# 6. 游離偵測器 *Ionization Detectors*
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## :information_source: 書籍資訊
* **譯本**：何信佑（譯）（2023），[核物理與粒子物理實驗技術](https://hackmd.io/@siniu-thesis/leo_1994)。中文試譯版。（Leo, W. R.，1994）。
* **原著**：Leo, W. R. (1994). [Techniques for nuclear and particle physics experiments: A how-to approach](https://doi.org/10.1007/978-3-642-57920-2) (2nd revised ed.). Springer.
* [**如何引用？**](https://hackmd.io/@siniu-thesis/leo_cite)

## :page_with_curl: 本章目錄
[TOC]

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## 6.0 簡介 *Introduction*

**游離偵測器**（ionization detectors）是最早開發用於輻射檢測的電子裝置。這種儀器可直接收集輻射通過氣體時所產生的游離電子和離子。本世紀（按：20世紀）上半葉，開發了三種基本類型的檢測器：**游離室**（ionization chamber）、**正比計數器**（proportional counter）和**蓋革－繆勒計數器**（Geiger-Müller counter）。除了特定的應用之外，==這些基本的裝置在現代的核物理和粒子物理實驗中並未得到廣泛使用==。然而，它們在實驗室中仍被大量用來當成輻射監測器；畢竟它們價格低廉、操作簡單且易於維護。其實游離偵測器的基本設計和結構從1940年代後期就幾乎不再改變，因為新開發的[閃爍偵測器](https://hackmd.io/@siniu-thesis/leo_07)從那時候開始在核物理研究中取代了游離偵測器。

20世紀60年代後期，由於**多線比例室**（multi-wire proportional chamber）的發明，使粒子物理學領域重新激起了對於氣體游離偵測器的興趣。 這些設備能夠將粒子軌跡定位到小於一毫米的範圍內，並迅速被用於高能實驗。 在這一成功的刺激下，接下來的幾年見證了**漂移室**（drift chamber）的發展，以及稍後的**時間投影室**（time projection chamber）的發展。這些裝置的工作原理與簡易型正比計數器相同，但在其他方面幾乎沒有物理上相似之處。它們現在==廣泛用於高能粒子物理實驗==，需要更複雜的電子設備以及電腦數據採集。 上述儀器還有許多變體，它們是為更特殊的需要而設計的。

由於液體的密度較高（按：比較不佔空間），所以用液體作為游離介質的偵測器也一直獲得關注。雖然液體的游離和傳輸原理不像氣體那樣被充分理解，但該領域已經有很大的進展，研發也仍在持續。

## 6.1 氣體游離偵測器 *Gaseous Ionization Detectors*

因為電子和離子有較高的**遷移率**，所以這種介質顯然適合收集輻射游離出來的電子和離子。氣體中出現許多種類的游離現象，多年來，這些現象已在下述的偵測器中加以研究和利用。游離室、正比計數器和蓋革－穆勒計數器這三種原始氣體裝置，都充分展現了氣體游離現象的應用。不過==三者其實是在不同操作參數下、運用不同現象的同一種裝置==。裝置基本上是由一個容器構成的（圖 6.1）；為了簡單起見，我們考慮的是圓筒狀容器，它的外殼能導電，底部是薄薄的**端窗**（<font color=red>用途？</font>）。圓筒中填充了合適的氣體，通常是惰性氣體，例如氬氣。圓筒的軸上懸著一根導線（陽極），施以相對於外殼（陰極）的正電壓 $+V_0$。於是，這樣的配置建立起了一個徑向電場 $$E = \frac{1}{r}\frac{V_0}{\ln{(b/a)}}\tag{6.1}$$ 其中 $r$ 是與軸之間的徑向距離，$b$ 是圓柱的內徑，$a$ 是軸心導線的半徑。現在，如果有輻射穿透圓柱體，將產生一定數量的**電子－離子對**；如果輻射是帶電粒子，則電子－離子對會直接產生，或者如果是電中性的輻射，則透過次級反應間接產生。==所產生的電子－離子對的平均數量，正比於存儲到計數器中的能量==。在電場的作用下，電子、離子都將被加速，前者向陽極移動，後者向陰極移動，兩種都被收集起來。
> **圖 6.1：簡易型氣體游離偵測器的基本構造**
>
> 圖片文字說明：Thin end window 薄端窗、anode wire 陽極導線、cathode 陰極、signal 訊號

