<返回
当前位置:万博体育app > 万博app官方下载 >

从电离室理解探测器工作原理

返回列表

来源:admin    发布日期:2020-01-02

  从电离室理解探测器工作原理_物理_自然科学_专业资料。该文档从电场和电荷移动的角度讲解探测器的工作原理,对探测器工作的物理本质讲解清晰易懂,很赞。包括里面的一些数学公式思路都很清晰。

  --------------------------------------------- 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 ?? dE dx?ion = Kz2 Z A 1 β2 1 ?2 ln 2mec2β2γ2Tmax I2 ? β2 ? δ 2? K = 4πNAre2mec2 = 0.3701 MeV 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 dx ? ion = K Z A 1 β2 ?ln γmec2 2I ? β2 ? δ 2? 带电粒子穿过气体时沿其飞行路径不断损失能量?? ddEx?ion,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 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 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) E 图 2.2 为 Ar-CH4 混合气体中电子迁移率与 关系曲线。通常情况下,电子漂移速度量极为 P 106cm/s,而离子漂移速度为103cm/s,前者远大于后者。至于气体中离子、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 2.3.1 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 2.3.2.1 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 2.3.2.1 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 + q2?e = 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) = eE?r+(t)? ? u+ ? eE?r?(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叠加 N+(t) N?(t) e i(t) = V0 ? ? ? i=1 ?+()? ? + ? ? i=1 ??()? ? ?? (2.3.1) N+(t) i+(t) = e V0 ? ? i=1 ?+()? ? + N?(t) i?(t) = e V0 ? ? i=1 ??()? ? ? (2.3.1a) (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)。 2.3.2.2 电压信号的行成机制 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 输出回路等效电路 在上图中参数为 R0 = Ra//Rin C0 = Cin + Cλ 其中Cλ为引线为电离室等效电容。 根据能量守恒关系可得 PE(t) = V0i(t) V2(t) dV(t) Pout(t) = R0 + C0 dt V(t) Pch(t) = C1 ? d?V0 ? V(t)? dt ? (V0 ? V(t)) = e ?∑Ni=+1(t) ?+()? ? + ? ∑Ni=?1(t) ??()? ? ?? 有能量守恒可得 即: PE(t) = Pout(t) + Pch(t) N+(t) N?(t) e V0 ? V(t) ? ? i=1 ?+()? ? + ? ? i=1 ??()? ? ?? = V(t) R0 + (C1 + C0) dV(t) dt 在这里取 N+(t) N?(t) e I0(t) = V0 ? V(t) ? ? i=1 ?