７卷第３期 第４０１３年３月 ２
原子能科学技术Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．３Ｍａｒ．２０１３
ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙｇｙ
一种测量高压气体中离子漂移速度的方法
王振涛，沈毅雄，安继刚，王立强，郝朋飞
（）清华大学核能与新能源技术研究院，北京 １０２２０１
摘要：利用脉冲Ｘ射线机作为离子触发源，用高频数字示波器记录负载电阻上的电压信号，通过曲线拟合得出离子在高压气体中的漂移速度。用该方法实测氙离子在１结果表明，．５ＭＰａ氙气中的漂移速度，该方法可简便有效地测量高压气体中的离子漂移速度。关键词：漂移速度；高压气体；氙离子
（）中图分类号：ＴＬ８１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００６９３１２０１３０３０４７６０５－－－：／ｚｋ．２０１３．４７．０３．０４７６ｄｏｉ１０．７５３８ｙ
ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＭｅａｓｕｒｉｎＤｒｉｆｔＶｅｌｏｃｉｔ ｇｙ
ＩｏｎｓｉｎＨｉｈＰｒｅｓｓｕｒｅＧａｓｏｆ ｇ
，，ＡＮ，ＷＡＮＧ，ＨＡＯＷＡＮＧＺｈｅｎｔａｏＳＨＥＮ ＹｉｘｉｏｎＪｉＬｉＰｅｎｆｅｉａｎｉａｎ －－ －ｇ －ｑ －ｇｇｇｇ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＮｕｃｌｅａｒａｎｄ Ｎｅｗ ＥｎｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏＴｓｉｎｈｕａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔＢｅｉｉｎ０２２０１，Ｃｈｉｎａ） ｆ ｇｙ ｇｙ，ｇｙ，ｊｇ１
：Ａｂｓｔｒａｃｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｔｈｅｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｏｆｉｏｎｓｉｎｈｉｈｗａｓｒｅｓｓｕｒｅａｓ Ａ ｇｙｇｐｇ ｂｕｓｉｎａｐｕｌｓｅｄＸｒａａｓａｎｉｏｎｓａｎｄａｈｉｈｆｒｅｕｅｎｃｒｏｏｓｅｄｅｎｅｒａｔｏｒｒｏｄｕｃｅｒ － ｙｇｙｇｑｙｐｐｇｐ ｄｉｉｔａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｅａｓａｒｅｃｏｒｄｅｒｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｅｓｉｎａｌｏｎｔｈｅｌｏａｄｒｅｓｉｓｔｏｒ．Ｂｔｈｉｓ ｇｐｇｇｙ
，ｍｅａｎｓｔｈｅｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｏｆｘｅｎｏｎｉｏｎｓｉｎ１．５ＭＰａｘｅｎｏｎａｓｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈ －ｙｇ ｏｄｉｓｒｏｖｅｄｔｏｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｓｉｍｌｅｆｏｒｔｈｅｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｉｏｎｓｉｎｈｉｈ ｐｐｙｇ ｒｅｓｓｕｒｅａｓ． ｐｇ
：ｄ；；Ｋｅｗｏｒｄｓｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｈｉｈｒｅｓｓｕｒｅａｓｘｅｎｏｎｉｏｎ ｙｇｐｇｙ 气体中离子漂移速度及迁移率的测量在气
体电离辐射探测器、离子迁移谱仪等相关的物
］１２－
。理、化学研究领域均具有十分重要的意义［
目前，气体中离子漂移速度的测量已有若
］４９－
。文献［干种方法［利用气体电子倍增器６］
由于气体电离辐射探测器往往采用具有一定压
３］
，力的高气压惰性气体作为工作介质［以提高
（产生离子来测量氙离子在０～０ＧＥＭ）．１ＭＰａ
氙气中的漂移速度。在这种方法中，由ＧＥＭ产生的氙离子会在均匀电场作用下向收集极漂移，形成一线性增长的电荷脉冲信号；通过记分析输出信号的波形以确定离子的漂移时录、
