气体探测器篇(5)_正比计数器简介

一，概述

气体探测器工作在正比区域时，原电离产生的电子在电离碰撞中逐次倍增而形成电子的雪崩，导致在收集电极上产生的感应脉冲幅度Vmax是原电离脉冲幅度的M倍，即：

 

                                                                 

常数M称为气体放大倍数，N为原电离离子对数，C0为电离室极间电容，e为单位电荷。

 

正比计数器大多由同轴圆柱形电极构成，因为在一般千伏电压下，圆柱形电极比平板型电极更容易获得强电场区，灵敏体积大，并且脉冲幅度与电离产生地点无关。如下图所示为圆柱形正比计数器的示意图：

 

二，气体放大机制

假设圆柱形计数管的阳极半径为a，阴极半径为b，外加工作电压为V0，则沿着径向位置为r的电场强度E(r)为：

                                                                     

式中r为该点与轴心的距离。可见，随着r的减小，电场强度逐步增大，当r接近于阳极半径时，电场强度急剧增大。

 

当射线通过电极间的气体时，电离产生的电子和正离子在电场作用下，分别向阳极和阴极漂移。正离子质量大，且沿漂移方向的场强又是由强减弱，所以电场的加速不足以使正离子发生碰撞。

 

但电子漂移越接近阳极，电场强度越强。达到某一距离后，电子在平均自由程上获得的能量足以使得其再次发生电离碰撞而产生新的离子对。新的电子又被加速再次发生碰撞产生新的电子。漂移电子越接近阳极，电离碰撞概率越大，最终形成电子雪崩。

 

除了电离之外，在雪崩过程中还可能由以下原因产生电子：

1，  光电效应：受激原子退激时发射光子或者复合时发射光子，只要能量足够，都有可能在气体分子或者阴极表面打出光电子。

2，  阴极表面的二次电子发射：正离子或者受激原子碰撞阴极表面时可能发射二次电子。

但是，在正比区域，以上两种过程产生的电子比电离碰撞产生的电子要少得多，对雪崩的贡献可以忽略，只有进入有限正比区才重要。

 

三，有限正比区的气体放大

当气体放大进入有限正比区域后，光电效应和阴极表面的二次电子发射开始起作用了。此外由于正离子的漂移速度很慢，在雪崩过程中，大量的正离子几乎不动的聚集在阳极附近，形成正离子云，使得阳极附近电场减弱，造成空间电荷效应。随着电压增大，以上三种效应愈加显著，造成气体放大倍数M相对减小，不再为常数，而是与原电离有关。

 

当工作气体为单原子或者双原子工作气体时，光电效应和二次电子发射显著，但是当气体为多原子气体时，则对光子和阴极二次电子发射有抑制作用。因此，要是在单原子分子气体中加入少量的多原子分子气体，则可以抑制光电效应和二次电子发射，这种作用称为猝熄。

四，正比计数器的脉冲波形

在脉冲电离室中，脉冲由原电离运动的感生电荷形成。而正比计数器不同，只要气体放大倍数M足够，原电离的贡献微不足道。因为雪崩后增值了大量的电子和正离子，他们的运动产生更大的脉冲。

 

                               

图中蓝线表示电路时间常数RC为无穷大，紫线表示某一固定时间常数。从电离发生到雪崩开始(0~t1)的时间内，脉冲只有微弱的增长，这就是原电离电子运动产生感生的。随后，从雪崩开始到电子被阳极收集到的t1到t2时间内，由于增值电子的运动，脉冲急剧增大，从t2~t3时间内，由于正离子的运动，脉冲先增长的较快，然后逐渐的缓慢下来，直到脉冲达到最大值。我们把t1称为时滞，它的大小决定于电离产生的地点和电子漂移速度。

 

五，总结

与电离室相比，其优点如下：

1，  脉冲幅度较大

2，  灵敏度较高

3，  脉冲幅度几乎与原电离地点无关

其缺点也很明显，脉冲幅度随工作电压变化较大，容易受到外来电磁干扰，因此对电源稳定度要求很高。

 

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