+()? ? + ? ? i=1 ??()? ? ?? (2.3.2) 从而 V(t) dV(t) I0(t) = R0 + (C1 + C0) dt (2.3.3) 由于V0 ? V(t)(通常V(t) V0 ≈ 10?5~10?6,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。 2.3.3.1 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 ∑ ( ) ∑ ( ) ( ) ? e ?? N+ = ?? V0 ??? i 1 N E r+ t u+ ? ? =i ? 1 E r? (t) u? ? ???,t ?? ≤ T1 ∑ ( ) ∑ ( ) ? ? e ??N+ ( ) ( ) = i t = ?? V0 ??? i (t) N? E r+ t u+ ? ? 1 =i (t 1 ) E r? (t) u? ? ??? , T1 t ≤ T? ?? ? ∑ ( )( ) ? e ? ? V0 N+ (t) E i=1 r+ t u+,T? t T+ ? ??0,t T+ (2.3.4) 2.3.3.2 电压信号 由公式(2.3.3)求解并利用初始时刻 V(t)=0 可得 ∫ V (t) = e?t / R0C C t I0 (t)et/(R0C)dt 0 (2.3.5) 注意此处的 I0 (t) 即为公式(2.3.4)中的 i(t) 。 正如前文所述当我们考虑电压信号时,就学要结合输出电路电抗来做分析,实际上也就 是不外乎时间常数的大小关系 (1) R0C ? T + 从而由 ∫ ? 1 ?? C t 0 I0 (t)dt,t T+ ∫ V= (t) ?? ? ? 1 C T+ 0 I0 (= t)dt N= e,t T + C ? ? Ne e?t / R0C , t T + ?? C (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τ = R0C T+ ? 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流强(或计数率),否则会导致相邻两入射 粒子产生的脉冲混在一起,最终无法区分。 (2) T + ? R0C T? ? 此时,输出电压 V 的上升沿是由电子漂移引起的,因为它对电容充电时间要比电容通过 R0 放电的时间小得多,从而电容上电压是可以积累的。但是对于正离子,漂移引起的电压 V + (t) 可以忽略,原因是它对电容 C 的充电时间要远小于 C 通过电阻 R 的放电时间常数故, 正离子对电容电压积累的贡献是可以忽略的。从而: = V (t) ∫ ? 1 ? ? C t 0 I ? (t)dt,t 0 T? ∫ ????= C1 T0? I 0? (t)dt, t T ? ∫ ? ? e?t / R0C T? I ? (t)dt,t T? ?? C 0 0 (2.3.7) 在这种情况下,电压脉冲的上升时间为 T ? (约 ?s 量级),从而大大提高了时间分辨,提高 了可以接受的计数率。另外,我们可以注意到在 T ? 时刻输出信号达到最大幅度,但是此时 幅度是正比于产生离子对中电子在电离室负极板上感应的电荷量。从而输出幅度不再跟入射 粒子的能量成正比。不过不必着急,在了解了问题发生的原因后,人们总是会想到办法解决 的。在这里如果我们可以想办法使的电子基本上都在在负电极处产生,则它在漂移过程中通 过电离室输出电路的电荷量就是 Ne ,从而满足了与如射粒子能量成正比的要求,而且获得 了较好的时间分辨。对于此我们将在后面的屏栅型电离室中作简要的说明。 (3)T ? ? R0C 在这种情况下,虽然上升下降时间完全由 R0C 决定,但是面临的问题是输出幅度已经 几乎为零了,并且非常容易被噪声信号所掩盖。面对这个问题仍然采用电离室工作区段(图 2.1 中Ⅱ段)已经不能解决问题了,因为这时主要矛盾是噪声,而噪声除了借助于低温以及 完美的工艺基本上是没有发挥的空间了,所以我们必须借助于具有内放大作用的机理。正比 放大器以及 G-M 计数管应运而生。 