双栅极空气计数器猝熄脉宽算法

　　为了对空气中低能电子(外逸电子、光电子等)进行准确有效地计数,在研究盖革弥勒计数器(GMC)的基础上,设计了一种改进型双栅极空气计数器(DGAC)[1,2]。所谓的双栅极:一个是围绕阳极的栅极为猝熄栅极,用于熄灭放电;另一个是装在猝熄栅极与试件间的栅极为抑制栅极,主要用于防止正离子轰击试件。放电的熄灭和正离子的抑制是靠加在猝熄栅极和抑制栅极上的正脉冲完成的[3,4]。猝熄时间过长则增加计数器的死时间,增加漏计数。过短则放电熄灭不彻底,容易造成误计数。因此,脉冲宽度(即猝熄时间)是一个极其重要的参数。本文在分析DGAC工作物理过程基础上,提出了猝熄脉冲宽度的新算法。算例结果表明,该算法不仅与实验数据完全一致,而且为DGAC控制电路的设计提供了可靠的理论依据。

　　1　DGAC放电工作原理

　　DGAC的结构如图1所示。阴极通过电阻R接高压电源。G1为猝熄栅极,初始电压为+ 100 V;G2为抑制栅极,初始电压为+80 V。

　　低能电子由试件发射,在两个栅极和阳极形成电场的作用下向计数器内运动。由于阳极附近电场强度足够大,电子在一个平均自由程内获得足够的能量使气体电离。控制阳极工作电压,计数器工作在GM区,一次放电生成约107个正离子电子对。正离子和电子分别顺着和逆着电场方向运动,在阳极上感应出脉冲,如图2所示。当电子运动速度加快时,则形成脉冲的线性部分。如果不加限制,阳离子到达阴极后又会放出二次电子,引起多次放电。利用第一次放电脉冲的线性段,通过隔直电容C引入控制电路。控制电路在放电脉冲的作用下,在G1、G2上分别施加+400 V和-30 V的电压。猝熄栅极电压的迅速升高降低了阳极附近的电场强度,从而使放电很快熄灭。正离子绝大多数在猝熄栅极被中和。少数穿过猝熄栅极,被加有-30 V电压的抑制栅极所吸收。当放电完全被熄灭后,恢复初始工作状态,以待重复上述过程。通过有效地记录放电脉冲数目,则可准确地检测从试件发射的低能电子数目。

　　2　猝熄物理过程

　　猝熄脉冲宽度是计数器工作过程中一个关键参数,直接关系到猝熄的效果。空气中氧气的电离电位最低,雪崩放电生成的几乎全部为氧正离子,即

　　在猝熄脉冲作用下放电终止,电子很快被阳极吸收。向阴极表面运动,在距阴极表面几埃时,所形成的离子场使金属表面电子克服表面势垒逸出金属表面,与结合成处于激发态的分子

　　激发态的氧分子通过两种方式退激。一种是发射近紫外光光子

　　式中,hv为光子的能量。另一种是通过自身的解离退激

　　而前者发生的概率约为后者的10-3倍[5]。近紫外光光子在阴极表面打出光电子(二次电子)的概率为。因此一个在阴极打出光电子的概念为左右。一次放电约产生个,至少可以打出1个光电子。若此时恢复阳极周围的电场,这些电子将再次引起放电,造成误计数。继续保持猝熄脉冲,这时由于阳极周围电场强度低,计数管工作在正比例区,二次电子虽然还会引起放电,但只产生以下电子正离子对。由于电子数目少,形成的放电脉冲成分只有第一次放电的1/100,不会引起计数。而正离子在阴极表面打出二次电子仅0.01个,即大约100次放电才会产生一次误计数。为防止二次放电正离子轰击试件,抑制脉冲(从而猝熄脉冲)要保持到第二次放电产生的正离子被中和。