阏电子在阿中心电极漂移过程中不断从电场获得能量,当其能量足够使气体电离时,户生新的 离子对(称为次电离)。次电离电子在向中心阳极漂移过程屮又被加速再使气体电离,产生更 多的离了对,电∫越接近阳极,电离气体的概率越大,于是高∫对不断地增殖,这就是气体放 大,也称为电子雪崩、止比计数管內的气体放大为纯电离’体放大 入射核辐射引起的输出电压脉冲最大幅度为 MIneo 式中:N是初始的离子对数;M为气体放大倍数。负号表小负极性脉冲。对圆柱型结构的 比计数管来说,M值由下式表小 InM= Volz b (2.39 lnb△ v KapIni 式中:Δ为相应电子在相邻两次电离事件之问运动所经过的电位差:a为与气体性质、压 强和电场强度有关的常数;p为管内气体压强;a、b分别为计数管中心阳极和阴极半径;K为 常数,示能产生倍增的最低约化场强p值 正L比计数管常使用在脉冲工作方式,它既可以测量核辐射注量率,乂可以测量人射核辐射 的能量。正比计数箐的主要优点有:1)输出脉冲幅度较大;2)输出信号噪声比大;3)具有很强 甄別能力,可以在强Y木底下测量中了或在强3本底下测量a子 不同的用途要求比计数管具有不同的结构。常用的正比计数管有以下儿种 2.22.1流气式4π正比计数管 这是·种通过匚作气体在计数管中低速流动来保持适工作气体气压的计数管。正比管 的工作气体通常是些多原f分子气体,它们在气体放大过程屮会分解而改变作气体成分 使计数管性能变坏.为了避免这种影响,可以让新的气体连续不断地流过计数管的灵敏体积, 以保持’体成分不变。 流气式止比计数管有两种结构:2π流气式正比计数管和4r流气式正比计数管,即测量中将 待測放射源血接放于计数管内,构成“无窗式”2π计数管或测量立角体可达到4π,可以免除窗吸 收的修正和放射源及其承托物、气体、管壁的散射修正。它们的结构示意图如图24所小 流气式正比计数管主要用于精确的放射性测量。 2.2.2.2低能X射线正比计数管 低能Ⅹ射线正比计数管的结构主要特点是具们低Z材料做成的入射窗,常用的窗材料有 铍箔、有机薄膜和云母片。铍的原了子序数小,对X射线的吸收很少。例如对10keV能量的X 射线质最吸收系数为0.586cm2g,比起A的质量吸收系数小两个数量级 2.2.23三氟化硼(BF3)正比计数管 堎普通的三氟化硼正比计数管结构是一个圆柱形状,中心阳极丝用钨丝做成,通过玻璃或 陶瓷与外壳绝缘,外壳用金属做成,兼作阴极,内充BF3气体作为作气体 三氟化硼正比计数管主要用于探测中子。它所依据的原理是在2.1.3屮讨论过的利用入 射中子与B产生核反应,通过探测反应产物a粒-f和7Li核来间接探测中的:
气体入口 细金属丝绕在圆环上) 进气孔 隔板 放射源 出口 图24流气式止比计数管结构示意图 )流气式4x止比计数管; b)无窗流气式2r正比计数管 经常使用的几种国产BF3正比计数管的性能如表2-1所示。 表21BF:正比计数管性能表 形 总长 耐γ射线照射率 艮敏度 258×10°c/(kgs) 36 4们 >2 <5 热中子说敏度是指在单位中子通量密度照射下,计数管给出的计数率 耐γ射线照射量率是指计数管在此照射量率条作下仍能止常1作 2.2.3GM计数管 2.2.3.1工作原理 GM计数管的结构也是圆柱形的,中心阳极的电位相对于阴极为正电位以保证有气体放 大。人射核辐射在GM计数管灵敏体积内只要产生一对以上的初电离(即N0≥1),则初电离 电子在电场作用下向中心阳极漂移过程中,除了有与正比计数管类似的次电离引起的电子雪 崩(称为污姆逊嚅崩)以外,电子在向阳极漂移过程中还会使许多气体分子或原f激发。处于 激发态的分子或原子退激发射波长在可见光或紫外光区的光子,光子与气体或阴极发生光电 效应产生光电了,这些光电子在电场作用下也向阳极漂移,并至少会再能触发个新的次级雪 崩。由于受激分∫或原f退激可以向各个方向发射光子,因此气体放大不像正比计数管那样 局限在初电离那侧的局郃区域发生,而是在整个GM计数管内发生、(M计数管的气
体放大机制如图25所小,但是,不管初电离发生在管内何处,雪崩放电都会逐渐包围整个阳 阴极 阳极 阴极 图25GM计数管内触发次级电子雪谢过程示意图 极丝、在阳极丝附近的大量电子很快漂移到阳极而留下大量的离子包鬧着附极丝,形成一个 “正离子鞘”。它使GM计数管中心阳极周围的电场强度减弱,以致于抑制电子增殖,最终使 雪崩放电结束,GM计数管输出·个电脉冲:由此可见,G;M计数管内每次放电都以管内产 生大致相同的总电荷数而结束,所以GM计数管输出的脉冲幡度都是相同的。 如果GM计数管内充的是一种单原子分子或双原子分子的气体,那么产生的正离f就是 这种气体的正离子。当正离子漂移到达阴极时,将与阴极上的地子中和会放出能量,使阴极发 射光子,这些光子在阴极上打出光电」子,或者直接把能量交给阴极材料的电子使它逸出阴极表 面成为自由电子。土述两种情况产生的电子在电场作用下,又会引起新的雪崩,形成第二次放 电,从而使G-M管会出现第二个脉冲、如果不采取措 施,上述过程会反复进行。