2.3.3.3 电离室的一些特性参数 (1)能量分辨本领 在这里首先说明能量分辨率,采用的是 FWHM 的定义方法,而与正态分布或者泊松分布 它恰好是平均标准偏差的 2.354 倍。这一点我们总是广泛接受的(因为大多数情况下有中心 极限定理支撑着我们,所以不用怕)。 能量分辨由以下几方面构成:①电离过程的涨落,此内容在课本上有详细的介绍,在穿 过薄吸收体时分布不是泊松分布,而是有较长的朗道尾部,但是通常对于电离室来说测量的 能量不是很高,可以认为满足厚吸收体条件 β4 1? β2 ≤ 0.074x 其中为电离室灵敏提及有效厚度 再加上法诺的研究成果电离涨落导致离子对数 N 的涨落通常描述为 σN = F N (F 为法诺因子,对一般气体通常为 1 3 ? 1 4 左右) ②其他影响,诸如放大器放大倍数的涨落,噪声电平的涨落等。由于它们之间是相互独立的 随机变量,和的方差等于方差的和,我们就可以根据这个来最终求出探测器的能量分辨。 (2)坪特性 坪特性是指探测器计数率与所加电压的关系。这里要提醒的是探测系统都有一定的甄别 阈,考率探测器坪特性时应该记住有甄别阈这个概念。电离室平特性一般如图 2.3.3.1 所示 当电压小于阈值V0 时,计数率随着所加电压的增大而增大。由输出脉冲电压表达式可 以看到,输出幅度与我们所加的工作电压是没有关系的,可是这里却出现了阈值电压,这是 为什么呢?原因只能是复合作用较为显著,使得输出电荷量减小。对于探测器,不论何种类 型,我们总是希望它有良好的坪特性(即尽量宽的坪长,并且坪斜要尽量小,这样我们就不 用花很大的功夫去研究工作电压的稳定性了。因为低压保持稳定相对来说比较简单,但是对 于高压保持很高的稳定性往往是比较困难的) (3)分辨时间 分辨时间定义为系统说能识别的两个相继入射的带电粒子的最小时间间隔。 输出信号的上升时间对分辨时间有着重要的影响,提高分辨时间的关键就在与提高信号 上升时间。而对于电离室,上升时间不会好于电子漂移时间 T ? 。并且要注意入射粒子在平 板电离室中产生的离子对在各处都有,从而导致输出信号是由在输出信号整个输出周期中, 不同时间段内在电离室内漂移的离子所形成的。如此会对信号质量产生影响。 (4)探测效率 ε 对于电离室只要工作在坪区,探测效率几乎为 100%。 (5)其他参数 如最大允许的计数率、能量刻度的线性性等,此处就不在详细列举了。 至此我们已经分析了电离室工作机制与输出信号原理。需要再次强调的是,电离室信号 形成机制是理解其他种类探测器的基础。正比计数器、G-M 计数器、流光室、光电倍增管、 半导体探测器(如 PN 结探测器、Ge(Li)探测器等)等信号产生原理无不与之类似。 3.从电离室出发理解其它探测器 3.1 屏栅电离室 结构如图 3.1.1 所示 它就是为了解决我们子啊 2.3.3.2 节,第(2)中情况的问题的设计的。它是利用 A 区作为 灵敏体积,正离子漂移向上极板,电子漂移向栅丝,由于栅丝的屏蔽作用,此过程中无输出。 作用是将在电子在上极板上感应的电荷搬到栅极丝上,当电子漂移过栅极丝后这部分储存在 栅极丝上的电荷才通过输出电路,从而使得对于每个电子对输出电路贡献的电量都是 1 个 e。 3.2 正比计数器 结构的共性是阳极为细丝,从而只可以在其周围提供强电场。工作在图 2.1 曲线的第Ⅲ 段。我们必须在阳极丝形成强电场区才能使其正常共作。原因是这样的:正如我们在 2.2 节中所述的,正离子在一个平均自由程内,通过电场加速获得的能量基本上在碰撞过程中消 失,从而不能积累能量,其平均能量水平就相当于在探测器工作温度下气体分子平均热运动 的动能。从而正离子是不能在是气体分子发生次级电离从而造成倍增效应的。但是,对于电 子则不然,有 2.2 节内容,电子是可以在多个自由程内积累能量,如果电场足够强,则直到 其能量积累到能够再次引起气体分子的电离,产生倍增效应,才有可能使其能量再次达到平 衡。设倍增系数为 m ,也就意味着一个电子平均产生的次级电子数目为 m 。显然气体倍增 系数适合所加电压(或者说电场强度)有关,Rose-Korff 给出的关系如下: ? ln m ∝ V 0.5 0 ??? V0 VT ? ?1??? 式中VT 为正比计数器进入正比区的起始电压。 另外说明的就是在电离过程中气体分子的激发也是不可忽略的。