20負(fù)載電阻(RL)：電流流過(guò)時(shí)形成電壓信號(hào)。§8.2

電離室

1、電離室的基本結(jié)構(gòu)

不同類(lèi)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。

均包括：

高壓極(K)：正高壓或負(fù)高壓；

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(chēng)保護(hù)環(huán)，處于與收集極相同的電位；20負(fù)載電阻(RL)：電流流過(guò)時(shí)形成電壓信號(hào)。§8.2121以平板型電離室為例：高壓極收集極保護(hù)極K

CRL高壓

V0

G負(fù)載電阻外殼靈敏體積絕緣子21以平板型電離室為例：高壓極收集極K C高壓V0 222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：1)

使靈敏體積邊緣處的電場(chǎng)保持均勻；2)

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)，從而產(chǎn)生噪聲，即絕緣子的漏電流。1、電離室的基本結(jié)構(gòu)§8.2.1

電離室22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323CV0RLKG圓柱型電離室23CV0RLKG圓柱型電離室4I

:復(fù)合區(qū)II

:

飽和區(qū)III

:正比區(qū)

N

=

N0MIV:有限正比區(qū)

N

>>

N0

V:

G-M工作區(qū)

VI:連續(xù)放電區(qū)

24離子收集的電壓電流曲線E

α

1E2β

E3βVtVdI:復(fù)合區(qū)II:飽和區(qū) N=N0M V:5252、工作氣體氣體壓力：從10-1~10大氣壓。充滿(mǎn)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)?！?.2.1

電離室252、工作氣體氣體壓力：從10-1~10大氣壓。充滿(mǎn)電離室626+V0a

b+Q0?Q0§8.2.1

電離室

3、輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程—電離室的工作機(jī)制

第一步：假設(shè)回路中沒(méi)有負(fù)載電阻

RL

=

0

極板a上加高壓V0，極板a

b

間電容量為C1，則兩極板的電荷量:

+Q0

=

?Q0

=

C1V026+V0a+Q0§8.2.1電離室7a+

e

+V0?q1

?q2

b

根據(jù)高斯定律，可以得到：q

=

(+Q0)+(?Q0)+e+(?q1)+(?q2)

=

0

?

e

=

q1

+q2

正電荷靠哪個(gè)極板近，那個(gè)極板上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷多。

27§8.2.1

電離室

3、輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程—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、-q2a+e+V0?q1 ?q2§8.2.1828這就相當(dāng)于感應(yīng)電荷從外回路流過(guò)，即在外回路流過(guò)電流i+(t)第三步：當(dāng)感應(yīng)電荷q1減少，下極板b上感應(yīng)電荷q2增加。且e+電荷沿電場(chǎng)向收集極運(yùn)動(dòng)，則上極板a上正離子漂移所引起的負(fù)感應(yīng)電荷在回路中流過(guò)的電荷量為:-q1?q1

=

?q2+V0abi+(t)+

e?q2?q1§8.2.1

電離室

3、輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程—電離室的工作機(jī)制28這就相當(dāng)于感應(yīng)電荷從外回路流過(guò)，即在外回路流過(guò)電流i+(929程。產(chǎn)生的結(jié)果是否與正電荷有共同之處？§8.2.1

電離室

3、輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程—電離室的工作機(jī)制

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：

(?q1)+(?q2)

=

?e

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：

?q+

=

q1

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)29程。產(chǎn)生的結(jié)果是否與正電荷有共同之處？§8.2.1102

q

q

=

?30如果在電場(chǎng)中同一點(diǎn)引入一負(fù)電荷e-，它將在a

b兩極板上分別感應(yīng)一定的正電荷，分別為q1和q2。當(dāng)負(fù)電荷沿電場(chǎng)反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則a極板上感應(yīng)電荷q1增加，而b極板上感應(yīng)電荷q2減少。整個(gè)過(guò)程中，流過(guò)外回路的總電荷量為：相應(yīng)在外回路流過(guò)電流為

i?(t)，電流方向與i+(t)相同。?§8.2.1

電離室2qq=?30如果在電場(chǎng)中同一點(diǎn)引入一負(fù)電荷e-11?q131同一點(diǎn)引入正負(fù)電荷：

當(dāng)同時(shí)在同一位置引入一離子對(duì)，則在外回路流經(jīng)的電流：i(t)=

i+(t)+

i–(t)流過(guò)外回路的總電荷量：

+

+q

q-

=

e+V0bi(t)a

+

e?e?q2

q2q1?q131同一點(diǎn)引入正負(fù)電荷： 當(dāng)同時(shí)在同一位置引入一離子對(duì)1232為e；該電荷量與這一對(duì)電荷的產(chǎn)生位置無(wú)關(guān)?！?.2.1