为了使计数管对一个人射粒 洋于漆 阳极管帽 只产生一个输出脉冲,必须抑制正离子在阴极上产生 焊泥 抽气口 的电子,这就是放电的猝灭。常用的猝灭办法是在工作 气体中加入少量的多原子分了气体,如囟素气体和有机 硬料玻璃佯 气体。通常称充有卤素气体作猝灭气体的GM管为卤 铜皮阴极 素管,充有机气体作猝灭气体的为有机管。这种多原子阳极丝 分子气体能强烈地吸收光子,从而抑制连续雪崩。 阴极管帽 外亮 2.2.3.2常用的GM计数管 2.2.3.2.1端窗形(又称钟罩形)G}M计数管 云母窗 这是一种主要用于a、B放射性测量的计数管。由于 a和β射线穿透能力差,必须经特殊的入射窗射入计数管 塑料盖帽 才能被探测到2人射窗一般用很薄的云母片制成,其质 量厚度为3~5mgm2。图26示出了种典型的端窗图26端到形GM计数管原理结构图 形计数管原理结构图,其外壳是玻璃的,里面衬一层锎片
圆筒作阴极,也有自接用铜作外壳,同时兼作阴极的。阳极丝一端固定,另一端不固定,点上 个小玻璃珠,以避免尖端放电 2.2.3.2.2y计数管 计数管是个圆柱状的计数管,如图27所示。中央阳极用钨丝做成,直径为0.07 0.9mm丝的端部外罩们玻璃套管。管的外壳通常是玻璃管,内壁衬有铜皮、不锈钢或其他 金属片作阴极,或直接在玻璃壳内壁喷涂层钨粉、石墨竽导电材料作阴极。 y射线与管壁材料及管内的气体发光电效应、康普顿散射及电子对产生效应而产次 级电∫次级电f在管内引起雪崩式电离增殖,从而被探测。 铅锡焊料 弹贤钩烨泥 阴极导丝 阳极导丝玻璃套管 阳极丝玻璃管钨粉(阴极) 图27Y计数管结构示意图 2.2.3.2.3强流管 用」测量高强度辐射的GM计数管叫做强流管,它是·种卤素管。其外形结构与普通圆 柱形γ数管相似,主要差别在:其阴极较粗,直径约为0.5~1.5mm,阴极直径较小,约为 lcm,因此阴极直径与阳极直径之比较小,在3~30之间。这种结构使计数管内电场分布较均 匀。在足够高的工作电压下,可以在整个管内产生电子雪崩。强流管输出电流在一定范围内 近似与放射性活度的对数成正比,因此根据所产生的平均电离电流可以测定放射性活度 2.2.4气体探测器的工作特性 2.24.1计数曲线与坪特性 探测器以脉冲工作方式工作时,通过电 仪器记录的脉冲计数率随探测器所加电压的 变化曲线称为探测器的坪曲线。图28给出 的是入射的单能粒子的计数曲线示意图:计 数曲线又称为坪曲线,起始电压、坪长、坪斜M 等長征了其坪特性 2.2.4.1.1起始电压V 记录脉冲计数的电了学仪器开始计数时 探测器历加的电压称为起始电压。探测器的 起始电斥较低,探测器性能就较好。 工作电压/V 2.2.4.1.2坪长 坪曲线中计效率随着探测器所加电压的 图28探测器的坪曲线
增加变化不大,出现比较平坦的一段,即所谓坪。坪区电压范围称为坪长,图2-8中V2V1 为坪长。正比计数管利G-M计数管的坪长一般k于300V 2.2.4.1.3坪斜 在坪区,实际上计数率仍随探测器所加电压的增加而有所增加,可用探测器所加电压每增 加100V或」V时计数率增加的白分数来表示坪斜。 各种探测器都有“坪”特性,只是正比计数管和G-M计数管的坪待性对其T作影响更大 些。所以在使用探测器之前,先测出坪曲线,以确定探测器的性能好坏,并确定探测器的工作 电压,以求达到最佳长期稳定地工作。工作电压般选定在坪曲线上斜率最小处,例如坪长的 到之间某个τ作点。 2.2.4.2能量分辨率 核辐射粒子能量的测量是通过测量脉冲幅度谱实现的,閃为探测器工作在脉冲方式时,探 测器输岀脉冲幡度与核辐射的能量成比。徼分脉冲嵎度谐仝能峰位所对应的能量为要测量 的核辐射能量(见2.5.2节)。能量分辨率是能谱测量中的一项重要工作特性。对探测器的本 征能量分辨率,则各种探测器不完全相同。电离室由于离子对数统计涨落造成的能量分辨 率为 比计数管的能量分辨率为 n=2.35/(F+1) (2-41 以上各式中F为法诺因子;为平均电离能;F0为带电粒子能最:f为正比计数管与气体性 质、压力计数管尺、气体放大倍数M有关的个修正因子 2.2,4.3死时间 几乎在所们的探测系统中,都存在一个最小时限,两个事件之间的时间间隔大于此时限 才能被分辨开而记录为两个单独的脉冲,这个最小时限通常称为探测系统的死时间。死时间 叮能由探测器本身的过程所决定(如GM计数管),也可能由电子学线路所决定。由于放射 性衰变的随机性,有些真事件过紧地跟着前…次事件出现,就会丢失某些事件(称为死时间 损失)。遇到高计数率时,死时间损失(即死时间内漏计数)可能会变得相当严重。设n 为真的相互作用率(或称真计数率,即应该有的计数率),n为实际测得的计数率,τ为系 统的死时间,则 (2-42) 为死时间引起的漏计数率(或称计数率损尖)修正的基本公式。漏计数率为n…n=nnr 准确计数测量必须对这些计数率损失进行修正。探测器的死时间可以用双源法测得