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1、,20,负载电阻(RL)：电流流过时形成电压信号。,8.2 电离室1、电离室的基本结构不同类型的电离室在结构上基本相同.典型结构有平板型和圆柱型。均包括：高压极(K)：正高压或负高压；收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地接近的电位；保护极(G)：又称保护环，处于与收集极相同的电位；,21,以平板型电离室为例：,高压极,收集极保护极,K,CRL,高压 V0,G负载电阻,外壳,灵敏体积,绝缘子,22,灵敏体积：,由通过收集级边缘的电力线所包围的两电极间的区域。,保护环G的作用：,1) 使灵敏体积边缘处的电场保持均匀；,2) 若无G，当高压很大时，会有电流通过绝缘子从负载电阻RL,上通过，从
2、而产生噪声，即绝缘子的漏电流。,1、电离室的基本结构,8.2.1 电离室,23,C,V0,RL,K,G,圆柱型电离室,I :,复合区,II : 饱和区III :正比区,N = N0MIV:有限正比区N N0,V: G-M工作区VI:连续放电区24离子收集的电压电流曲线,E 1,E2,E3,Vt,Vd,25,2、工作气体,气体压力：从10-110大气压。,充满电离室内部空间，是电离室的工作介质；,如Ar加少量多原子分子气体CH4。,需要保证气体的成分和压力，所以一般电离室均需要一个密封外壳将电极系统包起来。,8.2.1 电离室,26,+V0,ab,+Q0Q0,8.2.1 电离室3、输出信号产生的
3、物理过程电离室的工作机制第一步：假设回路中没有负载电阻 RL = 0极板a上加高压V0，极板a b 间电容量为C1，则两极板的电荷量:+Q0 = Q0 = C1V0,a,+ e +V0,q1,q2b根据高斯定律，可以得到：q = (+Q0)+(Q0)+e+(q1)+(q2) = 0 e = q1 +q2正电荷靠哪个极板近，那个极板上产生的感应电荷多。 27,8.2.1 电离室3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制第二步：在电离室内某一点引入一单位正电荷e+它将在两极板上分别感应出一定的负电荷，设分别为-q1、-q2,28,这就相当于感应电荷从外回路流过，即在外回路流过电流i+(t),第三步
4、：当,感应电荷q1减少，下极板b上感应电荷q2增加。,且,e+电荷沿电场向收集极运动，则上极板a上,正离子漂移所引起的负感应电荷在回路中流过的电荷量为:-q1,q1 = q2,+V0,a,b,i+(t),+ e,q2,q1,8.2.1 电离室3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制,29,程。产生的结果是否与正电荷有共同之处？,8.2.1 电离室3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制第四步：当正电荷快到达极板的前一瞬间，-q1全部由a极板经外回路流到b极板，b极板上的感应电荷：(q1)+(q2) = e当e+到达b极板，e+与b极板上的感应电荷中和。外回路电流结束，流过外回路的总电荷量为
5、：q+ = q1考虑：如果在电极之间引入的是负电荷，解释一下整个物理过,2 q q = ,30,如果在电场中同一点引入一负电荷e-，它将在a b两极板上分,别感应一定的正电荷，分别为q1和q2。当负电荷沿电场反方向运动时，则a极板上感应电荷q1增加，而b极板上感应电荷q2减少。整个过程中，流过外回路的总电荷量为：,相应在外回路流过电流为 i(t)，电流方向与i+(t)相同。,8.2.1 电离室,q1,31,同一点引入正负电荷：,当同时在同一位置引入一离子对，则在外回路流经的电流：i(t)= i+(t)+ i(t),流过外回路的总电荷量： + +q q- = e,+V0,b,i(t),a+ e,
6、e,q2q2,q1,32,为e；该电荷量与这一对电荷的产生位置无关。,8.2.1 电离室3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制结论：(1)只有当空间电荷在极板间移动时，在外回路才有电流流过，此时i(t)=i+(t)+i-(t)，正、负电荷的感应电流方向相同，在探测器内部从阳极流向阴极。电荷漂移过程结束，外回路感应电流消失。当负电荷被收集后，外回路中就只有正电荷的感应电流。(2) 当+e、e电荷在同一位置产生时，它们在极板上的感应电荷量分别相同；+e、e电荷漂移结束，流过外回路的总电荷量,33,Q = N e,8.2.1 电离室3、输出信号产生的物理过程电离室的工作机制引伸结论：(1) 当入
