充氣正比計(jì)數(shù)器

充氣正比計(jì)數(shù)器可分為流氣和封閉二種。

1.流氣正比計(jì)數(shù)器 流氣正比計(jì)數(shù)器在工作時(shí)有一定量氣體流過(guò)，氣體流量和壓力是受控保持衡定的。它的入射窗口是一層 很薄的涂有鋁的聚丙烯膜，厚度在1 微米左右。流氣正比計(jì)數(shù)器多數(shù)用在測(cè)角儀上，但也有小型的流氣 正比計(jì)數(shù)器用在固定道上作輕元素測(cè)定用。

 ARL8400/8600 及9400 系列中使用的標(biāo)準(zhǔn)窗膜是PEA9 ，它的厚度為0.9μ?，F(xiàn)在9400XP， 9400XP+ 及9800 中使用的窗膜是薄型PEA6，它的厚度為0.6μ。而ARL 還有一種更優(yōu)秀的窗膜PEA3，其厚度僅0.3μ，因 此可以說(shuō)是一種超薄型的窗膜。和PEA9 窗膜相比，PEA6 和PEA3 對(duì)超輕元素幅射的透過(guò)率有明顯改善。 用PEA6 后，氮的幅射透過(guò)率提高了1 倍，硼氧氟等元素提高了40% 而鈉和氯提高了近15% ，而其它極 大部分元素的透過(guò)率基本不變或略有提高。而如用了PEA3 后，則氮的幅射透過(guò)率提高了2 倍，硼提高 了1 倍，而氧氟提高了近50% 和70%。但是，使用PEA3 后，重元素的透過(guò)率略有下降（約下降10--20% ）。 這是為了加強(qiáng)膜的強(qiáng)度，在其中增加了護(hù)格（grate ）所致。因此，PEA3 不推薦在測(cè)角儀上用，而僅 在超輕元素的固定道上使用。

 2.封閉式充氣正比計(jì)數(shù)器

封閉式充氣正比計(jì)數(shù)器又有二種，分別叫做 Exatron 和Multitron。二者都是 圓柱形，但體積不一樣，可充不同量的氣體。其入 射窗口的材料大都用鈹（也有用鋁的），而且厚度 較厚，約25-250 微米，以保證充氣的穩(wěn)定。因?yàn)?/span> 它都用于重元素，所以透過(guò)鈹窗時(shí)的損失不會(huì)很 大。

       充氣正比計(jì)數(shù)器的工作原理

不論是封閉式還是流氣式，二者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作 圖 2.12 原理基本相同。都是在一個(gè)金屬圓柱形腔體內(nèi)沿其中心軸掛有一根金屬絲，其直徑約為25-75 微米，接 高壓起陽(yáng)極作用，金屬筒外殼接地作陰極筒體內(nèi)充的是惰性氣體，如，He、Ne、Ar、Kr、Xe，并混有淬 滅氣體（如甲烷，二氧化碳）。在測(cè)角儀中流氣正比計(jì)數(shù)器經(jīng)常使用的一種氣體叫P10 氣，它的組成是 90%Ar + 10%CH4， 也有使用P20 氣的（80%Ar + 20%CO2）。

1.    初級(jí)電離

 X 射線光子通過(guò)窗膜射入計(jì)數(shù)器內(nèi)作用于惰性氣體，就使這些氣體原子接受能量后發(fā)生電離，產(chǎn)生電 子離子對(duì) Ar → Ar+ + e- 。電子離子對(duì)的數(shù)量取決于不同的氣體和光子的能量。例如：Ar 氣產(chǎn)生一 個(gè)電子離子對(duì)所需的有效激發(fā)電位約為26.4 電子伏特（ev），如果射入的X 射線是CuKα線，其波長(zhǎng) λ = 1.542 埃，能量E = hν= hc /λ= 12.4/1.542 = 8040eV ，則每個(gè)光子可產(chǎn)生304 個(gè)電子離子 對(duì)。如果入射光子有2 倍于這個(gè)能量，則在理論上將產(chǎn)生2 倍于上述的電子離子對(duì)。

 所以，對(duì)某一種確定的氣體而言，如果所有入射的光子都產(chǎn)生電子離子對(duì)，則電子離子對(duì)的數(shù)目與光 子的能量成正比，這就是為什么叫正比計(jì)數(shù)器的原因。

 如果將產(chǎn)生的電子電荷計(jì)數(shù)，我們就測(cè)得了入射光子的數(shù)目（強(qiáng)度）。但是，在初級(jí)電離過(guò)程中產(chǎn)生 的電子離子對(duì)的數(shù)目還達(dá)不到能被有效檢測(cè)的程度，人們需要將這些信號(hào)放大并具有良好的信噪比。 因而就伴隨著產(chǎn)生了另一個(gè)過(guò)程，它被叫做氣體放大或雪崩（Avalanche ）。

