气体探测器电流-电压曲线-探测原理揭秘

图7-1　气体探测器

如图7-1所示，在中央阳极和外壳阴极加上正电压。沿入射粒子径迹产生的电子－离子对在外电场的作用下产生定向漂移，引起电极上发生感应电荷的变化；与此同时，在外回路上流过电流信号，或流过负载电阻产生输出电压信号。当在两电极上所加电压不同时，就造成气体探测器的不同工作状态。当外加工作电压过低时，电子－离子对由于互相碰撞而发生复合，称为复合区，复合的程度与外加电压和离子对数的密度有关，一般不作为气体探测器的工作区域。

当外加工作电压较高时，电子与正离子的复合可以忽略而进入饱和区，这时，产生的离子对数正比于入射粒子在灵敏体积损失的能量，工作于这种工作状态的探测器就是电离室。随着工作电压的升高，在中央阳极附近很小的区域内，电场强度足够强，发生气体放大或雪崩过程。在一定的工作电压下，气体放大倍数是一定的。此时，形成的总离子对数仍正比于入射粒子能量，相应的工作区域成为正比区。正比计数器就工作于这一区域。

图7-2　电离电流-电压曲线图

1.线性区

两极间电压较低，真离子和电子漂移速度较慢，在到达电极之前有可能复合。随着电压升高，复合的概率越小，因此电离电流I随电压V几乎直线上升。

2.电离室区

两极间电压继续升高，正离子和电子的漂移速度加快，电子和正离子在到达电极之前的复合概率可忽略不计，辐射在工作气体中产生的电离电荷全部被收集。在上图的C点之前，电压升高不能产生更多的离子对，此时电力离电流已达到饱和值。因此曲线段BC基本上为水平直线。本区被称为饱和区或电离室，各种电离室工作于此区间。电离室可用射线计数和能量测量以及辐射剂量的测量。(www.xing528.com)

3.正比区

电压升高到C点以后及D点以前，电子在阴极附近的强电场的加速下获得的动能足以引起介质分子的电离（次级电离），产生的次级电子被电场加速，又可产生新的电离。因此原来的一个电子可以繁殖出许多电子，此过程称为电子雪崩。这一现象称为气体放大。放大倍数A只与电压有关，与初级电离产生的离子对数无关。A一般在102～104数量级。从负载电阻R上输出的电压信号正比于初级电离产生的离子对数，因此可用于射线能量的测量。CD区段称为正比区，正比计数器即工作于这一区段。

4.转变区（有限正比区）

电压继续升高除发生电子雪崩外，高速运动的电子与气体分子碰撞，可使气体分子因激发而发射光子。光子打在作为阴极的容器壁上产生光子，后者又参与电子雪崩过程。因此这一区间的放大倍数A高达105～107，但在给定电压下不是常数，而与初级电离数n有关。n越大，A越小。显然，这一区域不适于用来设计探测器。

5.GeigerMuller区（G-M区）

外加电压越过转变区后，电子雪崩更加猛烈，并且迅速扩展至整个容器空间。电子很快被阳极收集，在阳极附近留下漂移速度慢的正离子，围绕阳极形成一个正离子鞘。这些空间电荷产生的电场方向与原先的电场方向相反，于是在阳极和正离子鞘之间形成一个低电位区。电子雪崩积累的空间电荷最终使得电子在此低电位区不能产生次级电离，电子雪崩因此被终止。正离子漂移到阴极需要约10-7s的时间，被阴极所收集。在此区域气体放大系数高达108，在负载电阻R上输出的电压脉冲幅度为几百毫伏至几伏，与初级电离产生的离子对数目无关。由此可见，工作于此区间的G-M计数器具有很高的灵敏度，但只适合于射线的计数，对于射线的能量无分辨本领。

6.连续放电区

电压继续增加，放电过程将连续进行，这将导致气体探测器在短时间内损坏，故应避免。