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對(duì)于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于輻射探測(cè)器探測(cè)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(duì)輻射進(jìn)行測(cè)量。 輻射探測(cè)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(cè)的器件稱為輻射探測(cè)器。 為什么需要輻射探測(cè)器？ 探測(cè)器按探測(cè)介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為： 氣體探測(cè)器； 閃爍探測(cè)器； 半導(dǎo)體探測(cè)器。 輻射探測(cè)器學(xué)習(xí)要點(diǎn)（研究問(wèn)題）： 探測(cè)器的工作機(jī)制； 探測(cè)器的輸出回路與輸出信號(hào)； 探測(cè)器的主要性能指標(biāo)； 探測(cè)器的典型應(yīng)用。 輻射探測(cè)的基本過(guò)程： 輻射粒子射入探測(cè)器的靈敏體積； 入射粒子通過(guò)電離、激發(fā)等效應(yīng)而在探測(cè)器中沉積能量； 探測(cè)器通過(guò)各種機(jī)制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號(hào)。 第八章 氣體探測(cè)器 Gas－filled Detector 電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過(guò)程 入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過(guò)庫(kù)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(dòng)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(duì)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(duì)所需的平均能量。

對(duì)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(duì) IonPairs Formed FanoFactor 離子對(duì)數(shù)N是隨機(jī)變量. 它服從什么分布？ 法諾分布 離子對(duì)數(shù)的方差 過(guò)去實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)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(dòng)能很低，一般不能再引起新的電離或激 上述兩過(guò)程均在10-9秒內(nèi)完成。亞穩(wěn)態(tài)原子壽命較長(zhǎng)，一般為10-2 輻射光子。發(fā)射波長(zhǎng)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(dòng) 當(dāng)不存在外加電場(chǎng)的情況下，電離產(chǎn)生的電子和正離子在氣體中運(yùn)動(dòng)，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(huì)發(fā)生以下物理過(guò)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(dòng)叫擴(kuò)散。 由氣體動(dòng)力學(xué)，可得到擴(kuò)散方程： 電子的平均自由程和亂運(yùn)動(dòng)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(dòng)過(guò)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(cè)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(huì)影響探測(cè)器的性能。 復(fù)合(Recombination)有兩個(gè)過(guò)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(hào)給復(fù)合掉，使有用的信號(hào)減少。因此，復(fù)合現(xiàn)象 在探測(cè)器正常工作中應(yīng)盡量避免。 復(fù)合引起的離子對(duì)數(shù)目的損失率： 一旦形成了負(fù)離子，其運(yùn)動(dòng)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(chǎng)中的漂移 離子和電子除了與作熱運(yùn)動(dòng)的氣體分子碰撞而雜亂運(yùn)動(dòng)和因空間分布不均勻造 成的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，還有由于外加電場(chǎng)的作用沿電場(chǎng)方向定向漂移。