间；根据ＧＥＭ与收集极间的距离计算离子的漂移速度。但随着气体压力的增高，ＧＥＭ的
探测器对电离辐射的探测灵敏度，因此，高压气体中离子的漂移运动特性研究对高气压气体中的气体动力学研究及高灵敏度气体电离辐射探测器的研制有着特别重要的意义。
；收稿日期：修回日期：２０１１０９０５２０１１１１２１－－－－
）基金项目：清华大学自主科研计划资助项目（２０１０ＴＨＺ０２１－
，作者简介：王振涛（男，天津人，助理研究员，博士，核技术及应用专业１９７８—）
第３期 王振涛等：一种测量高压气体中离子漂移速度的方法
［０］放大倍数会明显下降。Ａｍ的实验结ａｒｏ等１
４７７
果显示：氙气中，ＧＥＭ的放大倍数在气体压强为０．１ＭＰａ时为１０００，而当气体压强为
时仅为１０．５ＭＰａ０。ＧＥＭ放大倍数的变化对测量结果有直接影响，因此，文献［的测量方６］法对于高压气体中离子漂移速度的测量并不适用。
为有效、直观地测量高气压下离子的漂移速度，本文提出一种方法，利用脉冲Ｘ光机发）出宽度很小（的射线脉冲，在电离室内瞬６０ｎｓ间电离产生离子，通过数字示波器记录、分析输出信号，从而测量离子的漂移速度。
））及电离室输出端总输出信号电流Ｉ（分Ｉ－（ｔｔ
别为：
ｕ＋ｔ）＝）＝Ｉｔｔ０１－＋（＋Ｎ＋（＋Ｎ
ｄＶ０Ｖ０
／（）０＜ｔ＜ｄｕ１＋
（（
））
－）＝）＝Ｉｔｔ０１－－（－Ｎ－（－Ｎ
Ｖ０Ｖ０ｄ
／（）０＜ｔ＜ｄｕ２－
２２
（）０（ｕｄ－（ｕｔ＋＋ｕ－）＋＋ｕ－）
Ｖ０ｄ／ｕ ０＜ｔ≤ｄ－
）＝Ｉ（ｔ０）ｕｄ－ｕ＋（＋ｔｄＶ０
／／ｕｕ ｄ－＜ｔ≤ｄ＋
／０ ｔ＞ｄｕ＋（）３
其中：ｕ＋和ｕ－分别为离子和电子在电离室内的漂移速度；ｅ为电子的电荷量。
若分别用ｔ１和ｔ２表示全部电子和离子被
收集完的时刻，电离室输出端总信号电流随时间的变化如图２所示。只要测出电离室输出端总信号电流，即可确定正离子在电离室内的漂移时间和漂移速度
。
１ 理论基础
图１为测量高压气体中离子漂移速度方法示意图。电离室中，两电极板之间的距离为ｄ，所加工作电压为Ｖ０，灵敏工作区的电场强度为Ｅ。脉冲Ｘ光机发出的脉冲射线一旦进入电离室灵敏体积内，所产生的电子和离子即会在电场的作用下向两个不同极性从而在电离室输出端产生电的电极板漂移，流信号
。
图１ 测量方法示意图
Ｆｉ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｍｅｔｈｏｄ ｇｇｇ
图２ 总输出电流随时间的变化Ｆｉ．２ Ｔｏｔａｌｏｕｔｕｔｃｕｒｒｅｎｔｖｓｔｉｍｅ ｇｐ
假设：１）在与电极板垂直方向产生的电子－离子对分布均匀；２）电离室内各处电场强且不受空间电荷的影响；度均匀，３）复合与扩散效应的影响可忽略；４）电离室窗的影响可忽略。
根据上述条件和假设可知，当入射射线是从１个脉冲宽度小到可忽略的瞬时脉冲束时，入射射线脉冲束产生电子－离子对的时刻（））起，电离室内离子数目Ｎ＋（和电子数ｔ＝０ｔ）目Ｎ－（将从Ｎ０（ｔｔ＝０时的电子－离子对总数）随时间线性递减。经推导可知，由这些离子和电子的漂移所引起的输出信号电流Ｉ＋（和ｔ）
２ 实验布置
图３为测量高压气体中离子漂移速度的实验布置。其中，脉冲Ｘ光机（ＧｏｌｄｅｎＥｎｉ －ｇ
管电压为２用以产生ｎｅｅｒｉｎＸＲＳ３型，７０ｋＶ）－ｇ 宽度仅为６示波器０ｎｓ的Ｘ射线脉冲束，
（）带宽为２ＧＨＬｅＣｒｏＷａｖｅＲｕｎｎｅｒ２０４Ｍｘｉ型，ｚ ｙ 用以对大量数据进行快速、有效记录。
由于脉冲Ｘ光机产生脉冲Ｘ射线束时，距Ｘ光管出口３０ｃｍ处每个脉冲的照射量达
－７
／，辐射防护问题必须在６．７～１０．３×１０Ｃｋｇ实验布置的设计中予以考虑。为此，本实验中，
４７８原子能科学技术 第４７卷
／ｔＲＣ－００Ａ１－－ｅｔ≤τ ０
ＲＣτ０＋００
／
／ＣｔＲＣ－τ００ｅ０Ｒ００１Ａｅ ｔ＞τ－０－１０ＲＣτ＋０００（）４２／其中：Ａ＝ｅＮ０ＲＲＣττ０为离子漂移时间；００（００＋
（）
［（）］
图３ 实验布置示意图
Ｆｉ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕ ｇｇｐｐ
。τ０）
））由式（可知，可分为以τ４Ｖ＋（ｔ０为界的两部分，前一部分近似直线，后一部分为指数衰减）也可由上述方法导出，总曲线。同样地，Ｖ－（ｔ）））。电压信号Ｖ（ｔ＝Ｖ＋（ｔ＋Ｖ－（ｔ
