《从电离室理解探测器工作原理.》.pdf

电离室基本原理以及其它探测器原理与之关系 Author:forever 摘要：通过对电离室工作原理的分析，重点是导出离子对漂移以及输出电路参数（等效电 抗）对输出信号的影响，以此为基础，类比说明了常见几种探测器（正比计数器、半导体探 测器）工作原理。本文的目的在与试图说明探测器工作的一般原理，并且想要凸显出电离室 这样一种古老的探测器对于我们理解多种类型的探测器的重要意义。主要针对的是信号的具 体产生以及外电路参数的作用，这部分内容课本上没有详细介绍，故有此文。 关键字：电离室、离子对漂移、感应电荷转移、电流电压信号、负载电路电抗 1.引言 电离室作为一种最早用于输出电信号的电离辐射探测器，有着悠久的历史，同时由于其 工作原理相对简单，并且通过对它的工作机制以及输出信号理论的分析，能够使我们对闪烁 体探测器（主要是对其部件：光电倍增管）、半导体探测器有更好的理解。另外本文的也是 出于教材中对电离室输出信号的具体形成过程未作较为深入的分析，导致对于探测器输出信 号以及能量分辨率等内容讲解的并不是很直观，故出此文，希望能够将与此相关的问题讲的 清楚一些。 2. 电离室的工作机制与输出信号 为介绍电离室工作原理，我们必须先概要的提及气体中离子运动规律。 2.1 气体的电离和激发 由Bethe-Bloch 公式 2 2 2 �−dE 2 Z 1 1 2mec β γ Tmax 2 δ dx� = Kz A β2� ln I2 −β − � ion 2 2 MeV K = 4πN r2m c2 = 0.3701 A e e g/cm2 下标ion 表示电离激发能损，上式是对重粒子而言的。对于电子有如下近似公式 �−dE Z 1 γmec2 2 δ dx� = K β2�ln 2I −β − � ion A 2 dE 带电粒子穿过气体时沿其飞行路径不断损失能量�− � ，一部分使与之碰撞的气体分 dx ion 子激发，另一部分是气体分子电离。大量实验表明，带电粒子在气体中，每产生一个离子对 所平均消耗的能量W 是个常数约为30eV。 对于同种气体不同带电粒子的平均电离功W 基本不变，是气体电离探测器测量入射粒子 能量的基本依据。 2.2 气体中离子、电子的漂移与扩散运动 2.2.1 气体探测器收集粒子对数与所加工作电压关系曲线 我们所关心的电离室工作在曲线的第Ⅱ段。电压较低，电离产生的离子对在漂移过程中 不再发生次级电离现象，故没有气体放大作用。 图2.1 收集离子对数与外加电压的关系 对于正负离子(不含电子)有 E ± ± u = µ P ± 其中µ 基本不随电场强度 E 变化，这主要是由于重离子质量与气体分子相近，在两次 碰撞间几乎损失了电场作用漂移下获得的动能，从而不能积累很高的能量。可以认为在平均 自由程内，离子匀加速，而碰撞后损失加速获得的全部能量回到初始状态，由此可以估计其 漂移速度与外加电场成正比，而µ几乎不随外加电场变化。 但是