7、射粒子在探测器灵敏体积内产生N个离子对，它们均在外加电场作用下漂移，这时，产生的总电流信号是：N Nj=1 j=1(2) 当N个离子对全部被收集时，流过外电路的总电荷量为：,34,8.2.2 脉冲电离室,电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反映单个,入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间等。,以下讨论假设入射离子在灵敏体积中产生N 个离子对，并忽略扩散和复合的影响，而且在信号结束前，探测器灵敏体积内不再有其它入射粒子产生电离。,脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电压信号,35,T+ 为正离子全部到达b极板的时间。,8.2.2 脉冲电离室以平板电离室为例：设离子和电子
8、的漂移速度是常数，并且电子的漂移速度是离子漂移速度的1000倍，离子和电子的初始数目为：N +(0) = N (0) = N几个重要时刻：t1 为开始有电子到达a极板的时间；t2 为开始有正离子到达b极板的时间；T 为电子全部到达a极板的时间；,36,t,I,),I =,dNeu+d,Ne(u+ + uI =,t1 T s,t2 T + ms,几个重要时刻：,37,气体电离室,前置放大器,放大器,单道或多道脉冲分析器,8.2.2 脉冲电离室2、脉冲电离室的电子学框图脉冲电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。高压,38,dn,dE,E,h,dn,dh,h,半宽度FWHM,8.2.2 脉冲电离室3
9、、脉冲电离室的性能1) 脉冲幅度谱与能量分辨率脉冲电离室常用来测量带电粒子的能量。对单能带电粒子，若其全部能量都损耗在灵敏体积内，则脉冲电离室输出电压脉冲的幅度反映了单个入射带电粒子能量的大小。多道测量的脉冲幅度谱：,39,FWHMhh,FWHMEE, 或 =,dndE,能量分辨率： =E,E E,E E,E =E,能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。,8.2.2 脉冲电离室3、脉冲电离室的性能1) 脉冲幅度谱与能量分辨率,40,量的关系为,E0,1,8.2.2 脉冲电离室3、脉冲电离室的性能1) 脉冲幅度谱与能量分辨率关于能量分辨率的小结：(1)能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒
10、子能量的分辨能力。能量分辨率越小，则可区分更小的能量差别。这是谱仪的最主要的指标。(2)能量分辨率的公式是谱仪所达到的分辨率的极限和理论值。并可检验谱仪的性能。(3)能量分辨率的数值是对某一能量而言的，它与入射粒子能,定义：,原因：A 带电粒子可能只在灵敏体积内损失一部分能量；B 电离过程是涨落的。这样必将有一部分幅度低于甄别阈的信号脉冲未被记录下来。41作用截面，以及次级带电粒子能否进入灵敏体积。,对带电粒子, =,记录下来的脉冲数射入电离室灵敏体积的粒子数, 100%,8.2.2 脉冲电离室3、脉冲电离室的性能2) 探测效率,42,入射时刻的精度。,8.2.2 脉冲电离室3、脉冲电离室的性
11、能3) 时间特性A：分辨时间 能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔。主要取决于输出回路参数的选择和放大器的时间常数的大小B：时滞d 入射粒子的入射时刻与输出脉冲产生的时间差。C：时间分辨本领即由探测器输出脉冲来确定入射粒子,43,饱和特性曲线形成的物理过程：,饱和区斜率的原因：随工作电压的升高而使灵敏体积增加及,负离子的释放。,V0,h,V1,饱和电压,8.2.2 脉冲电离室3、脉冲电离室的性能4)电离室的饱和特性曲线-脉冲幅度h与电离室工作电压V0的关系,44,当输出脉冲幅度饱和后，计数率不再随工作电压而变化，称,坪特性曲线。,在入射粒子束流不变的情况下：入射粒子是单能的,n,甄别阈h1h2h3V0,h2h1,h3,V1,8.2.2 脉冲电离室3、脉冲电离室的性能5) 电离室的坪特性曲线-电离室的计数率与工作电压的关系,