2.    雪崩效應(yīng)（氣體放大）

 設(shè)想有一個(gè)光子射入探測(cè)器內(nèi)，它沿著前進(jìn)的路線 與惰性氣體碰撞產(chǎn)生電子離子對(duì)，直至它的能量耗 盡。當(dāng)探測(cè)器加以高壓，在電場(chǎng)作用下，電子走向 陽(yáng)極絲而離子走向筒體負(fù)極。

上圖 顯示了陽(yáng)極電壓和離子對(duì)的關(guān)系。A 區(qū)為 初級(jí)電離區(qū)，在這里發(fā)生初級(jí)電離，產(chǎn)生一定數(shù)量 的電子離子對(duì)。當(dāng)所加陽(yáng)極電壓較低時(shí)（B 區(qū)）， 產(chǎn)生的部分電子會(huì)在到達(dá)陽(yáng)極前與正離子復(fù)合使 離子對(duì)不再增加，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為不飽和區(qū)。隨著所 加電壓增大（C 區(qū)），重新復(fù)合的現(xiàn)象被完全克服， 初級(jí)電子完全走向陽(yáng)級(jí)，離陽(yáng)極越近，電場(chǎng)越強(qiáng)， 電子速度越快。但是在這個(gè)區(qū)域內(nèi)完全是一次電離 （完全由光子產(chǎn)生），沒(méi)有進(jìn)一步的二次電離產(chǎn)生， 氣體增益為1， 即電離正比區(qū)。如果電壓繼續(xù)增高， 電子速度加快，當(dāng)加速到電子與其它氣體原子碰撞 圖 2.13 產(chǎn)生二次電離，使帶電粒子數(shù)有了相當(dāng)大的增加。當(dāng)電子到達(dá)離陽(yáng)極絲只有幾個(gè)陽(yáng)極絲直徑的距離時(shí)（約 100-200 微米），倍增級(jí)數(shù)加大（即使Ar 原子進(jìn)一步離子化）。在正比計(jì)數(shù)區(qū)，每個(gè)初級(jí)電子只產(chǎn)生 一次雪崩效應(yīng)，所產(chǎn)生的粒子不再發(fā)生什么相互作用。所以，這個(gè)經(jīng)放大后的電荷數(shù)仍正比于初級(jí)電子 數(shù)，也即正比于入射光子數(shù)。XRF 分析中，探測(cè)器的工作電壓都使用這個(gè)區(qū)域的電壓。

如果繼續(xù)增高電壓，由于一個(gè)電子可能產(chǎn)生多個(gè)雪崩效應(yīng)（即一次雪崩產(chǎn)生的電子離子再產(chǎn)生雪崩）， 正比性破壞。當(dāng)電壓增高到使離子和原子激發(fā)，陰極逐出電子，陽(yáng)極被撞出次級(jí)電子等等，總之使整個(gè) 探測(cè)器中產(chǎn)生了放電，這時(shí)入射光子與探測(cè)器輸出脈沖不再有任何比例關(guān)系。這個(gè)區(qū)域是Geiger-Muller 計(jì)數(shù)器的工作區(qū)域。進(jìn)一步增加電壓將產(chǎn)生連續(xù)而又持續(xù)的放電，探測(cè)器開(kāi)始發(fā)光，陰陽(yáng)極之間形成電 弧，探測(cè)器損壞。在正比計(jì)數(shù)區(qū)內(nèi)，氣體增益可達(dá)105 -106 數(shù)量級(jí)，這足以有好的信噪比輸出。 在惰性氣體中加入淬滅氣體的目的是確保只發(fā)生一次雪崩，在工作時(shí)甲烷分子和惰性氣體一起電離，然 后分布在整個(gè)探測(cè)器空間，當(dāng)雪崩無(wú)法控制時(shí)，它起到復(fù)合的作用，影響電子和離子的重新結(jié)合，抑制 雪崩的發(fā)展。

3.    電脈沖的形成

 探測(cè)器被接在一個(gè)有電阻電容組成的電脈沖發(fā)生電路上，每一個(gè)進(jìn)入探測(cè)器的光子都能對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè) 電壓脈沖。在“初級(jí)電離”和“氣體放大”二節(jié)中已經(jīng)說(shuō)明了一個(gè)光子能產(chǎn)生許多電子離子對(duì)，其中 電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，離子向陰極運(yùn)動(dòng)，形成電流，最終在電脈沖發(fā)生電路上形成電脈沖。電流越大，脈 沖幅值越大。這個(gè)電流的大小取決于帶電粒子的數(shù)量，而一個(gè)光子產(chǎn)生總帶電粒子的數(shù)量是由該光子 所具有的能量所決定。因此，探測(cè)器輸出電脈沖的幅值與入射光子能量成正比，而電脈沖的強(qiáng)度與入 射光子的數(shù)目成正比。