這種運(yùn)動(dòng)稱為“漂移運(yùn)動(dòng)”，定向運(yùn)動(dòng)的速度為“漂移速度”。 kTMv 對(duì)于離子：在存在電場(chǎng)的情況下，兩次碰撞之間離子從電場(chǎng)獲得的能量又會(huì)在碰撞中損失，離 子的能量積累不起來(lái)。離子的平均動(dòng)能與沒(méi)有電場(chǎng)的情況相似，為： 離子漂移速度 離子的遷移率可表示為： 對(duì)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(chǎng)加速的能量可積累起來(lái)。直到使它的彈性碰撞能量損失和碰撞間從電場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(guò)程。 發(fā)生雪崩的閾值電場(chǎng)：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(guò)~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(guò)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(guò)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(cè)量?jī)x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(guò)時(shí)形成電壓信號(hào)。 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(guò)收集級(jí)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(wú)G，當(dāng)高壓很大時(shí)，會(huì)有電流通過(guò)絕緣子從負(fù)載電阻RL上通過(guò)氣體探測(cè)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(lái)。 第一步：假設(shè)回路中沒(méi)有負(fù)載電阻 3、輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)器內(nèi)部從陽(yáng)極流向陰極。電荷漂移過(guò)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(guò)外回路的總電荷量為e；該電荷量與這一對(duì)電荷的產(chǎn)生位置無(wú)關(guān)。 當(dāng)入射粒子在探測(cè)器靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N個(gè)離子對(duì)，它們均在外加電場(chǎng)作用下漂移，這時(shí)，產(chǎn)生的總電流信號(hào)是： 引伸結(jié)論： 輸出回路的定義：輸出信號(hào)電流所有流過(guò)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(hào)輸出； 測(cè)量?jī)x器有內(nèi)阻、電容； 探測(cè)器電容C1。 輸出回路的簡(jiǎn)化過(guò)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(cè)器電容； R入：測(cè)量?jī)x器輸入電 C入：測(cè)量?jī)x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(hào)僅反映單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)?？梢詼y(cè)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(duì)，并忽略擴(kuò)散和復(fù)合的影響， 而且在信號(hào)結(jié)束前，探測(cè)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(hào)：電荷信號(hào)，電流信號(hào)，電壓信號(hào)。 脈沖電離室的總輸出電荷量1、脈沖電離室的輸出信號(hào) 電離室靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N個(gè)離子對(duì)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(chǎng)分布、輸出回路參數(shù)無(wú)關(guān)。 脈沖電離室的輸出電流信號(hào)相當(dāng)于用輸入阻抗極小的電流計(jì)測(cè)量電離室輸出信號(hào)的情況。 下面來(lái)計(jì)算電流的大小：電源提供功率： 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(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)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(kāi)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(kāi)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(cè)量裝置，輸出電壓信號(hào)?？傠娮?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(chǎng)作用 下漂移所消耗的功率We(t) C1的儲(chǔ)能發(fā)生變化(消耗功 率)WC1(t) 推導(dǎo)過(guò)程的物理基礎(chǔ)： 靈敏體積內(nèi)電子－正離子在電場(chǎng)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(chǔ)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(wú)限大的電流源，但這是有條件的。而電荷源則是無(wú)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(wèn)題——輸出電壓脈沖寬度非常大(T＋是ms量級(jí))，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(wèn)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(duì)數(shù)有關(guān)，而且，與離 子對(duì)生成的位置有關(guān)。 電子或正離子漂移對(duì)輸出電壓脈沖信號(hào)的貢獻(xiàn)，取決于電子或正離子掃過(guò)的電位差。 關(guān)于電離室輸出電壓信號(hào)的一些重要結(jié)論： 電子離子對(duì)一旦形成，立即就有輸出電流信號(hào)；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(jí)。

離子脈沖電離室存在問(wèn)題——輸出電壓脈沖寬度非常大(T＋是ms量級(jí))，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(wèn)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(chǎng)的特點(diǎn)來(lái)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(lái)測(cè)量能量的目的。 距中心位置為r的場(chǎng)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(duì)。 注意：這種工作狀態(tài)下，中央絲極必須是陽(yáng)極。 對(duì)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(hào)的形成過(guò)程離子對(duì)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(guò)電流i1；同 時(shí)電子在穿過(guò)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(guò)G－A電極；在輸出回路上輸出電壓脈沖信號(hào)： 3、脈沖電離室輸出信號(hào)的測(cè)量脈沖電離室的輸出信號(hào)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(guò)對(duì)輸出脈沖數(shù)進(jìn)行測(cè)量。 通過(guò)對(duì)輸出電壓信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量。 通過(guò)對(duì)輸出電壓信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。 脈沖電離室的輸出信號(hào)需要用電子儀器來(lái)測(cè)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(lái)測(cè)量帶電粒子的能量。 對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(hào)的相對(duì)均方漲落為： 要使分析器道寬影響不超過(guò)1/100，F(xiàn)WHM內(nèi)須不少于6～7道。幅度分析器的道寬對(duì)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(guò)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(cè)效率粒子數(shù) 射入電離室靈敏體積的 記錄下來(lái)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(guò)程是漲落的。 這樣必將有一部分幅度低于甄別閾的信號(hào)脈沖未被記錄下來(lái)。 100% γ粒子等中性粒子則取決于與介質(zhì)作用產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子的相互作用截面，以及次級(jí)帶 電粒子能否進(jìn)入靈敏體積。

