气体探测器篇(6)_G-M计数器简介

• 概述

前面一节咱们讨论了有限正比区的光子、正离子以及空间电荷这三种效应，在此区域内的放大系数随电压急剧上升，并失去了与原电离的正比关系。当随着电压增大，M>105时，电子雪崩发展成自激放电，此时增值的离子对总数就与原电离无关了。这段电压区域以发明计数器的盖革(Geiger)和弥勒(Muller)的姓命名，称为盖革-弥勒区。工作在该段电压区的计数器被称为盖革-弥勒计数器，简称G-M计数器。

G-M计数器按充气的性质，可以分为两大类。一类是充纯单原子或双原子分子气体，如惰性气体，称为非自熄计数器，如今已很少使用。另一类是充单原子分子与多原子分子的混合气体或纯多原子分子气体，称为自猝熄计数器。按猝熄气体又可分为有机自猝熄和卤素自猝熄计数器。

 

G-M计数器探测射线具有以下优点：

1. 灵敏度高：无论何种类型的射线，只要在计数器的灵敏区能产生一对离子，便可引起放电而被记录。
2. 脉冲幅度大：输出脉冲幅度可达几伏到几十伏，不必经过放大器就可被直接触发记录。
3. 稳定性高：不受外界磁场干扰，而且对电源的稳定度要求不高。
4. 计数器大小和几何形状根据需求可以随意改动。
5. 使用方便、成本低廉，制作工艺要求和仪器电路均简单，整个测量系统可以做的轻巧灵活，适于携带。

G-M计数器探测射线主要缺点：

1. 不能鉴别粒子的类型和能量。
2. 分辨时间长，约102us，不能快速计数。
3. 正常工作的温度范围较小。
4. 有乱真计数。

 

• 自猝熄机制

在G-M区内，雪崩过程中，受激原子的退激或正负离子的复合都会发射大量的紫外光子，这些光子由雪崩区向四面发射。如果充的气体是纯的单原子或双原子分子气体，它吸收紫外光概率很小，因此很多光子都穿过气体到达阴极表面，并可能打出光电子，

新的光电子漂移到阳极附近就会引起新的雪崩。这样持续发展下去，很快整个灵敏区都会自激放电。

经过上述多次雪崩后，大量电子被很快收集，而正离子却几乎不动的包围着阳极，形成正离子鞘。正离子鞘的形成减弱了内部场强，使得新电子无法再增值，放电便终止了。此后，正离子鞘在电场作用下朝阴极移动。当它离开雪崩区后，被减弱的电场重新恢复了。但是，当漂移的正离子撞击到阴极表面时又可能引起二次电子发射，发射的新电子再次引发自激放电。

因此，如果不设法制止，放电就会永远持续下去。但作为射线探测器而言，每个入射粒子的电离只能产生一次放电，输出一个电脉冲。所以一次放电后就必须设法使放电终止

，这就叫放电的猝熄。

 

猝熄的方法是在单原子分子或者双原子分子气体中加入少量的猝熄气体，使得计数管在放电后自行猝熄。猝熄气体有两类：一类是有机气体，如酒精。这样的G-M计数管称为有机管。另一类是卤素气体，如Br2，Cl2等。这样的G-M计数管称为卤素管。猝熄气体的作用主要体现在：

1. 吸收受激原子退激或者正负离子复合发射的大量紫外光子。
2. 抑制正离子在阴极上的二次电子发射。

 

三，G-M计数管坪曲线

         在强度不变的放射源照射下，测量计数率随工作电压的变化，如下图所示，称为坪曲线。

曲线的特点是：当工作电压超过起始电压V0时，计数率由0迅速增大；工作电压继续升高时，计数率存在一个明显的坪；电压再升高时，计数率又急剧增大。坪曲线是衡量G-M计数管性能的重要标志。其主要参数有：

1. 起始电压V0。当工作电压超过V0时，输出脉冲不再与原电离有关，其幅度足以触发外部的电子学系统。
2. 坪斜。在坪区，计数率仍然随电压升高而缓慢增加，表现为坪有坡度，称为坪斜。坪斜的原因主要是由于猝熄不完全以及负离子的形成导致漂移速度大大减慢而最终在强场区重新释放电子引起的新的放电。
3. 坪长。坪长与猝熄气体有关，大概在几百伏区间。

 

四，G-M计数管死时间、恢复时间和分辨时间

入射粒子进入计数管引起放电后，形成正离子鞘，使阳极周围的电场削弱，终止了放电。这时，若再有粒子进入就不能引起放电，直到正离子鞘移出强场区，场强恢复到足以维持放电的强度为止，这段时间称为死时间tD。

 

经过死时间后，雪崩区的场强逐渐恢复，但是在正离子完全被收集之前是不能达到正常值的。在这期间，粒子进入计数管所产生的脉冲幅度要低于正常幅度，直到正离子全部被收集后才能完全恢复，这段时间称为恢复时间tR。

 

在实际使用过程中更有意义的是计数管的分辨时间t。因为外界电路有一定的触发域Vd，使得脉冲幅度必须超过触发域Vd才能被探测到，显然死时间tD<分辨时间t<恢复时间tR。

 

五，G-M计数管探测效率

1. 计数管对带电粒子的探测效率一般接近100%。
2. γ光子的探测效率以它在计数管壁上至少打出一个次级电子并进入灵敏区的概率来确定。至于在气体中打出光电子的概率，可以忽略不计。

 

六，G-M计数管寿命

         计数管的寿命决定于猝熄气体的损耗。有机管经一次放电后就有部分猝熄气体解离而丧失猝熄能力，放电次数越多，猝熄气体含量越少，使得坪长缩短，坪斜增大，最终完全失去猝熄作用而连续放电。卤素管内的卤素分子解离后可能重新结合，所以卤素管的寿命比有机管长。我们把计数管在失去猝熄作用之前所能计数的次数，定义为寿命。有机管的寿命大概108次量级，卤素管寿命大概109~1010次量级。

 

七，G-M计数管温度效应

计数管必须在一定温度范围内，才能保持正常工作。温度太低时，部分猝熄蒸汽会凝聚，使得猝熄作用减弱。有机气体凝聚问题较严重，卤素气体低温性能较好。