气体探测器及其应用：G-M计数器

气体探测器是三类（另外两类是闪烁探测器和半导体探测器）主要辐射探测器中的一类。气体探测器利用辐射对气体的电离作用实现对辐射的探测。

1.气体探测器的原理

气体探测器的探测介质是气体，辐射与气体作用，损失的能量使气体电离，电离产生的离子对数与气体类别、辐射类型和能量相关。在气体中产生一个离子对（电子与正离子，负离子与正离子）所需要的辐射能量称为比电离能。气体种类不同，其值不同，表A-1是部分气体的比电离能值。对一种气体，其大体为25～35eV。

电离产生的离子对，在电场作用下形成电离电流。测量电离电流实现对辐射的探测。

电离是一种统计过程，具有随机性，因此总的电离总是存在统计涨落，它直接影响气体探测器的能量分辨能力。电离产生的电子和正离子，除热运动外存在沿外加电场的定向漂移，存在由电子和离子密度不均匀引起的空间扩散运动，此外，还可发生电子与离子的复合。离子漂移速度正比于电场强度，反比于气体压强。电子漂移速度与电场强度和气体压强不成准确关系，但对气体成分敏感，比离子漂移速度约大1000倍。电子和离子的扩散，影响位置探测器的空间分辨能力。电子与离子的复合，将导致探测器输出信号幅度降低，增加脉冲上升时间。

表A-1 部分气体的比电离能

2.气体探测器的基本结构

气体探测器的基本结构如图A-9所示。两个同轴电极由绝缘体分开，密封在一定气压的容器中。一个为高压电极，一个为收集电极，它们之间加上一定的高压。入射到探测器内气体的辐射使气体电离，产生电子和离子对，在电场作用下，电子和离子分别向两电极漂移，在输出回路形成电流信号。

3.气体探测器的电压-电流曲线

电离过程产生的电子，如果其能量大于电离能，在向阳极运动过程中，可以继续产生电离作用，形成二次电子。一个入射粒子的电离作用与其本身的能量相关，也与阳极和阴极间的电压相关。即气体具有放大作用。如果入射粒子数为n，电离最后得到的电子数为N，则气体的放大倍数为(www.xing528.com)

图A-10 气体探测器放大倍数与电压的关系

在辐射强度恒定的情况下，气体探测器的放大倍数随电压变化的关系如图A-10所示。曲线表示的关系可以分为五个区，即未饱和区、电离室区、正比（计数管）区、盖格（计数管）区等。

在未饱和区，由于电极间电压较低，电子与离子漂移速度小，容易发生复合。随电极间电压增加，漂移速度增大，复合减少，输出电流随电压升高迅速增大。这时，气体无放大作用。在电离室区，由于电极间电压较高，电场足够强，可全部收集产生的电子和离子，电子与离子的复合可忽略。电流稳定，气体的放大倍数为1。在正比（计数管）区，电极间电压继续升高，这时，电场强度足以使二次电子引起新的电离，这使电子离子对数可增加到原电离的10⁴倍或更大。输出的脉冲数正比于入射粒子强度。在盖格（计数管）区（或称为G-M区），电极间电场非常强，这时，探测器内只要有电离产生，就可引起自激放电。输出脉冲高度很大，与入射粒子种类和能量不相关。但输出脉冲数目与入射粒子数目成正比。

在各区之间都存在过渡区，过渡区不适宜作为探测计数。

4.气体探测器的类型

气体探测器的主要类型是电离室、正比计数器和G-M计数器等。

电离室可分为脉冲电离室和直流电离室两类。脉冲电离室只用于测量α射线等比电离能较大的带电粒子。直流电离室广泛用于测量剂量与放射性强度，特别是X和γ射线的吸收剂量与照射量。

正比计数器输出脉冲大小与最初产生的离子对数成正比。利用这一性质既可区分带电粒子的种类，又可测量其能量。其输出信号一般不超过100mV。

G-M计数器是一种两个电极的气体放电管，其输出脉冲可高至几伏特，对β射线具有很高的探测灵敏度。