的能量分辨特性。

???V或?E，?表示用百分数来表示的能量分辨。

VE???E?2.355E0wE0?2.355w E0E0?N?FN0，F为法诺因子。

???E?2.355Fw E0E0电离室的极限能量分辨率，对0.1MeV约为3%，对5MeV约为0.4%，对实际测量系统，

还要考虑其它涨落因素导致的谱线展宽，以屏栅电离室为例，其谱线的半宽度?E是由下列因素决定。

?E???E2i222??EA??En??Et2??Er2??EMCA? ?Ei电离统计涨落对半宽度的影响，?EA放大器增益涨落对半高宽的影响，?En探测器及放大器噪声对半高宽的影响，?Et放射源厚度自吸收对半高宽的影响，?Er为电子脉 冲上升时间涨落对半高宽的影响，?EMCA多道分器道宽涨落对半高宽的影响

87