图５为用Ｍ曲线ａｔｌａｂ仿真得到的Ｖ（ｔ）
（）
。给定漂移时间为０．３ｍｓ
整个实验装置均被放置在辐射屏蔽良好的地下实验室，示波器对电离室信号的采集、波形的显示及数据的保存均由实验人员在控制室内进行计算机远程桌面控制。具体实验步骤为：１）定在电离时触发脉冲Ｘ光机发出单个瞬时脉冲，室内引起电离产生离子；２）利用数字示波器的直接记录收集极负载电阻单次上沿触发功能，
）；上的输出电压Ｖ（ｔ３）根据电离室的结构和）工作条件，从记录的Ｖ（曲线中确定离子在电ｔ离室内的漂移速度。
３ 离子漂移速度确定方法
通过测量在电离室的收集极和地之间接）入的高阻值电阻Ｒｔａ上的输出电压信号Ｖ（确定离子漂移速度。图４为简化的等效测量电路图
。
由图５可见，由于电子漂移时间远小于离子漂移时间，电子漂移的贡献很快减小到零，然后，总电压曲线基本由离子漂移贡献。由此，可得出离子漂移时间的确定方法：１）根据实测曲线中指数衰减部分进行曲线拟合，得到Ｒ０Ｃ０；）根据实测曲线中近似直线部分进行曲线拟２
／（；）根据１、得到１合，Ｒ０Ｃ３２所得结果，τ０＋０）
图４ 简化等效电路
Ｆｉ．４ Ｓｉｍｌｉｆｉｅｄｅｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ ｇｐｑ
图５ 仿真总电压曲线Ｆｉ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｏｔａｌｖｏｌｔａｅ ｇｇ
计算τ０。
４ 实测结果与分析
为检验以上方法的有效性，设计了一充高压氙气的实验电离室，对１．５ＭＰａ氙气中的氙离子漂移速度进行测量。
实验电离室结构示于图６。它包括３个平行放置的电极片，中间为高压极，两边为收集极，相邻电极之间的距离为２ｍｍ。电极片与接地的外壳之间用聚四氟乙烯绝缘。电离室的＝
角落均填充聚四氟乙烯以避免边缘效应的影响。灵敏体积截面的宽高比设置得较小
）图４中，为电离室输出电流，Ｉ（ｔＲ０为负载电阻Ｒａ与测量仪器输入电阻Ｒλ并联后的等效电阻，回路杂散Ｃ０为测量仪器输入电容Ｃλ、电容Ｃ′和电离室极间电容Ｃ１并联后的等效电））和Ｖ－（分别表示电压信号中容。若用Ｖ＋（ｔｔ离子漂移和电子漂移的贡献，则有：）＝ＡＶ＋（ｔｅ
／ｔＲＣ－００
ｅ［（
／ｔＲＣ００１－Ｃτ０＋Ｒ００）ｔ０
第３期 王振涛等：一种测量高压气体中离子漂移速度的方法４７９
（），目的是使灵敏体积内的电场强度更加１∶１１
。均匀。电离室充高纯度氙气，压强为１．５ＭＰａ电离室所加工作电压为１温度为２０００Ｖ，９３Ｋ
。
图８ 实测数据及拟合结果
Ｆｉ．８ Ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａａｎｄｆｉｔｔｉｎｒｅｓｕｌｔｓ ｇｐｇ
在相同实验条件下用同一实验电离室平行测量５次，测量结果列于表１。５次实验测量平
图６ 实验电离室结构Ｆｉ．６ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｅｓｔｃｈａｍｂｅｒ ｇ
，，均方根偏差为０均值为１．１２６８ｍｓ．００３ｍｓ 相对均方根偏差为０．２７％。漂移速度平均值／，／，为１均方根偏差为０相对７７．５ｃｍｓ．５ｃｍｓ本均方根偏差为０．２７％。实验测量结果表明，实验方法对高压气体中的离子漂移速度的测量非常有效。
表１ 离子漂移速度测量结果
Ｔａｂｌｅ１ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｆｏｒｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｏｆｉｏｎｓ ｙ
次数１ ２ ３ ４ ５
漂移时间／ｍｓ１．１２５ １．１３１ １．１２９ １．１２５ １．１２４
－１）（漂移速度／ｃｍ·ｓ
图７为经示波器噪声滤波预处理后的负载电阻上的电压信号，其形状与上述仿真的总电压曲线基本一致
。
１７７．８１７６．８１７７．２１７７．８１７７．９
图７ 实测电压曲线
Ｆｉ．７ Ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｏｆｖｏｌｔａｅｃｕｒｖｅ ｇｐｇ
］为便于和文献［所测结果进行比较，本工６作根据实验数据计算了氙离子的折合迁移率。假设实验电离室中氙气在上述实验条件下仍可看作是理想气体，则氙离子在１．５ＭＰａ氙气中测量、计算得出的折合迁移率为０．４９～
２－１·Ｖ－１·ｓ，这与文献［在气压低０．５０ｃｍ６］于０．１ＭＰａ条件下测得的氙离子折合迁移率
２－１
（·Ｖ－１·ｓ）有一定差别。０．７０～０．７４ｃｍ
］文献［指出，在０６．１ＭＰａ条件下氙离子会以＋＋
是否ＸｅＸｅ２、３的形式存在。在更高的气压下，＋＋
会产生漂移速度更慢的ＸｅＸｅ４、５等形式的离
对图７的实测数据进行拟合，所得曲线示于图８。进行数据拟合时，拟合区间选择原则是尽量避免指数曲线与近似直线过渡部分。经拟合，近似直线部分拟合结果的校正决定系数为０指数衰减部分拟合结果的．９９９６２， 校正决定系数为０实测数据．９８９１４。可见， 与理论分析数据符合较好。由于电压接近零时的噪声干扰较大，指数衰减部分校正决定系数稍小。
通过拟合可知，在１．５ＭＰａ的充氙电离室。可知，离子的漂移时间为１电离内，．１２５ｍｓ室极间距为２ｍｍ时，氙离子在１．５ＭＰａ的氙／。气中的漂移速度为１７７．８ｃｍｓ
子目前尚未见报道。因此，本工作的测量结果与文献［的差异还需做进一步实验研究与６］分析。
４８０原子能科学技术 第４７卷
（：增刊）４０１３９１４１．－
，ＷＵ ，Ｑ，ＴＡＮＣｈｕｎｍｉｎＨａｉｆｅｎＩＮＧＳｈａｎｕ ｇｇｇｙｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｏｆｔｉｍｅｒｅｓｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｆｏｒｈｉｈ ｙｐｇ ｒｅｓｓｕｒｅａｓｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒｏｆｋｒｔｏｎａｎｄ ｐｇｙｐ［］Ｊ．ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｘｅｎｏｎ －ｇｙ ，（）：（）２００６，４０Ｓｕｌ．１３９１４１ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ．－ ｇｙｐｐ［］６ＥＶＥＳＰＮＢ，ＣＯＮＤＥＣＡ Ｎ，ＴＡＶＯＲＡＬ Ｍ Ｎ
ｏｓｉｔｉｖｅＮ．Ａｎｅｗｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｃｈｎｉｕｅｆｏｒｉｏｎ ｐｐｑ：ａｓｅｓｄｒｉｆｔｅｌｏｃｉｔｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｎｏｂｌｅ ｖ ｉ ｎ ｇｙ ｍ］Ｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒｘｅｎｏｎｉｏｎｓｉｎｘｅｎｏｎ［Ｊ．ＮｕｃｌｅａｒＩｎ －ｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＡ， ｙ（）：２００７，５８０１６６６９．－
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［］王立强，郑健．高压气体电离室中离子８ 汪青海，
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，ＷＡＮＧ，ＷＡＮＧ ＱｉｎｈａｉＬｉｉａｎＺＨＥＮＧＪｉａｎ． ｇｑｇＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｉｏｎｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｉｎｈｉｈｒｅｓ －ｐ－ｙｇ ［］ｓｕｒｅａｓｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒＪ．ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒ ｇｇｙ，：ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ２０１１，４５（８）９９５９９８ －ｇｙ（）ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ．
［］郑健，王振涛．高压气体电离室中离子９ 王立强，
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Ｆ，ｅｔａｌ．ＯｅｒａｔｉｏｎｏｆａｓｉｎｌｅＥＭｉｎｎｏｂｌｅ －Ｇ ｐｇ［］ｒｅｓｓｕｒｅｓａｓｅｓａｔｈｉｈＪ．ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｐｇｇＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＡ，２００７，５７９ａｎｄ ｙ（）：１６２６６．－
５ 结论
离子漂移速度的测量是研究离子在气体中漂移运动特性的前提与基础。对１．５ＭＰａ氙气中氙离子漂移速度的测量分析表明，本文提出的利用脉冲Ｘ光机与数字示波器进行高压气体中离子漂移速度测量的方法是一种能测量高气体压强条件下离子漂移速度的简便、直观、有效的方法。参考文献：
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版社，１９９５．
［］２ＩＮＧＲＧ，ＡＴＫＩＮＳＯＮＤＡ，ＥＩＣＥＭＡＮ Ｇ ＥＷ
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京：原子能出版社，１９９７．
［］安继刚，卿上玉．气体电离室时间响应４ 王立强，
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，ＡＮ，ＱＷＡＮＧＬｉｉａｎＪｉａｎＩＮＧＳｈａｎｕ．Ａ ｑｇｇｇｇｙｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｔｉｍｅｒｅｓｏｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒｍｅａｓｕｒｅ ｐ［］ａｓｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｉｎｃｈａｍｂｅｒＪ．ＮｕｃｌｅａｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｇ
，：Ｔｅｃｈｎｏｌｏ２００２，２２（６）５１５５１７＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ －ｇｙ（）ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ．
［］、邬海峰，卿上玉，等．Ｋ５ｒＸｅ高压气体电 谈春明，
］离室时间特性研究［Ｊ．原子能科学技术，２００６，
７卷第３期 第４０１３年３月 ２
原子能科学技术Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．３Ｍａｒ．２０１３
ＡｔｏｍｉｃＥｎｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙｇｙ
一种测量高压气体中离子漂移速度的方法
王振涛，沈毅雄，安继刚，王立强，郝朋飞
（）清华大学核能与新能源技术研究院，北京 １０２２０１
摘要：利用脉冲Ｘ射线机作为离子触发源，用高频数字示波器记录负载电阻上的电压信号，通过曲线拟合得出离子在高压气体中的漂移速度。用该方法实测氙离子在１结果表明，．５ＭＰａ氙气中的漂移速度，该方法可简便有效地测量高压气体中的离子漂移速度。关键词：漂移速度；高压气体；氙离子
（）中图分类号：ＴＬ８１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００６９３１２０１３０３０４７６０５－－－：／ｚｋ．２０１３．４７．０３．０４７６ｄｏｉ１０．７５３８ｙ
ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＭｅａｓｕｒｉｎＤｒｉｆｔＶｅｌｏｃｉｔ ｇｙ
ＩｏｎｓｉｎＨｉｈＰｒｅｓｓｕｒｅＧａｓｏｆ ｇ
，，ＡＮ，ＷＡＮＧ，ＨＡＯＷＡＮＧＺｈｅｎｔａｏＳＨＥＮ ＹｉｘｉｏｎＪｉＬｉＰｅｎｆｅｉａｎｉａｎ －－ －ｇ －ｑ －ｇｇｇｇ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＮｕｃｌｅａｒａｎｄ Ｎｅｗ ＥｎｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏＴｓｉｎｈｕａ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔＢｅｉｉｎ０２２０１，Ｃｈｉｎａ） ｆ ｇｙ ｇｙ，ｇｙ，ｊｇ１
：Ａｂｓｔｒａｃｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｔｈｅｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｏｆｉｏｎｓｉｎｈｉｈｗａｓｒｅｓｓｕｒｅａｓ Ａ ｇｙｇｐｇ ｂｕｓｉｎａｐｕｌｓｅｄＸｒａａｓａｎｉｏｎｓａｎｄａｈｉｈｆｒｅｕｅｎｃｒｏｏｓｅｄｅｎｅｒａｔｏｒｒｏｄｕｃｅｒ － ｙｇｙｇｑｙｐｐｇｐ ｄｉｉｔａｌｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｅａｓａｒｅｃｏｒｄｅｒｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｅｓｉｎａｌｏｎｔｈｅｌｏａｄｒｅｓｉｓｔｏｒ．Ｂｔｈｉｓ ｇｐｇｇｙ
，ｍｅａｎｓｔｈｅｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｏｆｘｅｎｏｎｉｏｎｓｉｎ１．５ＭＰａｘｅｎｏｎａｓｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈ －ｙｇ ｏｄｉｓｒｏｖｅｄｔｏｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｎｄｓｉｍｌｅｆｏｒｔｈｅｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｉｏｎｓｉｎｈｉｈ ｐｐｙｇ ｒｅｓｓｕｒｅａｓ． ｐｇ
：ｄ；；Ｋｅｗｏｒｄｓｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｈｉｈｒｅｓｓｕｒｅａｓｘｅｎｏｎｉｏｎ ｙｇｐｇｙ 气体中离子漂移速度及迁移率的测量在气
体电离辐射探测器、离子迁移谱仪等相关的物
］１２－
。理、化学研究领域均具有十分重要的意义［
目前，气体中离子漂移速度的测量已有若
］４９－
。文献［干种方法［利用气体电子倍增器６］
由于气体电离辐射探测器往往采用具有一定压
３］
，力的高气压惰性气体作为工作介质［以提高
（产生离子来测量氙离子在０～０ＧＥＭ）．１ＭＰａ
氙气中的漂移速度。在这种方法中，由ＧＥＭ产生的氙离子会在均匀电场作用下向收集极漂移，形成一线性增长的电荷脉冲信号；通过记分析输出信号的波形以确定离子的漂移时录、
间；根据ＧＥＭ与收集极间的距离计算离子的漂移速度。但随着气体压力的增高，ＧＥＭ的
探测器对电离辐射的探测灵敏度，因此，高压气体中离子的漂移运动特性研究对高气压气体中的气体动力学研究及高灵敏度气体电离辐射探测器的研制有着特别重要的意义。
；收稿日期：修回日期：２０１１０９０５２０１１１１２１－－－－
）基金项目：清华大学自主科研计划资助项目（２０１０ＴＨＺ０２１－
，作者简介：王振涛（男，天津人，助理研究员，博士，核技术及应用专业１９７８—）
第３期 王振涛等：一种测量高压气体中离子漂移速度的方法
［０］放大倍数会明显下降。Ａｍ的实验结ａｒｏ等１
４７７
果显示：氙气中，ＧＥＭ的放大倍数在气体压强为０．１ＭＰａ时为１０００，而当气体压强为
时仅为１０．５ＭＰａ０。ＧＥＭ放大倍数的变化对测量结果有直接影响，因此，文献［的测量方６］法对于高压气体中离子漂移速度的测量并不适用。
为有效、直观地测量高气压下离子的漂移速度，本文提出一种方法，利用脉冲Ｘ光机发）出宽度很小（的射线脉冲，在电离室内瞬６０ｎｓ间电离产生离子，通过数字示波器记录、分析输出信号，从而测量离子的漂移速度。
））及电离室输出端总输出信号电流Ｉ（分Ｉ－（ｔｔ
别为：
ｕ＋ｔ）＝）＝Ｉｔｔ０１－＋（＋Ｎ＋（＋Ｎ
ｄＶ０Ｖ０
／（）０＜ｔ＜ｄｕ１＋
（（
））
－）＝）＝Ｉｔｔ０１－－（－Ｎ－（－Ｎ
Ｖ０Ｖ０ｄ
／（）０＜ｔ＜ｄｕ２－
２２
（）０（ｕｄ－（ｕｔ＋＋ｕ－）＋＋ｕ－）
Ｖ０ｄ／ｕ ０＜ｔ≤ｄ－
）＝Ｉ（ｔ０）ｕｄ－ｕ＋（＋ｔｄＶ０
／／ｕｕ ｄ－＜ｔ≤ｄ＋
／０ ｔ＞ｄｕ＋（）３
其中：ｕ＋和ｕ－分别为离子和电子在电离室内的漂移速度；ｅ为电子的电荷量。
若分别用ｔ１和ｔ２表示全部电子和离子被
收集完的时刻，电离室输出端总信号电流随时间的变化如图２所示。只要测出电离室输出端总信号电流，即可确定正离子在电离室内的漂移时间和漂移速度
。
１ 理论基础
图１为测量高压气体中离子漂移速度方法示意图。电离室中，两电极板之间的距离为ｄ，所加工作电压为Ｖ０，灵敏工作区的电场强度为Ｅ。脉冲Ｘ光机发出的脉冲射线一旦进入电离室灵敏体积内，所产生的电子和离子即会在电场的作用下向两个不同极性从而在电离室输出端产生电的电极板漂移，流信号
。
图１ 测量方法示意图
Ｆｉ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｍｅｔｈｏｄ ｇｇｇ
图２ 总输出电流随时间的变化Ｆｉ．２ Ｔｏｔａｌｏｕｔｕｔｃｕｒｒｅｎｔｖｓｔｉｍｅ ｇｐ
假设：１）在与电极板垂直方向产生的电子－离子对分布均匀；２）电离室内各处电场强且不受空间电荷的影响；度均匀，３）复合与扩散效应的影响可忽略；４）电离室窗的影响可忽略。
根据上述条件和假设可知，当入射射线是从１个脉冲宽度小到可忽略的瞬时脉冲束时，入射射线脉冲束产生电子－离子对的时刻（））起，电离室内离子数目Ｎ＋（和电子数ｔ＝０ｔ）目Ｎ－（将从Ｎ０（ｔｔ＝０时的电子－离子对总数）随时间线性递减。经推导可知，由这些离子和电子的漂移所引起的输出信号电流Ｉ＋（和ｔ）
２ 实验布置
图３为测量高压气体中离子漂移速度的实验布置。其中，脉冲Ｘ光机（ＧｏｌｄｅｎＥｎｉ －ｇ
管电压为２用以产生ｎｅｅｒｉｎＸＲＳ３型，７０ｋＶ）－ｇ 宽度仅为６示波器０ｎｓ的Ｘ射线脉冲束，
（）带宽为２ＧＨＬｅＣｒｏＷａｖｅＲｕｎｎｅｒ２０４Ｍｘｉ型，ｚ ｙ 用以对大量数据进行快速、有效记录。
由于脉冲Ｘ光机产生脉冲Ｘ射线束时，距Ｘ光管出口３０ｃｍ处每个脉冲的照射量达
－７
／，辐射防护问题必须在６．７～１０．３×１０Ｃｋｇ实验布置的设计中予以考虑。为此，本实验中，
４７８原子能科学技术 第４７卷
／ｔＲＣ－００Ａ１－－ｅｔ≤τ ０
ＲＣτ０＋００
／
／ＣｔＲＣ－τ００ｅ０Ｒ００１Ａｅ ｔ＞τ－０－１０ＲＣτ＋０００（）４２／其中：Ａ＝ｅＮ０ＲＲＣττ０为离子漂移时间；００（００＋
（）
［（）］
图３ 实验布置示意图
Ｆｉ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｔｕ ｇｇｐｐ
。τ０）
））由式（可知，可分为以τ４Ｖ＋（ｔ０为界的两部分，前一部分近似直线，后一部分为指数衰减）也可由上述方法导出，总曲线。同样地，Ｖ－（ｔ）））。电压信号Ｖ（ｔ＝Ｖ＋（ｔ＋Ｖ－（ｔ
图５为用Ｍ曲线ａｔｌａｂ仿真得到的Ｖ（ｔ）
（）
。给定漂移时间为０．３ｍｓ
整个实验装置均被放置在辐射屏蔽良好的地下实验室，示波器对电离室信号的采集、波形的显示及数据的保存均由实验人员在控制室内进行计算机远程桌面控制。具体实验步骤为：１）定在电离时触发脉冲Ｘ光机发出单个瞬时脉冲，室内引起电离产生离子；２）利用数字示波器的直接记录收集极负载电阻单次上沿触发功能，
）；上的输出电压Ｖ（ｔ３）根据电离室的结构和）工作条件，从记录的Ｖ（曲线中确定离子在电ｔ离室内的漂移速度。
３ 离子漂移速度确定方法
通过测量在电离室的收集极和地之间接）入的高阻值电阻Ｒｔａ上的输出电压信号Ｖ（确定离子漂移速度。图４为简化的等效测量电路图
。
由图５可见，由于电子漂移时间远小于离子漂移时间，电子漂移的贡献很快减小到零，然后，总电压曲线基本由离子漂移贡献。由此，可得出离子漂移时间的确定方法：１）根据实测曲线中指数衰减部分进行曲线拟合，得到Ｒ０Ｃ０；）根据实测曲线中近似直线部分进行曲线拟２
／（；）根据１、得到１合，Ｒ０Ｃ３２所得结果，τ０＋０）
图４ 简化等效电路
Ｆｉ．４ Ｓｉｍｌｉｆｉｅｄｅｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ ｇｐｑ
图５ 仿真总电压曲线Ｆｉ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｏｔａｌｖｏｌｔａｅ ｇｇ
计算τ０。
４ 实测结果与分析
为检验以上方法的有效性，设计了一充高压氙气的实验电离室，对１．５ＭＰａ氙气中的氙离子漂移速度进行测量。
