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气体探测器与中子探测

1.1气体探测器概述

气体探测器是人类历史上应用最悠久的核辐射探测器,在早期核物理发展中

起了很大作用,例如宇宙线和中子是在电离室中发现的,迄今已有一百多年的历

史。气体探测器是以气体作为探测介质,利用电极收集入射粒子在气体中产生的

电荷来探测粒子,获取入射粒子的能量、时间及位置等相关信息。

1.2气体探测器测量原理

气体探测器是以工作气体(既可以是混合气体,也可以是单一气体)作为探测

物质,利用电极收集入射粒子在气体中产生的电离电荷来探测粒子,获取入射粒

子的能量、时间及位置等相关信息。尽管气体探测器的形式和结构各种各样,但

几乎都是利用电极来收集电离电荷的,它们通常都是由高压电极和收集电极组

成。入射粒子进入灵敏区后，通过使电极间气体电离,生成的电子和正离子在电

场的作用下分别向相反方向漂移,最后被电极收集。在漂移过程中,由于静电感应,

电极上将感生电荷,并且随他们的漂移而变化,于是在输出回路中形成感应电流,

收集的电子-离子对数目决定了输出电流的大小。气体探测器正是利用此特性实

现了探测粒子的功能。

1.2.1带电粒子在工作气体中的能量损失与统计规律

入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最

后被阻止下来。碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上生成

大量的离子对(电子和正离子)。上述电离过程包括入射粒子直接与气体分子碰撞

引起的电离，以及由碰撞打出的高速电子(δ电子)所引起的电离。前一过程产

生的离子对数称为初电离，后一过程产生的离子对数称为次电离，初电离和次电

离的总和称为总电离。此外，粒子在单位路程上产生的离子对数称为比电离。带

电粒子在气体中产生一对电子-离子所需的平均能量w称为平均电离能，公式2.1

所示。

(2.1)

式（2.1）中E为带电粒子在探测器中的能量损失，N为电离过程产生的平

均电子-离子对数目。

在气体中产生一个电子一离子对所需能量(平均电离能)约为30eV,若一个

能量为3keV的带电粒子与气体相互作用,则能产生3000/30=100电子一离子对。

作为测量能量用的探测器，它的输出脉冲幅度一般与探测器对入射粒子所吸

收的能量成正比。但是，即使探测器对粒子所吸收的能量完全相同，所对应的输

出脉冲幅度也不完全一样，即有大小不同的涨落，在能谱上形成一个具有一定宽

度的峰。造成这种涨落的原因很多．其中一个重要的因素是由电离的统计涨落引

起的。

[1]

1.2.2电子与离子在气体中的运动

电子和离子在气体中可能发生以下几种物理过程:漂移、扩散、电子吸附和

复合。

漂移：

微观尺寸上,气体中的电子和离子的漂移是电子和离子与气体分子或原子碰

撞后散射,因而它们的运动方向是随机的,即瞬时速度v方向是不一定的。离子或

电子在外电场中被加速,但是它又和气体分子随机碰撞沿着电场方向缓慢运动,

损失能量而减速。不断加速和减速的结果,宏观上就表现为它们具有一定的平均

速度,称为漂移速度v，公式为式（2.2）。假设每次碰撞后电离粒子的动量全部

损失,就可以导出下述公式:

(2.2)

式中为电场强度,是气体压力,是电离粒子的质

量,是它在latm下的平均自由路程,是它在电场下混乱运动的平均

速度,也称激活速度。是在两次碰撞之间()电离粒子的加速度,

()为走过()路程所需时间。激活速度可以用平均激活能

表示,是电离粒子混乱运动的能量在有电场时比无电场时所增加的倍

数,即有关系式: