盖格计数器的原理分析

文章来源：万象经验 作者：Eugene Wang

盖格计数器是一种核探测器，能够通过某种间接方法检测不同类型的核辐射，例如α粒子、β粒子和伽马辐射，在某些情况下还可以检测中子。这种盖格计数器所基于的原理非常有趣，但在我们深入讲解之前，让我们先讨论这种计数器的结构。

这是一个盖格计数器的一般结构。该结构主要由盖格米勒管组成，它其实是一个中空的金属圆柱体，并且内部含有某种气体介质。气体介质通常由某种惰性气体（如氩气）和其他醇化物组成。

现在，这个金属圆柱体连接到一个非常高电压的电池的负极，因此它充当阴极。通过圆柱体的中心，有一个由钨制成的金属电极，它连接到负载电阻，并再次连接到同一电池的正极。负载电阻上还连接着一个电子装置，它能够检测电阻上发生的电压降，并进行计数。

那么，这个装置是如何对核辐射进行计数的呢？当核辐射进入盖格米勒管中的气体介质时，它会导致电离。什么是电离呢？当一些外部核粒子如α粒子进入材料介质时，它与材料的分子碰撞并将能量传递给它。这些分子或原子最外层的电子吸收了一些能量，如果能量足够大，这些电子将会逃逸出去，从而产生一个正离子和一个自由电子。

我们可以看到，中心钨棒充当阳极，而金属圆柱体充当阴极。在连接到高压电池之下，它们之间会产生很强的电场。当这些正离子和自由电子由某些外部核粒子产生时，它们会受到外部电场的影响：电子会向阳极加速，而正离子会向阴极加速。

现在的情况是，一旦电子被加速到非常高的速度，它还将与位于其他位置的气态分子碰撞，并且这个电子还能够进一步诱导二次电离。因此，我们将得到一个由核粒子诱导电离的自由电子和由该电子二次电离产生的电子。但事情并没有就这样结束，它们还会继续诱导电离，最终产生一种链式反应或雪崩效应，这会在到达中心电极之前沿着路径引起大量电离，这种现象被称为汤森雪崩。

一旦所有这些电子到达中心，它们就会被阳极所吸收，然后它们将沿着电路运动并导致负载上产生压降。负载上的电子设备将会检测到，然后进行计数。现在，这些电子完成了使命，它们会继续沿着电路运动，并与聚集在金属表面的正离子结合以产生中性分子，从而使整个装置恢复到其原始状态。因此，由一个核粒子的存在引起的整个过程将产生一个计数。

从核粒子引起电离，到汤森雪崩的产生，再到电子重新与正离子结合，这个过程需要一点时间。在此过程中，核探测器无法检测到更多的外部粒子，因此在这段时间内，探测器有点死机。只要此过程没有完成，它就无法检测到另外的核粒子，所以这个时间段被称为死区时间。盖格米勒管的死区时间通常约为200到400微秒。

此外，当电子完成电路并与正离子重新结合时，这个过程可能会导致光子的发射。这个光子的能量可能足够高，也能够引起另一种雪崩效应。我们不希望这样的情况发生，因为计数已经完成，我们只想要与外部核粒子相关的计数。

因此，为了防止这种情况发生，需要采取某些措施，这些措施被称为熄淬。其中一种方法是化学熄淬，我们所采用的是将气态介质与某些其他有机化合物（例如酒精）混合。在这种情况下，我们有90%的氩气和10%的酒精。酒精的作用是，每当电子与正离子重新结合时，不是以光子的形式发射多余的能量，多余的能量通常会以振动或旋转的形式释放给附近的酒精吸收。