气体电离探测器

核辐射穿过气体时，能使气体分子电离或激发。在加有电场的气体空间，电离所产生的电子和正离子将分别移向电场的两极，最后为电极所收集，在电极的外回路中有电流或电脉冲产生。这个现象是气体电离探测器工作的物质基础。气体电离探测器是使用最早(1908，盖革)的核探测器，包括电离室、正比计数管和盖革(G-M)计数管三种。这三种气体电离探测器在结构上是类似的。主要部分都是保持在不同电位（以形成电场）、中间充以气体的两个电极。最常见的为圆筒形(见图1)。

图1 两个电极的气体
电离探测器
1. 粒子径迹 2. 阳极
丝 3. 绝缘体 4. 气
体灵敏体积 5. 阴极
圆筒 6. 直流高压电
源 7. 输出

外加电压
图2 收集电荷数与外加电压
的关系
Ⅰ. 低压区 Ⅱ. 饱和区(电离
室) Ⅲ.正比区 (正比计数
管) Ⅳ. 有限正比区 ⅴ.
盖革区(G-M计数管) Ⅵ.放
电区。上面一条曲线所代表
的射线能量是下面一条的2倍

气体电离探测器工作原理 在电场作用下，电子向中心阳极漂移，正离子向阴极圆筒漂移，最后为电极所收集。收集电荷数（或离子对数目）与外加电压之间的关系曲线见图2。
图2中第Ⅰ区为低压区，亦称复合区。由于极间电场很弱，已经产生的电子和正离子有相当大的部分又复合成中性分子。
当电压超过Vα时，复合损失已可忽略不计，这时原初电离（即入射粒子直接引起的电离）数几乎全部为电极所收集。故在区域Ⅱ内继续增加电压，收集的电荷数不再有明显增加，称为饱和区。电离室就工作在此区域。
当电压超过Vδ时，收集电荷数又开始迅速增加。这主要是场致电离引起的。原初电离产生的电子向中心阳极漂移时，从电场获得足够的动能，使它和气体分子碰撞时，又能产生次级电离，而电离后的次级电子又为电场所加速，继续产生次级电离，形成所谓Townsend型电子雪崩，因而最后收集到的电荷数比原初电离数大了M倍。M为气体放大倍数，可随电压升高而增大。电压一定时，M是定值。只要M不是太大，电极上收集到的电荷数与原初电离数成正比。因此区域Ⅲ称为正比区。正比计数管就工作在此区域。
在正比区，气体放大倍数除场致电离外，还有光致电离，即受激分子在退激过程中产生的光子，可能在圆筒阴极或气体内打出电子。光致电离的几率比较小。
在饱和区和正比区，收集到的电荷数均与电离粒子的能量成正比。但是当电压超过Vc时，这种比例关系就开始不再保持，进入图2中的Ⅳ区，称为有限正比区或过渡区。出现这种情况的原因是空间电荷效应。当电场增大到一定程度，产生的大量正离子，由于漂移速度慢，滞留在气体空间，形成空间电荷，从而限制了次级离子的倍增过程。
当电压增大超出有限正比区，便进入盖革区(G-M计数管的工作区)。这时，电场在中心丝附近急剧增大，只要有一个电子漂移到中心丝附近，就会形成大量离子对。而且随着气体放大倍数的增大，光子或光电子产生几率就大起来。这样，电子雪崩现象就会沿着整个中心阳极丝扩展，以致整个阳极丝附近都产生大量离子对。电子很快为中心丝收集，所以不管原初离子对是多少，最后收集到的电荷数总是一样的。因此G-M计数管不能区分入射粒子的能量和种类。
当电压继续升高到超过Ve时，计数管进入连续放电区。这是使用计数管时必须避免的。
电离室 就是工作在饱和区的气体电离探测器。电离室工作时，基本上不存在离子对的复合，也没有气体放大的作用。它的结构大致有圆柱形和平行板形两种。
电离室收集的电荷数与射线损失的能量成正比，因此可利用电离室来确定粒子的能量。目前，这方面的应用已几乎全部被半导体探测器所代替。但是作为记录大量入射粒子引起总电离效应的电流电离室，仍然有其优越性。电离室可用来测量射线(包括γ线、X线)强度和物质的吸收剂量。此外，袖珍式累积电离室也还可在某些场合使用。图3是两种具有凹井的圆柱形4πγ电离室。4πγ电离室的优点在于它具有长期稳定性，可以允许直接测量封在安瓿瓶中的γ放射性溶液，容许很宽的测量范围，结构简单，操作方便。
如果选择适当厚度的等效材料作为电极，对于任何一种电离辐射，电离室都能可靠地测量吸收剂量、比释动能或照射量。在这种应用中，除某些剂量学概念外，许多其他有关的注意事项与4πγ电离室类似。
盖革(G-M)计数管 通常为圆柱形结构。中心阳极为约φ0.1mm钨丝，圆筒阴极由铜、不锈钢或内壁喷涂SnCl2的薄玻璃制成。计数管内充以100mmHg柱的氩或氖等惰性气体作为电离气体。此外，还要充以少量有机气体（如酒精）或卤素气体（如溴蒸气）作为“猝灭”气体。这是因为在电场作用下，正离子要向阴极漂移。当

