从电离室理解探测器工作原理

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1、- 电离室基本原理以及其它探测器原理与之关系电离室基本原理以及其它探测器原理与之关系 - Author:forever 摘要摘要：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.引言引

2、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 气体的电离和激发气体的电离和激发 由 B

3、ethe-Bloch 公式 dE dxion= Kz2Z A1 212ln2mec222Tmax I2 2 2 K = 4NAre2mec2= 0.3701MeV 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 dxion= KZ A1 2lnmec2 2I 2 2 带电粒子穿过气体时沿其飞行路径不断损失能量dEdxion， 一部分使与之碰撞的气体分子激发，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

4、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气体探测器收集粒子对数与所加工作作电压关系曲线电压关系曲线 我们所关心的电离室工作在曲线的第段。 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 u= E P 其中基本不随电场强度 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

5、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，而几乎不随外加电场变化。 但是对于电子，情况就不同了，由于电子质量相比气体分子要小得多，电子在两次碰撞间获得的能量可以不断地积累起来。 从而其漂移系数e会与电场强度有关， 如需要详细的了解输出信号的特征，通常就需要通过实验测量其漂移速度与电场的关系曲线。 图 2.2Ar-CH4 混合气体中电子漂移速度 (注图中所标百分比为 CH4 在混合气体中所占比例) 图 2.2 为 Ar-CH4 混合气体中电子迁移率与E P关系曲线。通常情况下，电子漂移速度量极为106cm/s,而离子漂移速度为103cm/s，前者远大于后者。至于

6、气体中离子、电子扩散作用，通常可以忽略。 2.2.2 离子、电子复合离子、电子复合 离子对数目代表了入射离子的能量信息， 因此在测量能量的系统中希望复合现象发生概率越小越好。O2、H2O等负电性气体分子的存在会提高复合几率，这是我们应该避免的。 2.3 电离室工作机制与输出信号电离室工作机制与输出信号 2.3.1 电离室基本结构如下图所示电离室基本结构如下图所示 基本结构如上图所示，课本中已有详细说明在此不再赘述。 2.3.2 信号输出机制信号输出机制 2.3.2.1 2.3.2.1 电流信号的形成机制电流信号的形成机制 这是我们重点要说明的，简便起见以平板型电离室为例来说明。图 2.3.2.

7、1 为电离室原理简图。 首先讨论电离室加恒定的电压 V0，有带电量为 q 的离子在其中漂移。离子 q 必在电离室上下板感应电荷q1、q2，由于极板内电场强度为 0，如图 2.3.2.1 中的点划线围成的封闭面，由高斯定理，总有 q1+ q2+ q = 0（2.3.2.1） 假设 q 为正电荷，则在电离室中它会向下极板漂移，在漂移的过程中，下极板感应电荷量逐渐变大，上极板电荷量逐渐减小，当 q 无限靠近与下极板时，可以类比无穷大导体平板上感应电荷的结论，认为下极板上感应电荷量为-q，由公式（2.3.2.1）此时可以认为上极板感应电荷量为0.漂移过程中总的效果就是将电荷q在初始位置处， 在上极板上

8、感应的电荷量q1经过电源，搬运到下极板，而这个过程就形成了向外电路的输出电流。 对于气体电离室，入射粒子穿过气体，在气体中产生正负离子对，正离子就是气体分子电离后的部分，而负离子就是电子。两者各带一个单位的电荷 e。由上面的分析不难得，正离子感生电流方向与负离子方向相同，并且，由于正负离子对在产生时在同一位置处，从而两者引起的通过外电路的电荷转移为 q1+e+ q2e= e 这也就意味着， 不管每一正负离子对产生于电离室何处， 两者都漂移到与之对应的电极后，通过外电路的电荷总量恒为 e，当电离室灵敏体积内有 N 对正负离子产生时，都收集时通过外电路的电荷量就是N e。 至此我们可一把通过电源的

9、电流写为i+(t)、i+(t)两部分的和， 前者为正离子的贡献， 后者为电子的贡献。从而就有 i(t) = i+(t) + i(t) 下面来具体计算出输出电流的表达式， 在这里我们先从最为简单的情况出发， 如图 2.3.2.1，忽略电源内阻，假设电离室内空间位置处电场强度为()从而有 P(t) = V0i(t) P(t) = eEr+(t) u+ eEr(t) u 前者表示电源做功，后者为电离室内消耗的能量，二者相等从而可得： i(t) =e V0+() + () 进而 i+(t) =e V0+() + i(t) = e V0() 当灵敏体积内有 N 离子对漂移时，输出电流信号即为每一对的线性