气体分子退激辐射的通 常都是紫外波段光子,很容易引起电离室壁金属材料发生光电效应,放出光电子,进而依次 往复,有可能导致正比特性丧失,形成“非自持放电”,这是我们所不希望的。实际应用中 总是会在气体中混入一些多原子分子( CO2 、 CH4 等),主要是由于它们对紫外光子有强 烈的吸收作用,可以使得光放大作用减弱,等比级数求和的效果是可以忽略。 阳极丝表面处电场强度达到气体“非自持放电”阈值,从而入射粒子产生的正负离子对 中电子漂移到阳极丝附近发生倍增,由于倍增系数很大,初电离对输出信号影响很小可以忽 略,而主要是阳极丝表面附近倍增电荷贡献。由于距离阳极很近,电子几乎未做怎样的漂移 就被吸收,正离子开始在阳极丝周围富集,形成鞘层,导致表面场强降低到阈值以下,一次 倍增结束,之后正离子鞘向阴极漂移,漂移作用的过程正是电离室中分析过的。并且它的性 质与屏栅电离室相似,可以认为所有正离子都是从阳极丝表面开始漂移的。之后的计算就是 类似的。 至此,将物理机理简要阐述后我们就可以发现它与电离室信号产生的相似处了。 3.3Li 漂移半导体探测器 由于在通常的半导体材料中平均产生一个正负离子对所需的能量约为 3eV,是气体探测 器的 0.1 倍,从而对于同样的能量,半导体探测器可以得到更高的能量分辨。但是实际上半 导体探测器能量分辨受到多方面因素的制约,一方面我们希望半导体能够尽量纯净,这样可 以的到较长的载流子寿命,另外又需要它有很大的电阻率这样可以减少暗电流噪声,实际上 这是矛盾的。在常温下本征硅电阻率大约为105 ? cm ,而本征锗为 50-100 ? cm ,这样的 ? ? 电阻率太小了,热噪声会将有效电流淹没。面对这样的问题,人们是有办法解决的,那就是 采用补偿法,并且利用低温(当然低温不仅能够降低噪声,而且低温对于漂移平衡的 Li 保 持平衡也是有着重要的作用的),这就是 Li 漂移探测器产生的原因。 图 3.3.1 PIN 结构 从图中我们可以看到在 I 区(也就是补偿区)施主浓度和受 主浓度是相同的,这使得它有类似于本征半导体的一些性质。 Ge(Li)探测器补偿后形成的是 P-I-N 结构,由于精确补偿它具有高阻的特征,但是要注 意的是其中的电子-空穴对平均寿命有所降低(相对于本征半导体 1ms 量级)。还有一个注意 点就是 Ge(Li)探测器,I 区施主、受主(束缚的,非电子-空穴对)浓度是相等的,这是不 同于 PN 结探测器的。这带来的最直接的好处就是我们可以直接拿它为固体的电离室来类比, 平板形式时可以认为其中的电场是匀强的。与电离室不同点就是对半导体电子、空穴迁移率 相差只三倍左右,不像气体中电子漂移速度约为正离子的 1000 倍,从而在考虑器输出电流 时,电子-空穴两者必须同时考虑。 如果在常温下工作无论 Si(Li),还是 PN 结型,噪声都是首要面临的问题,最直接的原 因就是两个:①它的平均电离功 W 只有 3eV;②没有内放大机制(雪崩管就是针对这个问题 而出生的)。 光电倍增管,信号输出机制也与电离室相同,无非就是电子在相邻两个打拿极之间漂移, 形成输出电荷,有了其前面的介绍也就不难理解阳极以及相邻几个打拿极输出电压脉冲极性 了。 4. 结语 可以说基于电离效应损失能量,而且是输出电信号的离子探测器,不同点就是能量损失 与对应的正负离子对(或者电子-空穴对)产生数目或者说机制的关系,而剩下的信号输出 过程都是电荷在电极间漂移,对应两极板感生电荷转移,形成输出电流,这个过程总是类似 的。并且对输出电压的讨论都无一例外的需要了解输出电路、负载的电抗特性(或时间常数)。 对于带电粒子的另一种能量损失方式:辐射能损(很高能量是才会显著于电离激发能损), 若要转变为电信号测量,上面讨论的对于电离室的输出信号机制也是有用的。 -----------------------------------------------------------------------------参考资料 1. 粒子探测技术,王晓莲等,中国科学技术大学出版社 2. 电离辐射探测器,安继刚编著,原子能出版社(本文绝大多数内容是参照本书所写)

上一篇:第三章_常用探测器

下一篇:电离辐射环境检测 海宁总体情况良好



粤ICP备10086581号-7|网站地图