实验三 盖革-弥勒计数器及核衰变的统计规律
盖革-弥勒（G-M）计数器是气体探测器的一种，用来测定射线强度，即单位时间的粒子数目，近年来随着闪烁探测器及半导体探测器的发展，其重要性有所下降，但由于它设备简单，使用方便，在有关的放射性测量中仍在广泛使用。本实验的目的，一是掌握G-M计数器工作基础，测定其有关特性，学会使用；二是以G-M计数器为测试设备，验证核衰变的统计规律；三学会使用放射性测量结果的误差表示法，学会多次测量结果的误差计算及测试时间的选择。
[实验原理]
一、G-M计数器的工作原理及其特性
1. 计数管的工作原理
G-M计数器由G-M计数管、探头盒、高压电源、定标器组成，如图3-1。
图3-1
图 3-2
G-M计数管有各种不同的结构，最常见的为长圆柱型
计数管和钟罩型
型计数管见图3-2，它们都由圆筒状的阴极和装在轴线上阳极丝共同密封在玻璃（或金属）管内而组成。管内充以一定量的惰性气体（氦、氖等）和少量猝灭气体。管装有薄云母窗，目的在于让粒子易于穿入。
计数管工作时，在计数管阳极加上直流高压，则在计数管的阳极与阴极（接地）之间形成径向对称分布电场。设阳极丝的半径为a，圆筒状阴极半径为b，阳极与阴极间电压为V。在离计数管轴距离为r处的场强（
）为：
（3.1）
其电场分布与r成反比关系，如图3-3所示。
图3 -3 计数管内电场径向分布
由图可见场强大小在阳极丝附近陡增。如V=1000伏，a=
厘米，b=厘米处场强为4.52
伏/厘米。
当射线进入管内，与管壁或气体分子相互作用引起管内的气体电离，所产生的负离子（实际上即是电子）在电场加速下向阳极运动，在达到阳极之前与气体分子发生多次碰撞，打出很多次级电子，这些电子也在电场加速下向阳极运动，与气体分子发生碰撞打出更多的次级电子，这样就引起了所谓“雪崩”放电。在雪崩过程中，由于受激原子的退激和正负离子的复合将发射大量光子，在充有猝灭气体的计数管中，这些光子将主要为猝灭气体分子所吸收，同时使雪崩区沿着丝级向两端扩展而导致全管放电，最后就有大量的电子达到阳极。由于计数管内电场是柱状对称的，在阳极附近电场最强，极大多数的次级电子都是在阳极附近产生的。当电子很快到达阳极后，由于正离子质量较大，运动速度很慢，于是就在阳极周围形成一层“正离子鞘”，阳极附近的电场随着“正离子鞘”的形成而逐渐减弱，以致使新电子无法再增殖，放电便终止了。此后“正离子鞘”在电场的作用下漫漫移向阴极，最后到达阴极被中和。计数管可以看作一个电容器，放电前加了高压，于是在两极上就带有一定量的电荷，放电后电子和正离子中和掉电极上的一部分电荷，使阳极电位降低，于是电源电压就通过高电阻R向计数管充电，使阳极电位逐渐恢复，在阳极上就得到一个负的电压脉冲。负脉冲的幅度与电源电压以及电阻R的大小有关，电压高则负脉冲的幅度高；电阻大，脉冲的宽度较大，幅度也较高。
因为放电后正离子打到阴极上会打出电子来，被打出的电子经过电场加速又会引起计数管放电。这样，只要有一个放射性粒子进入，就会引起计数管连续不断的放电。为了使一个放射性粒子引起放电后只计一次数，必须设法使放电猝灭。通常的办法是在计数管内除充惰性气体外，还加入少量能使放电猝灭的其他气体。猝灭气体的分子具有多原子的结构，其电离电位较低。当计数管放电后，惰性气体的正离子在向阴极运动的途中与猝灭气体分子相碰，就把电荷转交给猝灭气体分子，所以达到阴极时几乎是猝灭气体的正离子，它们在阴极中和时分解成小分子，而不打出次级电子，不会再引起第二次放电，于是放电被猝灭。计数管按其所充猝灭气体的性质，可以分为充有机气体（如酒精蒸气、乙醚蒸气等）的有机管和充卤素（如溴蒸气）的卤素管两类。
二、计数管的特性
1. 坪特性——包括起始电压、坪长、坪斜等
当射入计数管的粒子数目不变时，改变计数管两极间所加高压值，发现由定标器计得的计数率（单位时间内计数）是变化的，如图3-4的曲线。曲线中间有一段平坦部分，所以将它叫做“坪特性曲线”。平坦部分BC区称为“坪区”或“盖革区”，U0称为起始电压，△U=U2—U1称为坪长。坪区内，电压每升高一伏（或百伏）时，计数率增加的百分数称坪斜，即
每伏]
（3.2）
图3-4