> **圖 6.2：單線氣體室收集到的離子數 vs. 施加的電壓（取自 Melissinos [^6.1]）**
>
> 圖片文字說明：
> * I: 收集前就復合（Recombination before collection）
> * II: 游離室（Ionization chamber）
> * III: 正比計數器（Proportional counter）
> * 有限正比區域（Region of limited proportionality）
> * IV: 蓋革－繆勒計數器（Geiger-Müller counter）
> * 放電區（Discharge region）

#### 游離室 *Ionization chamber*
==觀察到的電流訊號則取決於電場強度==。這點在圖 6.2 中進行了說明。該圖將收集到的總電荷繪製成 $V$ 的函數。當然，在零電壓下，由於電子－離子對在其自身的靜電吸引力下復合，因此不會收集到任何電荷。然而，隨著電壓升高，復合力被克服，電流開始增加，因為越來越多的電子－離子對在復合之前被會被收集。當然，==在某個時候，所有生成的電子－離子對都會被收集，進一步增加電壓不會產生任何影響。這對應於圖 6.2 中的第一個平坦區域。在該區域 (II) 運作的偵測器稱為**游離室**，因為它是收集通過的輻射直接產生的游離==。 此時的電流訊號當然非常小，通常必須用靜電計來測量。游離室通常用於測量伽馬射線照射，也作為大輻射通量的監測儀器。

#### 正比計數器 *Proportional counter*
回到圖 6.2，如果我們現在將電壓增加到超過區域 II，我們會發現電流會再次隨電壓增加。此時的電場夠強，可以將自由電子加速到一定能量，使它們也能夠游離圓柱體中的氣體分子。在這些次級游離中釋放的電子又被加速，產生更多的游離，然後持續下去——這導致==游離的**雪崩**（avalanche）或**級聯**（cascade）==。 由於陽極附近的電場最強，如式（6.1）所示，這種雪崩發生得非常快，幾乎完全發生在該導線的幾個半徑範圍內。然而，==雪崩中電子－離子對的數量係與初級電子的數量成正比。結果導致電流成比例放大，倍增係數取決於工作電壓 $V$。== 該係數可高達 $10^6$，因此輸出訊號遠大於游離室的輸出訊號，但仍與偵測器中產生的原始游離量成正比。==這個成正比的倍增區域一直延伸到點 III，在這個區域運行的檢測器被稱為**正比室**（proportional chamber）或為**正比計數器**。== 後面會描述的更複雜的氣體設備，又因為正比計數器就是它們的基本模型，所以我們稍後也會更詳細地討論正比計數器。

#### 蓋革－繆勒計數器 *Geiger-Müller counter*
如果現在電壓增加超過點 III，通過倍增產生的游離總量變得夠大，以至於產生的電荷扭曲了陽極周圍的電場，比例性也因此開始喪失，所以這區域被稱為**有限正比區域**。 將 $V$ 提升到更高，==能量就會大到能使氣體發生**放電**==。這種放電跟比例計數器的情況不同，它不是陽極導線的某個點上單一的、局部的雪崩，它是==觸發整條陽極導線展開許多雪崩的**連鎖反應**==。這些次級雪崩是由去激發分子發射的光子引起的，而且這些去激發分子還跑計數器的其他部分、引發更多游離事件。==輸出電流因此變得完全飽和，也就是說，不管游離輻射的能量有多高，始終會輸出相同幅度的訊號==。為了遏止放電，我們必須在介質中添加**消光氣體**（quenching gas）來吸收光子，以利能量排放到其他管道之中。==在這個電壓區域工作的探測器被稱為**蓋革－繆勒計數器**或**崩潰計數器**。== 其實蓋革電壓區在形態上呈現平台狀，在該平台上，計數率變化很小；平台的寬度取決於 氣體中**消光劑**的功效。一般來說，我們會選擇讓蓋革計數器的工作電壓處於平台中間，盡量減少由電壓漂移引起的任何變化。