实验电离室结构示于图６。它包括３个平行放置的电极片，中间为高压极，两边为收集极，相邻电极之间的距离为２ｍｍ。电极片与接地的外壳之间用聚四氟乙烯绝缘。电离室的＝
角落均填充聚四氟乙烯以避免边缘效应的影响。灵敏体积截面的宽高比设置得较小
）图４中，为电离室输出电流，Ｉ（ｔＲ０为负载电阻Ｒａ与测量仪器输入电阻Ｒλ并联后的等效电阻，回路杂散Ｃ０为测量仪器输入电容Ｃλ、电容Ｃ′和电离室极间电容Ｃ１并联后的等效电））和Ｖ－（分别表示电压信号中容。若用Ｖ＋（ｔｔ离子漂移和电子漂移的贡献，则有：）＝ＡＶ＋（ｔｅ
／ｔＲＣ－００
ｅ［（
／ｔＲＣ００１－Ｃτ０＋Ｒ００）ｔ０
第３期 王振涛等：一种测量高压气体中离子漂移速度的方法４７９
（），目的是使灵敏体积内的电场强度更加１∶１１
。均匀。电离室充高纯度氙气，压强为１．５ＭＰａ电离室所加工作电压为１温度为２０００Ｖ，９３Ｋ
。
图８ 实测数据及拟合结果
Ｆｉ．８ Ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａａｎｄｆｉｔｔｉｎｒｅｓｕｌｔｓ ｇｐｇ
在相同实验条件下用同一实验电离室平行测量５次，测量结果列于表１。５次实验测量平
图６ 实验电离室结构Ｆｉ．６ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｅｓｔｃｈａｍｂｅｒ ｇ
，，均方根偏差为０均值为１．１２６８ｍｓ．００３ｍｓ 相对均方根偏差为０．２７％。漂移速度平均值／，／，为１均方根偏差为０相对７７．５ｃｍｓ．５ｃｍｓ本均方根偏差为０．２７％。实验测量结果表明，实验方法对高压气体中的离子漂移速度的测量非常有效。
表１ 离子漂移速度测量结果
Ｔａｂｌｅ１ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｆｏｒｄｒｉｆｔｖｅｌｏｃｉｔｏｆｉｏｎｓ ｙ
次数１ ２ ３ ４ ５
漂移时间／ｍｓ１．１２５ １．１３１ １．１２９ １．１２５ １．１２４
－１）（漂移速度／ｃｍ·ｓ
图７为经示波器噪声滤波预处理后的负载电阻上的电压信号，其形状与上述仿真的总电压曲线基本一致
。
１７７．８１７６．８１７７．２１７７．８１７７．９
图７ 实测电压曲线
Ｆｉ．７ Ｅｘｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｏｆｖｏｌｔａｅｃｕｒｖｅ ｇｐｇ
］为便于和文献［所测结果进行比较，本工６作根据实验数据计算了氙离子的折合迁移率。假设实验电离室中氙气在上述实验条件下仍可看作是理想气体，则氙离子在１．５ＭＰａ氙气中测量、计算得出的折合迁移率为０．４９～
２－１·Ｖ－１·ｓ，这与文献［在气压低０．５０ｃｍ６］于０．１ＭＰａ条件下测得的氙离子折合迁移率
２－１
（·Ｖ－１·ｓ）有一定差别。０．７０～０．７４ｃｍ
］文献［指出，在０６．１ＭＰａ条件下氙离子会以＋＋
是否ＸｅＸｅ２、３的形式存在。在更高的气压下，＋＋
会产生漂移速度更慢的ＸｅＸｅ４、５等形式的离
对图７的实测数据进行拟合，所得曲线示于图８。进行数据拟合时，拟合区间选择原则是尽量避免指数曲线与近似直线过渡部分。经拟合，近似直线部分拟合结果的校正决定系数为０指数衰减部分拟合结果的．９９９６２， 校正决定系数为０实测数据．９８９１４。可见， 与理论分析数据符合较好。由于电压接近零时的噪声干扰较大，指数衰减部分校正决定系数稍小。
通过拟合可知，在１．５ＭＰａ的充氙电离室。可知，离子的漂移时间为１电离内，．１２５ｍｓ室极间距为２ｍｍ时，氙离子在１．５ＭＰａ的氙／。气中的漂移速度为１７７．８ｃｍｓ
子目前尚未见报道。因此，本工作的测量结果与文献［的差异还需做进一步实验研究与６］分析。
４８０原子能科学技术 第４７卷
（：增刊）４０１３９１４１．－
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５ 结论
离子漂移速度的测量是研究离子在气体中漂移运动特性的前提与基础。对１．５ＭＰａ氙气中氙离子漂移速度的测量分析表明，本文提出的利用脉冲Ｘ光机与数字示波器进行高压气体中离子漂移速度测量的方法是一种能测量高气体压强条件下离子漂移速度的简便、直观、有效的方法。参考文献：
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