對(duì)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(kāi)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(cè)器輸出脈沖來(lái)確定入射粒子入射時(shí)刻的精度。 當(dāng)電離室的輸出信號(hào)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(hào)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(duì)。則在靈敏體積內(nèi)單位時(shí)間的總離子對(duì)數(shù)為 8.4累計(jì)電離室 1、輸出信號(hào)及其漲落 輸出信號(hào)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(hào)。 （1）輸出信號(hào)輸出直流電壓信號(hào) （2）輸出信號(hào)的漲落假設(shè)，每一對(duì)離子產(chǎn)生后將立即使探測(cè)器產(chǎn)生一輸出信號(hào)： 這樣，在任一時(shí)刻t，探測(cè)器的總輸出信號(hào)是此時(shí)刻以前在探測(cè)器內(nèi)產(chǎn)生的各 個(gè)離子對(duì)所產(chǎn)生信號(hào)在此時(shí)的所取值的疊加。 間隔內(nèi)入射粒子流在探測(cè)器內(nèi)產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)。這些離子對(duì)的信號(hào)經(jīng)過(guò) 時(shí)間到達(dá)t 時(shí)刻的信號(hào)為： 時(shí)刻的總信號(hào)St應(yīng)當(dāng)是t 以前( )產(chǎn)生的離子對(duì)在t時(shí)刻的信號(hào)的總和，即： 間隔內(nèi)的n個(gè)入射粒子分別在探測(cè)器內(nèi)產(chǎn)生的離子對(duì) 數(shù)Ni 的總和。

這樣， M顯然是由 n及N串級(jí)而成的串級(jí)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(duì)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(cè)器后產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)N的漲落對(duì)于累計(jì)信號(hào)的相對(duì)均方漲落的影響很小。累計(jì)信號(hào)的相對(duì)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(duì)離子所產(chǎn)生的電流信號(hào)f( )，求輸出電流信 號(hào)及其相對(duì)均方漲落。 則，輸出電流信號(hào)平均值為：輸出電流信號(hào)相對(duì)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(wú)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(hào)電流或電壓幅度： 線性范圍——一定工作電壓下，輸出信號(hào)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(hào)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(guò)了原來(lái)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(hào) 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(hào)的變化規(guī)律。對(duì)電壓信號(hào)氣體探測(cè)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(duì)電流信號(hào)，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(hào)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(wú)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(zhǎng)。 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(cè)量、反應(yīng)堆監(jiān)測(cè)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(hào)幅度比脈沖電離室顯著增大。

對(duì)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)須>104V/cm。 為達(dá)到這一要求，一般采用非均勻電場(chǎng)，以圓柱型為主。 設(shè)計(jì)思想：利用圓柱形電場(chǎng)的特點(diǎn)在中央絲極附近會(huì)產(chǎn)生小范圍的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域。 距中心為r的場(chǎng)強(qiáng)： 實(shí)例：當(dāng)V0＝1000V，a＝25m，b＝1cm時(shí)，在r＝0.02cm處，電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)于臨 界場(chǎng)強(qiáng)ET。 在r＝b時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最小，r＝a時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大。cm 定義：對(duì)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(jí)，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(guò)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(hào)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(guò)碰撞電離過(guò)程，電子的數(shù)目不斷增殖，這 個(gè)過(guò)程稱為氣體放大過(guò)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(chǎng)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(cè)儀， 氣體放大過(guò)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(huì)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(chǎng)的加速發(fā)生碰撞電離。這個(gè)過(guò)程稱為光子反饋。 定義：光子反饋概率 為每個(gè)到達(dá)陽(yáng)極的電子通過(guò)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(guò)程(10-9s)遠(yuǎn)快于電子的漂移過(guò)程(10-6s)，對(duì)信號(hào)的形成而言，在時(shí)間上是同時(shí)事件。 氣體放大過(guò)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(guò)程中，可以認(rèn)為正離子基本沒(méi)動(dòng)，形 成空間電荷，處于陽(yáng)極絲附近，會(huì)影響附近區(qū)域的電場(chǎng)，使電場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，影響電?雪崩過(guò)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(guò)程，稱為離子反饋；也可以通過(guò)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(hào) 假定： 全部輸出信號(hào)均為正離子由陽(yáng)極表面向陰極漂移而在外回路流過(guò)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(duì)輸出信 號(hào)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(wú)關(guān)。dt 電流脈沖I(t)的形狀一定，與入射粒子的位置無(wú)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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