图3 4πγ电离室

正离子到达阴极后，可能打出二次电子，触发另一次“电子雪崩”，如此反复进行，每隔一段时间就在计数管内引起一次放电，造成“假计数”。当管内充有少量猝灭气体时，能制止正离子在阴极上打出二次电子。根据所用猝灭气体的不同，G-M计数管通常分为有机管和卤素管。有机管常以乙醇作为猝灭气体，而卤素管常以氯或溴等卤素气体作为猝灭气体。
使用计数管必须正确选择工作电压，而工作电压要根

图4 G-M计数管的坪曲线

据管子的坪曲线来选定。正常的G-M计数管有一段比较平坦的工作区(VA-VB)，称为坪区。在坪区内，外加电压对计数率影响不大，通常将电压每增加100V所发生的计数率增加的百分数称为坪斜。
一般有机管的起始电压在1,000V左右，坪长在200V以上，坪斜<5%/100V；卤素管起始电压在300V左右，坪长在80V以上，坪斜<10%/100V。通常工作电压选在坪区的1/3～1/2之间。
在坪区末端，电压升高时，计数率急剧上升。此时已进入“连续放电区”，计数管极易损坏，使用时必须防止。
G-M计数管对带电粒子的探测效率接近100%。但是α粒子和β粒子穿过管壳时损失很大。为了增大穿透比例，计数管可制成钟罩形，底部有一层很薄的云母窗，使粒子易于透过。
G-M计数管对γ线的探测主要靠射线打在阴极上产生次级电子，再由这些次级电子进入灵敏体积而被记录。探测效率仅1%左右。这是G-M计数管的主要缺点之一。
G-M计数管每记录一个入射粒子，由于“正离子鞘”的影响，靠近中心阳极处电场被暂时削弱。此时，如果马上又射入一个粒子，将不能形成一次“电子雪崩”，收集电荷很少，不能被记录。要等到正离子鞘向阴极漂移一段距离，中心阳极附近电场逐渐恢复后才能重新记录入射粒子。这段时间称“死时间”，也称“分辨时间”。G-M计数管的分辨时间在100～200μs范围。
在测量较强的放射源时，会发生漏计现象，须进行漏计数校正。校正方法如下： 设实测计数率为m，探测器分辨时间为τ，放射源应有计数率为n，则应有的计数率

医学上使用最多的核素是γ发射体及软β发射体。G-M计数管对它们的探测效率都不高，又不能分辨射线能量，故目前已较少应用。
正比计数管 正比计数管通常为圆柱形结构，它一方面已经存在“气体放大”现象，因此输出脉冲幅度较大，另一方面输出脉冲幅度仍保持和初始离子对数目的正比关系。因此，正比计数管不仅可作活度测量，而且可对核射线的能量进行测量，特别是低能γ、X线的能量测定。为了保持脉冲幅度和初始电离量间的正比关系，必须根据入射粒子能量和后面所配放大器的工作情况适当选择工作电压。同时，为了保持气体放大倍数的稳定，对高压电源的稳定度要求较高。
正比计数管充气类型有： Ar、Ne、Kr、Xe、N₂、H₂、He、甲烷及某些混合气体。
正比计数管也有和G-M计数管类似的坪曲线，只是坪区更长，坪斜更小。工作电压也应选在坪区中心附近。
当放大器放大倍数不变时，正比计数管坪区的位置同入射粒子的电离密度有关。例如可使正比计数管工作在某一电压区，在此电压区内，管子只对α粒子显示一坪区，但不能记录β粒子。当工作电压继续升高后，又可到达另一坪区，两种粒子都能计数(见图5)。

电压(V)
图5 正比计数管对α、β源的坪曲线
1. α计数率 2. α坪 3. β计数率 4. β坪

正比计数管在一次计数后间隔1～2μs即能记录下一个入射粒子。正比计数管的分辨时间比G-M计数管短得多，这是它的一个优点。
流气式2π正比计数管中央阳极是一根极细的金属丝，它绕成半圆环固定在金属棒上，外壳即为阴极。使用时将甲烷或氩-甲烷混合气体由贮气钢瓶缓缓通入计数管，压力略高于一个大气压。测量样品可直接放在计数管内。有些管子设有薄窗，材料为铝或镀有金属层的塑料薄膜。这类计数管几何条件为2π，故常称为2π计数管，常用于α放射源的绝对活度测量或软β样品的相对测量。
有些流气式正比计数管是将上述2π计数管组合起来(见图6、7)，测量样品铺在镀金有机薄膜上，插入中间，这样，几何条件为4π，称为流气式4π正比计数管，多用于β源的绝对活度测量。
具有多根阳极丝的正比计数器称多丝正比计数室，在医学上可用作显象装置的探测器(参见“多丝正比探测器”条)。

图6 流气式2π正比
计数管
1. 阳极 2. 阴极

图7 流气式4π正比计
数管
1,2. 阳极 3. 树脂膜
4. 绝缘体 5. 进气口
6. 出气口，外壳为阴极