最後，如果電壓進一步增加的話，那麼不管有沒有輻射，都一樣會發生連續崩潰。我們當然要避開那個區域，以防計數器損壞。在以上的說明當中，我們看到除了氣體電離之外，氣體倍增和放電等現象如何用於輻射偵測。

#### 火花室（譯者補充）

## 6.2 氣體中的游離和傳輸現象 *Ionization and Transport Phenomena in Gases*

### 6.2.1 游離機制 *Ionization Mechanisms*
正如我們在第二章中看到的那樣，物質中帶電粒子的能量損失基本上分為兩種類型的反應：
1) **激發**（excitation）：產生激發態的分子或原子。
2) **游離**（ionization）：產生自由電子和離子。

#### 激發 *Excitation*
原子（或分子） X 的激發可以寫成 $$\ce{X + p-> X^{$*$} + p}\tag{6.2}$$ 其中 p 是來自游離輻射的帶電粒子。激發是一種**共振反應**，帶電粒子必須將數額正確的能量傳給原子（或分子），才會發生激發。惰性氣體在共振時的典型散射面積約為 $\sigma = 10^{-17}~\text{cm}^2$。雖然沒有產生自由電子或離子，但被激發後的分子或原子可能會參與進一步的反應，從而導致游離。這將留待後文討論。

#### 游離 *Ionization*

::: danger
1. 初級游離
2. 次級游離

第二種游離機制 **潘寧效應**（Penning Effect）
第三種游離機制
:::

### 6.2.2 電子－離子對的平均產生數量 *Mean Number of Electron-Ion Pairs Created*
由於上述游離反應的發生本質上是統計性的，因此兩個相同的粒子通常不會產生相同數量的電子－離子對。 然而，我們可以 ==對於給定的能量損失，（從所有機制）產生的電子－離子對的平均數量是多少？請注意，這不等於能量損失除以游離能，因為一些能量也會因激發而損失！== 對於氣體，這個平均值約為每 30 eV 能量損失 1 個電子－離子對，也就是說，對於 3 keV 的粒子，平均將產生 $3000/30 = 100$ 個電子－離子對。 此外，令人驚訝的是，該平均值對粒子類型的關聯性不是很強，而且跟氣體類型也只有微弱的關聯性。表 6.1 比較了電離檢測器中使用的幾種氣體的此平均值的測量值。



產生電子－離子對所需的平均能量 $w$ 很重要，因為它決定了偵測器的效率和能量解析度。 根據 (5.6) 式，能量為 $E$ 的粒子的能量解析度為 $$R = 2.35\sqrt{\frac{Fw}{E}} \tag{6.6}$$

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## :capital_abcd: 術語中英對照

| 中文 | English |
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| **游離偵測器** | ionization detector |
| **激發** | excitation |
| **游離**、**電離** | ionization |
| **復合** | recombine |
| **靜電計** | electrometer |
| **端窗** | end window |
| **遷移率** | mobility |
| **電子－離子對** | electron-ioon pair |
| **游離室** | ionization chamber |
| **正比計數器** | proportional counter |
| **正比室** | proportional chamber |
| **有限正比區域** | region of limited proportionality |
| **蓋革－繆勒計數器** | Geiger-Müller counter |
| **多線比例室** | multi-wire proportional chamber |
| **放電** | discharge |
| **單線氣體室** | single-wire gas chamber |
| **次級游離** | secondary ionization |
| **漂移室** | drift chamber |
| **級聯** | cascade |
| **時間投影室** | time projection chamber |
| **崩潰計數器** | breakdown counter |
| **倍增係數** | multiplication factor |
| **消光氣體** | quenching gas |
| **消光劑** | quencher |
| **電壓漂移** | voltage drift |
| **連鎖反應** | chain reaction |
| **氣體倍增** | gas multiplication |
| **共振反應** | resonant reaction |

[^6.1]: `Ref. 6.1` A. C. Melissinos: Experiments in Modern Physics (Academic Press, New York 1966)