應用網絡分析法分析正比計數管輸出電壓

摘 要：研究了將正比計數管等效為電流源后，應用時域分析中常用的卷積積分的方法，分析含正比計數管的網絡的輸出電壓。此法不但有利于通過網絡分析的概念理解這一物理過程，而且便于計算正比計數管的輸出電壓或電流。所得的輸出電壓的表達式與應用其他方法所得出的結果相同，因此可根據輸出電壓的波形與電路時間常數的關系，選擇時間常數以確定輸出脈沖寬度，使正比計數管適用于不同的計數率。

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關鍵詞：正比計數管;電流源;網絡分析;計數率

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0112702

Analysis about Output Voltage of Proportional Counter Tube Using Network Analytical Method

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LIU Jiahua，ZHOU Huanyin，FANG Zongliang

(College of Chemical Defense，Beijing，102205，China)

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Abstract：This paper studies on the convolution integral which is often used in time domain analysis through equivalent transforming proportional counter tube to current source，and analyzes output voltage of network containing proportional counter tube.This method not only comprehends network analytical method more easily but also calculates the voltage and current of the proportional counter tube more conveniently.Because the formula of output voltage is the same as the one using other methods，the pulse width can be ascertained by choosing time constant based on the relation between voltage and current，and the proportional counter tube can be applied to different count ratio.

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Keywords：proportional counter tube;current source;network analysis;count ratio

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1 引 言

在核輻射測量中，正比計數管的作用是將輻射粒子轉變為電脈沖，為了用脈沖放大器放大由正比計數管輸出的電壓脈沖uo(t)，需要研究uo(t)的形狀(前沿、幅度、后沿)。uo(t)的形狀由兩方面因素決定:首先是由正比計數管的結構、所充氣體的性質、管內的電場強度等內部因素決定；其次是由與正比計數管連接的電阻和電容所決定。正比計數管與脈沖放大器的連接電路如圖1所示。

其中CP為正比計數管G的極間電容，Ca為分布電容，Cg為耦合電容，Ci為脈沖放大器的輸入電容，RL為正比計數管的負載電阻，Ri為脈沖放大器的輸入電阻。要根據決定uo(t)波形的兩方面因素求出uo(t)，可將正比計數管等效成一個電流源。

2 將正比計數管等效為一個電流源

入射粒子在正比計數管中產生的N對初始離子對，在管內電場的作用下，分別向兩極漂移。初始離子對中的電子，向電場強度很大的絲極附近漂移，與氣體分子碰撞引起電離而產生出AN對離子對。離子對中的電子瞬即漂移到絲極，對輸出電流ip貢獻不大(＜10％)。輸出電流ip主要由碰撞電離產生的正離子從絲極漂向陰極圓筒而產生。每當入射粒子進入正比計數管就產生如下電流ip(t)^[1]：



式中μ+為正離子遷移率，P為正比計數管充氣氣壓，Vo為正比計數管兩極間電壓，b為正比計數管陰極圓筒半經，a為正比計數管絲極半經，e為電子電荷，(Tp)m為正離子收集時間。

由式(1)可看出，ip(t)只與正比計數管的內部因素μ+，P，Vo，b，a，(Tp)m，A和Ne有關。Ne與入射粒子能量有關，而與外電路無關。又由于ip很小，在Ro，Co上產生的電壓很小，一般為01~10 mV，而正比計數管的外加工作電壓Vo常在幾百伏以上，所以信號電壓uo對工作電壓Vo的影響不大，故認為正比計數管極間電壓近似等于外加工作電壓Vo，也即ip(t)不受外電路變化的影響。所以根據電流源的性質，可以把正比計數管看成一個電流源。

3 用卷積積分分析[WTHX]uo(t)[WTBZ]

當把正比計數管等效為一個電流源后，由于ip(t)為尖頂窄脈沖，故圖1所示電路的瞬態輸出電路可等效為電流源與Ro和Co并聯電路，如圖2所示。

式中“*”為卷積分符號，hi(t)為Ro，Co并聯電路的沖激響應。下標i表示由沖激電流源δi(t)引起圖2電路中Co上的沖激電壓響應。

4 討 論

可見，隨著t的增加，|uo(t)|起初增加很快，當t=1 μs時，即近似得到|uo(t)|最大值ANeCo的40％，然后非常緩慢地增加，大約經過1 ms，才趨近于極大值ANeCo。

時，即達到ANeCo×0338，但是，當|uo(t)|增加到一定值后，隨著t增加，|uo(t)|卻緩慢減少，甚至幾毫秒后，|uo(t)|才趨于零。因此在實際應用時，就可根據圖3所示uo(t)波形與RoCo的關系，選擇時間常數(RoCo)較小的微分電路，以變窄輸出脈沖寬度，使正比計數管能用于高計數率，同時又保證脈沖幅度仍與原電離成正比。

參 考 文 獻

［1］王經瑾.核電子學[M].北京:清華大學出版社，1986.

［2］吳治華.原子核物理實驗方法[M].北京:原子能出版社，1997.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”