電離室

3、輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程—電離室的工作機(jī)制

結(jié)論：

(1)只有當(dāng)空間電荷在極板間移動(dòng)時(shí)，在外回路才有電流流過(guò)，

此時(shí)i(t)=i+(t)+i-(t)，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。

(2)

當(dāng)+e、?e電荷在同一位置產(chǎn)生時(shí)，它們?cè)跇O板上的感應(yīng)電

荷量分別相同；+e、?e電荷漂移結(jié)束，流過(guò)外回路的總電荷量32為e；該電荷量與這一對(duì)電荷的產(chǎn)生位置無(wú)關(guān)?！?.2.11333Q

=

N

?e§8.2.1

電離室

3、輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過(guò)程—電離室的工作機(jī)制

引伸結(jié)論：

(1)

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：

N

N

j=1

j=1

(2)

當(dāng)N個(gè)離子對(duì)全部被收集時(shí)，流過(guò)外電路的總電荷量為：33Q=N?e§8.2.1電離室1434§8.2.2

脈沖電離室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)。可以測(cè)量每個(gè)入射粒子的能量、時(shí)間等。

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)34§8.2.2脈沖電離室電離室處于脈沖工作狀態(tài)，電1535T+

為正離子全部到達(dá)b極板的時(shí)間。

§8.2.2

脈沖電離室以平板電離室為例：

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，

離子和電子的初始數(shù)目為：

N

+(0)

=

N

?(0)

=

N

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；

t2

為開(kāi)始有正離子到達(dá)b極板的時(shí)間；

T–

為電子全部到達(dá)a極板的時(shí)間；35T+為正離子全部到達(dá)b極板的時(shí)間。 §8.2.21636tI)I

=

dNeu+

dNe(u+

+

u?

I

=t1

T

?~

μst2

T

+

~

ms幾個(gè)重要時(shí)刻：36tI)I= dNe(u++u?t1T?t21737

氣體電離室

前置放大器放大器單道或多道脈沖分析器

§8.2.2

脈沖電離室2、脈沖電離室的電子學(xué)框圖

脈沖電離室的輸出信號(hào)需要用電子儀器來(lái)測(cè)量。

高壓37 氣體 前置放大器單道或多道 §8.2.2脈沖電1838dndEEhdndhh

半寬度FWHM

§8.2.2

脈沖電離室

3、脈沖電離室的性能

1)

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)，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。多道測(cè)量的脈沖幅度譜：38dndEEhdndhh 半寬度 §8.2.2脈1939FWHMh

hFWHME

E,

或

η

=dndE能量分辨率：

η

=

?E?E

>ηE?E

<ηE?E

=ηE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。

§8.2.2

脈沖電離室3、脈沖電離室的性能

1)

脈沖幅度譜與能量分辨率39FWHMhFWHME,或η=dn能量分辨率：2040量的關(guān)系為E0η∝1

§8.2.2

脈沖電離室3、脈沖電離室的性能

1)

脈沖幅度譜與能量分辨率

關(guān)于能量分辨率的小結(jié)：

(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)。

(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)譜儀的性能。

(3)能量分辨率的數(shù)值是對(duì)某一能量而言的，它與入射粒子能40量的關(guān)系為E0η∝1 §8.2.2脈沖電離室21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)。

41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ε

=

記錄下來(lái)的脈沖數(shù)射入電離室靈敏體積的粒子數(shù)ε

<100%

§8.2.2

脈沖電離室3、脈沖電離室的性能

2)

探測(cè)效率定義： 原因：對(duì)帶電粒子ε= 記錄下來(lái)的脈沖數(shù)ε<1002242入射時(shí)刻的精度。

§8.2.2

脈沖電離室3、脈沖電離室的性能

3)

時(shí)間特性

A：分辨時(shí)間τ

——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

B：時(shí)滯τd

——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42入射時(shí)刻的精度。 §8.2.2脈沖電離室2343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。V0hV1飽和電壓§8.2.2

脈沖電離室3、脈沖電離室的性能

4)電離室的飽和特性曲線

----脈沖幅度h