充氣正比計數器

充氣正比計數器可分為流氣和封閉二種。

1.流氣正比計數器 流氣正比計數器在工作時有一定量氣體流過，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。流氣正比計數器多數用在測角儀上，但也有小型的流氣 正比計數器用在固定道上作輕元素測定用。

 ARL8400/8600 及9400 系列中使用的標準窗膜是PEA9 ，它的厚度為0.9μ。現在9400XP， 9400XP+ 及9800 中使用的窗膜是薄型PEA6，它的厚度為0.6μ。而ARL 還有一種更優秀的窗膜PEA3，其厚度僅0.3μ，因 此可以說是一種超薄型的窗膜。和PEA9 窗膜相比，PEA6 和PEA3 對超輕元素幅射的透過率有明顯改善。 用PEA6 后，氮的幅射透過率提高了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 大部分元素的透過率基本不變或略有提高。而如用了PEA3 后，則氮的幅射透過率提高了2 倍，硼提高 了1 倍，而氧氟提高了近50% 和70%。但是，使用PEA3 后，重元素的透過率略有下降（約下降10--20% ）。 這是為了加強膜的強度，在其中增加了護格（grate ）所致。因此，PEA3 不推薦在測角儀上用，而僅 在超輕元素的固定道上使用。

 2.封閉式充氣正比計數器

封閉式充氣正比計數器又有二種，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，以保證充氣的穩定。因為 它都用于重元素，所以透過鈹窗時的損失不會很 大。

       充氣正比計數器的工作原理

不論是封閉式還是流氣式，二者的內部結構和工作 圖 2.12 原理基本相同。都是在一個金屬圓柱形腔體內沿其中心軸掛有一根金屬絲，其直徑約為25-75 微米，接 高壓起陽極作用，金屬筒外殼接地作陰極筒體內充的是惰性氣體，如，He、Ne、Ar、Kr、Xe，并混有淬 滅氣體（如甲烷，二氧化碳）。在測角儀中流氣正比計數器經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.    初級電離

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

 所以，對某一種確定的氣體而言，如果所有入射的光子都產生電子離子對，則電子離子對的數目與光 子的能量成正比，這就是為什么叫正比計數器的原因。

 如果將產生的電子電荷計數，我們就測得了入射光子的數目（強度）。但是，在初級電離過程中產生 的電子離子對的數目還達不到能被有效檢測的程度，人們需要將這些信號放大并具有良好的信噪比。 因而就伴隨著產生了另一個過程，它被叫做氣體放大或雪崩（Avalanche ）。

2.    雪崩效應（氣體放大）

 設想有一個光子射入探測器內，它沿著前進的路線 與惰性氣體碰撞產生電子離子對，直至它的能量耗 盡。當探測器加以高壓，在電場作用下，電子走向 陽極絲而離子走向筒體負極。

上圖 顯示了陽極電壓和離子對的關系。A 區為 初級電離區，在這里發生初級電離，產生一定數量 的電子離子對。當所加陽極電壓較低時（B 區）， 產生的部分電子會在到達陽極前與正離子復合使 離子對不再增加，這個區域稱為不飽和區。隨著所 加電壓增大（C 區），重新復合的現象被完全克服， 初級電子完全走向陽級，離陽極越近，電場越強， 電子速度越快。但是在這個區域內完全是一次電離 （完全由光子產生），沒有進一步的二次電離產生， 氣體增益為1， 即電離正比區。如果電壓繼續增高， 電子速度加快，當加速到電子與其它氣體原子碰撞 圖 2.13 產生二次電離，使帶電粒子數有了相當大的增加。當電子到達離陽極絲只有幾個陽極絲直徑的距離時（約 100-200 微米），倍增級數加大（即使Ar 原子進一步離子化）。在正比計數區，每個初級電子只產生 一次雪崩效應，所產生的粒子不再發生什么相互作用。所以，這個經放大后的電荷數仍正比于初級電子 數，也即正比于入射光子數。XRF 分析中，探測器的工作電壓都使用這個區域的電壓。

如果繼續增高電壓，由于一個電子可能產生多個雪崩效應（即一次雪崩產生的電子離子再產生雪崩）， 正比性破壞。當電壓增高到使離子和原子激發，陰極逐出電子，陽極被撞出次級電子等等，總之使整個 探測器中產生了放電，這時入射光子與探測器輸出脈沖不再有任何比例關系。這個區域是Geiger-Muller 計數器的工作區域。進一步增加電壓將產生連續而又持續的放電，探測器開始發光，陰陽極之間形成電 弧，探測器損壞。在正比計數區內，氣體增益可達105 -106 數量級，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生一次雪崩，在工作時甲烷分子和惰性氣體一起電離，然 后分布在整個探測器空間，當雪崩無法控制時，它起到復合的作用，影響電子和離子的重新結合，抑制 雪崩的發展。

3.    電脈沖的形成

 探測器被接在一個有電阻電容組成的電脈沖發生電路上，每一個進入探測器的光子都能對應產生一個 電壓脈沖。在“初級電離”和“氣體放大”二節中已經說明了一個光子能產生許多電子離子對，其中 電子向陽極運動，離子向陰極運動，形成電流，最終在電脈沖發生電路上形成電脈沖。電流越大，脈 沖幅值越大。這個電流的大小取決于帶電粒子的數量，而一個光子產生總帶電粒子的數量是由該光子 所具有的能量所決定。因此，探測器輸出電脈沖的幅值與入射光子能量成正比，而電脈沖的強度與入 射光子的數目成正比。