10、叠加 i(t) =e V0 +() +N+(t)i=1 () N(t)i=1(2.3.1) i+(t) =e V0 +() + (2.3.1a)N+(t)i=1i(t) =e V0 () N(t)i=1(2.3.1b) 在这里我们应当注意N+(t)、N(t)在任意时刻并不一定是相同的，因为正离子与电子的漂移速度有很大的不同，并且离子产生的。 在这里需要提醒的是,在我们分析电离室输出电流信号的过程中，并没有考虑其真实的输出电路电抗的影响。 首先来看电离室加入负载电阻， 并且我们也将前级放大器等效输入电阻及输入电容考虑在内后的等效电路图 2.3.2.2 图 2.3.2.2 考虑负载是的电路图 与实

11、际情况相对应的是 V0 其值通常为几百伏甚至上千伏特的量级，而在 Ra 上的压降仅为mV 量级（也即实际上电离室的输出信号是很弱的） ，故而在我们上免得考虑中假定加在电离室两端的电压为 V0 并且恒定不变是相一致的。这也就是说们在分析时总可以将电离室作为一个电流源来分析 （当然读者应该注意这是对所要研究的交流通路而言的， 图中的电路接法输出的就是交流正脉冲） 。 2.3.2.22.3.2.2 电压电压信号的行成机制信号的行成机制 当考虑电压信号的特征时，我们就必须关心负载电路的电抗特性，依然采用图 2.3.2.2的接法，将其简化为图 2.3.2.3 所示的电路 图 2.3.2.3 输出回路等效

12、电路 在上图中参数为 R0= Ra/Rin C0= Cin+ C 其中C为引线的杂散电容，C1为电离室等效电容。 根据能量守恒关系可得 PE(t) = V0i(t) Pout(t) =V2(t) R0+ C0dV(t) dtV(t) Pch(t) = C1dV0 V(t) dt (V0 V(t) = e+() +N+(t) i=1 () N(t) i=1 有能量守恒可得 PE(t) = Pout(t) + Pch(t) 即： e V0 V(t) +() +N+(t)i=1 () N(t)i=1 =V(t) R0+ (C1+ C0)dV(t) dt在这里取 I0(t) =e V0 V(t) +(

13、) +N+(t)i=1 () N(t)i=1 （2.3.2） 从而 I0(t) =V(t) R0+ (C1+ C0)dV(t) dt（2.3.3） 由于V0 V(t)（通常V(t)V0 105106,而输出电荷量近似与注入粒子能量成正比，由此近似导致的能量分辨误差是可以忽略的） 从而此处的I0(t)与我们在 2.3.2.1 中队无负载情况下的电流表示完全一致， 从而实际上图 2.3.2.3 所示的电路可以被简化成如图 2.3.2.4 所示的形式 图 2.3.2.4 电离室电压输出等效电路 至此我们已经得到了电离室输出电压电流信号的一般表达式， 由于需要知道电离室灵敏体积内具体的电场分布(),才

14、可以对上述关系作进一步的化简。这也促使我们从电离室的两种工作状态：脉冲工作、累计工作，本文中只对脉冲电离室做介绍。 2.3.3 脉冲电离室脉冲电离室 脉冲电离室输出信号反应的是单个入射粒子的效果， 假设入射离子在灵敏体积内产生 N离子对。 2.3.3.12.3.3.1 电流信号电流信号 根据式（2.3.1） ，我们假设正离子漂移时间为T+，电子为T则电流信号可以写成如下分段函数 ( )( )()( )()( ) ( )()( ) ( )()( ) ( )()NNi 1i 10NtNti 1i 10Nti 10ett1Vett, 1TtVet,TTV0,TtTTtitt+=+=+=+ （2.3.6） 此时输出脉冲幅度正比于如射粒子产生的离子对数目 （注意这也正是我们可以拿它来测量入射离子能量的原因） 。 但是面临的问题是电压脉冲上升时间为T+（通常正离子最大漂移时间为 ms 量级） ，并且脉冲后沿由电容 C 放电形成，时间常数0R CT+=故后沿变化会更缓慢，这样直接导致的结果就是不能承受高的入射