气体探测器篇(1)_气体中电子和离子的运动规律

气体探测器是以气体为电离介质，通过收集粒子在穿过气体时产生的电子和离子，从而对粒子“灵敏”的一种测量装置。

由于气体介质本身的物理特点，使得气体探测器具有制备简单、性能可靠、成本低廉、时间响应快、空间分辨率高等许多优点，特别是在现代的核物理实验中，气体探测器成为不可缺少的测量装置。

早期的气体探测器有G-M计数器、电离室、正比计数管、云室、气泡室、火花室等，它们是物理实验中最早使用的探测器，对核物理的发展起到了巨大的作用。

1，气体的电离

入射带电粒子通过气体时，与气体分子电离碰撞而逐步损失能量，最后被阻止下来。碰撞的结果就是气体分子被电离或激发，并在带电粒子通过的径迹上生成大量的离子对。咱们把入射带电粒子在单位路程上产生离子对的数量称为比电离。

带电粒子在气体中产生一对离子所需的平均能量w称为电离能。对于不同能量的同种粒子或者不同种粒子在同一种气体中的电离，其电离能都很接近，大约30eV。电离能的上述特点决定了总电离数N与入射粒子能量E0成正比关系：

                                                                                     N= E0/w

由于电离碰撞是随机过程，因此即使粒子损失相同的能量，其总电离数仍然具有统计涨落，因此N只是统计平均值。涨落大小由方差σ2表示，：

                                                                                  σ2=F*N=F* E0/w

式中的常数F称为法诺因子，实验上给出了各种气体的法诺因子精确测量值，电离的统计涨落决定了气体探测器的能量分辨率下限。

 

2，电子和离子的漂移与扩散

在气体中电离后生成的电子和离子，除了与作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动外，还有两种定向运动。一种是由于外加电场的加速作用沿电场方向漂移，另一种是电子和离子因空间分布不均匀而由密度大的向密度小的空间扩散。

 1） 离子的漂移

  实验表明，在一定范围内，稳定状态下的离子漂移速度与电场强度E成正比，与气体压力P成反比。离子的漂移速度一般在103cm/s的量级。

2）电子的漂移

 电子的漂移速度不与E和P成正比，和离子的漂移相比，有两点重要的差别：

（1）电子的漂移速度一般比离子大103倍，这是由于电子的平均自由程比离子大数倍，而质量又比离子小约103倍。

（2）电子的漂移速度对组成气体的成分非常灵敏。在单原子气体分子中（如Ar，Xe，Kr等），加入少量多原子分子气体（CO2，CH4，N2等）时，电子的漂移速度甚至可以增大一个量级。

 3）电子和离子的扩散

电子和离子因空间密度不均匀而由密度大的空间向密度小的空间扩散。空间扩散常数D与粒子的杂乱运动速度u以及平均自由程λ成正比。扩散常数越小，气体探测器的空间分辨率越好。

3，负离子的形成与离子的复合

 1）负离子的形成

电子与气体分子碰撞时，可能被捕获而形成负离子。有些气体捕获电子的概率特别大，如O2、水蒸气和卤素气体，称为负电性气体；而惰性气体和N2、CH4、H2等捕获电子的概率却很小。

在气体探测器中，电子被收集前要与气体分子发生大量的碰撞。因此，在有负电性气体杂质时，电子被捕获形成负离子的机会将大大增加。形成负离子的结果使漂移速度大大的减慢，从而增加了复合损失，这会对气体探测器的性能产生不利影响，因而有严格要求时需要特别纯化气体。

减少负电性杂志影响的另一种方法是在单原子分子气体中添加少量的双原子或多原子分子气体，（如Ar气中加入少量CO2，CH4，N2等）其结果既能使电子的漂移速度增加，又能减小电子被捕获概率。

 2）离子的复合

电子与正离子、负离子与正离子碰撞可发生与电离相反的过程，即复合成中性粒子。前者称为电子复合，后者称为离子复合。由于正-负离子碰撞时的相对速度和电子-正离子碰撞的相对速度相比要小的多，所以正-负离子复合概率要比电子-正离子复合概率也要大很多，大约几个数量级。由此可见，负离子的形成会增大复合损失。

                  

参考文献：

[1]原子核物理实验方法

[2]粒子探测技术及数据获取