气体探测器与中子探测
1.1 气体探测器概述
气体探测器是人类历史上应用最悠久的核辐射探测器,在早期核物理发展中起了很大作用,例如宇宙线和中子是在电离室中发现的,迄今已有一百多年的历史。气体探测器是以气体作为探测介质,利用电极收集入射粒子在气体中产生的电荷来探测粒子,获取入射粒子的能量、时间及位置等相关信息。
1.2 气体探测器测量原理
气体探测器是以工作气体(既可以是混合气体,也可以是单一气体)作为探测物质,利用电极收集入射粒子在气体中产生的电离电荷来探测粒子,获取入射粒子的能量、时间及位置等相关信息。尽管气体探测器的形式和结构各种各样,但几乎都是利用电极来收集电离电荷的,它们通常都是由高压电极和收集电极组成。入射粒子进入灵敏区后,通过使电极间气体电离,生成的电子和正离子在电场的作用下分别向相反方向漂移,最后被电极收集。在漂移过程中,由于静电感应,电极上将感生电荷,并且随他们的漂移而变化,于是在输出回路中形成感应电流,收集的电子-离子对数目决定了输出电流的大小。气体探测器正是利用此特性实现了探测粒子的功能。
1.2.1带电粒子在工作气体中的能量损失与统计规律
入射带电粒子通过气体时,由于与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量,最后被阻止下来。碰撞的结果使气体分子电离或激发,并在粒子通过的径迹上生成大量的离子对(电子和正离子)。上述电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离,以及由碰撞打出的高速电子(δ电子)所引起的电离。前一过程产生的离子对数称为初电离,后一过程产生的离子对数称为次电离,初电离和次电离的总和称为总电离。此外,粒子在单位路程上产生的离子对数称为比电离。带电粒子在气体中产生一对电子-离子所需的平均能量w称为平均电离能,公式2.1所示。
(2.1)
式(2.1)中E为带电粒子在探测器中的能量损失,N为电离过程产生的平均电子-离子对数目。
在气体中产生一个电子一离子对所需能量(平均电离能)约为30eV,若一个能量为3keV的带电粒子与气体相互作用,则能产生3000/30=100电子一离子对。
作为测量能量用的探测器,它的输出脉冲幅度一般与探测器对入射粒子所吸收的能量成正比。但是,即使探测器对粒子所吸收的能量完全相同,所对应的输出脉冲幅度也不完全一样,即有大小不同的涨落,在能谱上形成一个具有一定宽度的峰。造成这种涨落的原因很多.其中一个重要的因素是由电离的统计涨落引起的。
1.2.2电子与离子在气体中的运动[1]
电子和离子在气体中可能发生以下几种物理过程:漂移、扩散、电子吸附和复合。
漂移:
微观尺寸上,气体中的电子和离子的漂移是电子和离子与气体分子或原子碰 撞后散射,因而它们的运动方向是随机的,即瞬时速度v方向是不一定的。离子或电子在外电场中被加速,但是它又和气体分子随机碰撞沿着电场方向缓慢运动,损失能量而减速。不断加速和减速的结果,宏观上就表现为它们具有一定的平均速度,称为漂移速度v,公式为式(2.2)。假设每次碰撞后电离粒子的动量全部损失,就可以导出下述公式:
(2.2)
式中量,(
为电场强度,
是气体压力,
是电离粒子的质)电离粒子的加速度, 可以用平均激活能
是它在latm下的平均自由路程,)为走过(表示,数,即有关系式:
是它在电场下混乱运动的平均
速度,也称激活速度。是在两次碰撞之间()路程所需时间。激活速度
是电离粒子混乱运动的能量在有电场时比无电场时所增加的倍
电子的子气体的
(2.3)
很大,双原子分
随气体种类的不同差别很大,惰性气体的
比较小。其原因是:电子会从电场中得到能量和动量,同时它与气
体分子碰撞时又会损失能量和动量,而激活能正是依赖于两者的平衡。多原子分子气体在较低电子能量下就会出现非弹性碰撞,这就阻止了平衡能量值的无限上升。因此,在惰性气体中加入多原子分子气体会大大降低
值,激活速度u减
小,进而大大增加电子的漂移速度。例如,在氮气中混入二氧化碳或甲烷,可以 使电子漂移速度提高一个数量级。实验测得的电子漂移结果如图2.1,电子的漂移速度一般比离子大103倍,约106cm/s,电子的漂移速度对组成气体的成分非常灵敏。
图1.1 电子在气体中的漂移速度
1) 扩散
电子和正离子由于空间密度不均匀,从密度大的区域向密度小的区域扩散。由于扩散的结果,原初电离形成的离子随时间增加向四周扩散,电离产生的电子和离子并不会完全沿着外电场方向漂移;而是在漂移的同时还要向四周扩散。利用运动学理论可以得到室温条件下,扩散平均距离的关系如下:
与漂移平均距离
(2.4)