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1、,20,负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。,8.2 电离室 1、电离室的基本结构 不同类型的电离室在结构上基本相同. 典型结构有平板型和圆柱型。 均包括： 高压极(K)：正高压或负高压； 收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位； 保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；,21,以平板型电离室为例：,高压极,收集极 保护极,K,C RL,高压 V0,G 负载电阻,外壳,灵敏 体积,绝缘子,22,灵敏体积：,由通过收集级边缘的电力线所包围的两电极间的区域。,保护环G的作用：,1) 使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；,2) 若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负
2、载电阻RL,上通过，从而产生噪声，即绝缘子的漏电流。,1、电离室的基本结构,8.2.1 电离室,23,C,V0,RL,K,G,圆柱型电离室,I :,复合区,II : 饱和区 III :正比区,N = N0M IV:有限正比区 N N0,V: G-M工作区 VI:连续放电区 24 离子收集的电压电流曲线,E 1,E2,E3 ,Vt,Vd,25,2、工作气体,气体压力：从10-110大气压。,充满电离室内部空间，是电离室的工作介质；,如Ar加少量多原子分子气体CH4。,需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密 封外壳将电极系统包起来。,8.2.1 电离室,26,+V0,a b,+Q0
3、Q0,8.2.1 电离室 3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制 第一步：假设回路中没有负载电阻 RL = 0 极板a上加高压V0，极板a b 间电容量为C1，则两极板的电荷量: +Q0 = Q0 = C1V0,a,+ e +V0,q1,q2 b 根据高斯定律，可以得到： q = (+Q0)+(Q0)+e+(q1)+(q2) = 0 e = q1 +q2 正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生的感应电荷多。 27,8.2.1 电离室 3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制 第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+ 它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2,28,这就
4、相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流i+(t),第三步：当,感应电荷q1减少，下极板b上感应电荷q2增加。,且,e+电荷沿电场向收集极运动，则上极板a上,正离子漂移所引起的负感应电荷在 回路中流过的电荷量为:-q1,q1 = q2,+V0,a,b,i+(t),+ e,q2,q1,8.2.1 电离室 3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制,29,程。产生的结果是否与正电荷有共同之处？,8.2.1 电离室 3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制 第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经 外回路流到b极板，b极板上的感应电荷： (q1)+(q2) = e 当e+到
5、达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流 结束，流过外回路的总电荷量为： q+ = q1 考虑：如果在电极之间引入的是负电荷，解释一下整个物理过,2 q q = ,30,如果在电场中同一点引入一负电荷e-，它将在a b两极板上分,别感应一定的正电荷，分别为q1和q2。当负电荷沿电场反方 向运动时，则a极板上感应电荷q1增加，而b极板上感应电荷 q2减少。整个过程中，流过外回路的总电荷量为：,相应在外回路流过电流为 i(t)，电流方向与i+(t)相同。,8.2.1 电离室,q1,31,同一点引入正负电荷：,当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流： i(t)= i+(t)+
6、i(t),流过外回路的总电荷量： + +q q- = e,+V0,b,i(t),a + e,e,q2 q2,q1,32,为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。,8.2.1 电离室 3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制 结论： (1)只有当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有电流流过， 此时i(t)=i+(t)+i-(t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在 探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应 电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应 电流。 (2) 当+e、e电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电 荷量分别相同；+e、e电荷漂移结束，流过外回路的总
7、电荷量,33,Q = N e,8.2.1 电离室 3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制 引伸结论： (1) 当入射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们 均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是： N N j=1 j=1 (2) 当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量为：,34,8.2.2 脉冲电离室,电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反映单个,入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间等。,以下讨论假设入射离子在灵敏体积中产生N 个离子对， 并忽略扩散和复合的影响，而且在信号结束前，探测器灵敏 体积内不再有其它入射粒子产生电离。,脉冲电离室的输出信
8、号：电荷信号，电流信号，电压信号,35,T+ 为正离子全部到达b极板的时间。,8.2.2 脉冲电离室 以平板电离室为例： 设离子和电子的漂移速度是常数，并且电子的漂移速度是离 子漂移速度的1000倍， 离子和电子的初始数目为： N +(0) = N (0) = N 几个重要时刻： t1 为开始有电子到达a极板的时间； t2 为开始有正离子到达b极板的时间； T 为电子全部到达a极板的时间；,36,t,I,),I =,d Neu+ d,Ne(u+ + u I =,t1 T s,t2 T + ms,几个重要时刻：,37,气体 电离室,前置 放大器,放大器,单道或多道 脉冲分析器,8.2.2 脉冲电
9、离室 2、脉冲电离室的电子学框图 脉冲电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。 高压,38,dn,dE,E,h,dn,dh,h,半宽度 FWHM,8.2.2 脉冲电离室 3、脉冲电离室的性能 1) 脉冲幅度谱与能量分辨率 脉冲电离室常用来测量带电粒子的能量。 对单能带电粒子，若其全部能量都损耗在灵敏体积内，则脉冲电 离室输出电压脉冲的幅度反映了单个入射带电粒子能量的大小。 多道测量的脉冲幅度谱：,39,FWHMh h,FWHME E, 或 =,dn dE,能量分辨率： = E,E E,E E,E =E,能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。,8.2.2 脉冲电离室 3、脉冲电离室的性
10、能 1) 脉冲幅度谱与能量分辨率,40,量的关系为,E0,1,8.2.2 脉冲电离室 3、脉冲电离室的性能 1) 脉冲幅度谱与能量分辨率 关于能量分辨率的小结： (1)能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。 能量分辨率越小，则可区分更小的能量差别。这是谱仪的最 主要的指标。 (2)能量分辨率的公式是谱仪所达到的分辨率的极限和理论值。 并可检验谱仪的性能。 (3)能量分辨率的数值是对某一能量而言的，它与入射粒子能,定义：,原因： A 带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量； B 电离过程是涨落的。 这样必将有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来。 41 作用截面，以及次级带电
11、粒子能否进入灵敏体积。,对带电粒子, =,记录下来的脉冲数 射入电离室灵敏体积的粒子数, 100%,8.2.2 脉冲电离室 3、脉冲电离室的性能 2) 探测效率,42,入射时刻的精度。,8.2.2 脉冲电离室 3、脉冲电离室的性能 3) 时间特性 A：分辨时间 能分辨开两个相继入射粒子间的最小 时间间隔。 主要取决于输出回路参数的选择和放大器的时间常数的大小 B：时滞d 入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的 时间差。 C：时间分辨本领即由探测器输出脉冲来确定入射粒子,43,饱和特性曲线 形成的物理过 程：,饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而使灵敏体积增加及,负离子的释放。,V0,h,V1,饱和电压,8.2.2 脉冲电离室 3、脉冲电离室的性能 4)电离室的饱和特性曲线 -脉冲幅度h与电离室工作电压V0的关系,44,当输出脉冲幅度饱和后，计数率不再随工作电压而变化，称,坪特性曲线。,在入射粒子束流 不变的情况下： 入射粒子是单能的,n,甄别阈 h1h2h3 V0,h2 h1,h3,V1,8.2.2 脉冲电离室 3、脉冲电离室的性能 5) 电离室的坪特性曲线 -电离室的计数率与工作电压的关系,
