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X射线光谱仪器检测器(正比计数器)及工作原理

2017-08-28 10:59:16 optima 99

充气正比计数器

充气正比计数器可分为流气和封闭二种。

1.流气正比计数器 流气正比计数器在工作时有一定量气体流过,气体流量和压力是受控保持衡定的。它的入射窗口是一层 很薄的涂有铝的聚丙烯膜,厚度在1 微米左右。流气正比计数器多数用在测角仪上,但也有小型的流气 正比计数器用在固定道上作轻元素测定用。

 ARL8400/8600 9400 系列中使用的标准窗膜是PEA9 ,它的厚度为0.9µ。现在9400XP 9400XP+ 9800 中使用的窗膜是薄型PEA6,它的厚度为0.6µ。而ARL 还有一种更优秀的窗膜PEA3,其厚度仅0.3µ,因 此可以说是一种超薄型的窗膜。和PEA9 窗膜相比,PEA6 PEA3 对超轻元素幅射的透过率有明显改善。 PEA6 后,氮的幅射透过率提高了1 倍,硼氧氟等元素提高了40% 而钠和氯提高了近15% ,而其它极 大部分元素的透过率基本不变或略有提高。而如用了PEA3 后,则氮的幅射透过率提高了2 倍,硼提高 1 倍,而氧氟提高了近50% 70%。但是,使用PEA3 后,重元素的透过率略有下降(约下降10--20% )。 这是为了加强膜的强度,在其中增加了护格(grate )所致。因此,PEA3 不推荐在测角仪上用,而仅 在超轻元素的固定道上使用。

 2.封闭式充气正比计数器

封闭式充气正比计数器又有二种,分别叫做 Exatron Multitron。二者都是 圆柱形,但体积不一样,可充不同量的气体。其入 射窗口的材料大都用铍(也有用铝的),而且厚度 较厚,约25-250 微米,以保证充气的稳定。因为 它都用于重元素,所以透过铍窗时的损失不会很 大。

       充气正比计数器的工作原理

不论是封闭式还是流气式,二者的内部结构和工作 2.12 原理基本相同。都是在一个金属圆柱形腔体内沿其中心轴挂有一根金属丝,其直径约为25-75 微米,接 高压起阳极作用,金属筒外壳接地作阴极筒体内充的是惰性气体,如,HeNeArKrXe,并混有淬 灭气体(如甲烷,二氧化碳)。在测角仪中流气正比计数器经常使用的一种气体叫P10 气,它的组成是 90%Ar + 10%CH4 也有使用P20 气的(80%Ar + 20%CO2)。

1.    初级电离

 X 射线光子通过窗膜射入计数器内作用于惰性气体,就使这些气体原子接受能量后发生电离,产生电 子离子对 Ar Ar+ + e- 。电子离子对的数量取决于不同的气体和光子的能量。例如:Ar 气产生一 个电子离子对所需的有效激发电位约为26.4 电子伏特(ev),如果射入的X 射线是CuKα线,其波长 λ = 1.542 埃,能量E = hν= hc /λ= 12.4/1.542 = 8040eV ,则每个光子可产生304 个电子离子 对。如果入射光子有2 倍于这个能量,则在理论上将产生2 倍于上述的电子离子对。

 所以,对某一种确定的气体而言,如果所有入射的光子都产生电子离子对,则电子离子对的数目与光 子的能量成正比,这就是为什么叫正比计数器的原因。

 如果将产生的电子电荷计数,我们就测得了入射光子的数目(强度)。但是,在初级电离过程中产生 的电子离子对的数目还达不到能被有效检测的程度,人们需要将这些信号放大并具有良好的信噪比。 因而就伴随着产生了另一个过程,它被叫做气体放大或雪崩(Avalanche )。

2.    雪崩效应(气体放大)

 设想有一个光子射入探测器内,它沿着前进的路线 与惰性气体碰撞产生电子离子对,直至它的能量耗 尽。当探测器加以高压,在电场作用下,电子走向 阳极丝而离子走向筒体负极。

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上图 显示了阳极电压和离子对的关系。A 区为 初级电离区,在这里发生初级电离,产生一定数量 的电子离子对。当所加阳极电压较低时(B 区), 产生的部分电子会在到达阳极前与正离子复合使 离子对不再增加,这个区域称为不饱和区。随着所 加电压增大(C 区),重新复合的现象被完全克服, 初级电子完全走向阳级,离阳极越近,电场越强, 电子速度越快。但是在这个区域内完全是一次电离 (完全由光子产生),没有进一步的二次电离产生, 气体增益为1 即电离正比区。如果电压继续增高, 电子速度加快,当加速到电子与其它气体原子碰撞 2.13 产生二次电离,使带电粒子数有了相当大的增加。当电子到达离阳极丝只有几个阳极丝直径的距离时(约 100-200 微米),倍增级数加大(即使Ar 原子进一步离子化)。在正比计数区,每个初级电子只产生 一次雪崩效应,所产生的粒子不再发生什么相互作用。所以,这个经放大后的电荷数仍正比于初级电子 数,也即正比于入射光子数。XRF 分析中,探测器的工作电压都使用这个区域的电压。

如果继续增高电压,由于一个电子可能产生多个雪崩效应(即一次雪崩产生的电子离子再产生雪崩), 正比性破坏。当电压增高到使离子和原子激发,阴极逐出电子,阳极被撞出次级电子等等,总之使整个 探测器中产生了放电,这时入射光子与探测器输出脉冲不再有任何比例关系。这个区域是Geiger-Muller 计数器的工作区域。进一步增加电压将产生连续而又持续的放电,探测器开始发光,阴阳极之间形成电 弧,探测器损坏。在正比计数区内,气体增益可达105 -106 数量级,这足以有好的信噪比输出。 在惰性气体中加入淬灭气体的目的是确保只发生一次雪崩,在工作时甲烷分子和惰性气体一起电离,然 后分布在整个探测器空间,当雪崩无法控制时,它起到复合的作用,影响电子和离子的重新结合,抑制 雪崩的发展。

3.    电脉冲的形成

 探测器被接在一个有电阻电容组成的电脉冲发生电路上,每一个进入探测器的光子都能对应产生一个 电压脉冲。在初级电离气体放大二节中已经说明了一个光子能产生许多电子离子对,其中 电子向阳极运动,离子向阴极运动,形成电流,最终在电脉冲发生电路上形成电脉冲。电流越大,脉 冲幅值越大。这个电流的大小取决于带电粒子的数量,而一个光子产生总带电粒子的数量是由该光子 所具有的能量所决定。因此,探测器输出电脉冲的幅值与入射光子能量成正比,而电脉冲的强度与入 射光子的数目成正比。


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