1、射線射線(shxin)與物質的相互作用與物質的相互作用 具有一定動能的射線會與物質(wzh)發生相互作用，叫做致電離輻射。 第一節概述 第二節重帶電粒子與物質(wzh)的相互作用 第三節快電子與物質(wzh)的相互作用 第四節射線與物質(wzh)的相互作用 第五節中子與物質(wzh)的相互作用第1頁/共71頁第一頁，共71頁。第一節概述第一節概述(i sh) 一致電離輻射的種類 二彈性碰撞(pn zhun)和非彈性碰撞(pn zhun) 三帶電粒子在物質中的慢化第2頁/共71頁第二頁，共71頁。一、致電離輻射的種類一、致電離輻射的種類(zhngli) 帶電粒子輻射 非帶電粒子輻射 快電子：，；

2、 電磁輻射：、射線； 重帶電粒子 中子 n； 致電離輻射：能量(nngling)大于10eV量級的射線。我們以后提到的“輻射”或“射線”，均指“致電離輻射”。TdP, e 第3頁/共71頁第三頁，共71頁。二彈性二彈性(tnxng)碰撞和非彈性碰撞和非彈性(tnxng)碰撞碰撞 相互作用過程中，滿足能量守恒：EMVmvMVmv2 2 2221212121 當E = 0時，彈性(tnxng)碰撞； 當E 0時，非彈性(tnxng)碰撞； E 0時，為第一類非彈性碰撞，如入射粒子(lz)與處于基態的核碰撞，且使核激發； E 0時，為第二類非彈性碰撞，如入射粒子(lz)與處于激發態的核碰撞。 帶電粒

3、子通過庫侖力與物質發生相互作用。第4頁/共71頁第四頁，共71頁。三帶電粒子在物質三帶電粒子在物質(wzh)中的慢化中的慢化載能帶電粒子在靶物質中的慢化過程，可以分為四種過程，其中前兩個過程是主要的： (1)電離損失帶電粒子與靶物質原子中核外電子的非彈性碰撞過程。 入射帶電粒子與核外電子的庫侖作用，使電子獲得能量引起(ynq)： 電離核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子，主要發生在最外層電子。電子。 激發使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子處于激發狀態，退激發光。電離損失是帶電粒子在物質中損失動能的主要方式。第5頁/共71頁第五頁，共71頁。三帶電粒子在物質三帶電粒子在物質(wz

4、h)中的慢化中的慢化(2) 輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性(tnxng)碰撞過程。 入射帶電粒子速度和方向發生變化，同時(tngsh)發射韌致輻射。輻射損失是輕帶電粒子損失動能的一種重要方式。(3) 帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞 入射粒子不輻射光子，不激發原子核，方向偏轉； 入射粒子損失一部分動能，靶核得到反沖。 叫做核碰撞損失，核阻止； 主要對低能重離子入射。第6頁/共71頁第六頁，共71頁。三帶電粒子在物質三帶電粒子在物質(wzh)中的慢化中的慢化(4) 帶電粒子與靶原子中核外電子(h wi din z)彈性碰撞 與電子的庫侖(kln)作用，使入射粒子方向偏轉； 入射粒子損失一部分動能

5、，但能量轉移很小，電子能量狀態不發生改變。 100eV以下的粒子才需考慮。第7頁/共71頁第七頁，共71頁。第8頁/共71頁第八頁，共71頁。第二節重帶電粒子與物質第二節重帶電粒子與物質(wzh)中的相互作用中的相互作用一電離損失率二重帶電粒子的射程特點：重帶電粒子均為帶正電荷離子；主要通過電離損失而損失能量，同時使介質原子電離或激發；其運動徑跡(jn j)近似為直線。 與核外電子的非彈性(tnxng)碰撞； 與原子核的非彈性(tnxng)碰撞。第9頁/共71頁第九頁，共71頁。一、電離一、電離(dinl)損失率損失率能量損失率： 入射帶電粒子在物質中經過單位路程(lchng)損失的能量。ra

6、dionradiondxdEdxdESSdxdES 有：電離(dinl)損失率，輻射損失率。對于重帶電粒子，也叫線性阻止本領。ioniondxdESS第10頁/共71頁第十頁，共71頁。一、電離一、電離(dinl)損失率損失率假設：（1）物質原子(yunz)的電子可以看成是自由的(入射粒子的動能大于大于電子的結合能)。 （2）物質原子(yunz)的電子可看成是“靜止”的。 （3）由于碰撞中入射粒子傳給電子的能量比自身能量小得多，可認為在碰撞后入射帶電粒子仍按原方向運動。 根據量子理論，并考慮了相對論修正。推導出來的重帶電粒子電離能量損失率的精確表達式稱為Bathe-Block公式： 第11頁/

7、共71頁第十一頁，共71頁。一、電離一、電離(dinl)損失率損失率Bathe-Block公式(gngsh)： NBvmezdxdEion20424ZCIvmZB2220)1ln(2ln式中：z 為入射帶電粒子電荷數； Z 為靶物質原子的原子序數； N 為靶物質單位體積中的原子數； v 為入射帶電粒子速度(sd)； I 為靶物質平均等效電離電位； m0 為電子靜止質量； =v/c 為重粒子速度(sd)與真空中光速之比。第12頁/共71頁第十二頁，共71頁。一、電離一、電離(dinl)損失率損失率Bathe公式(gngsh)的幾點討論：例如(lr)，1MeV的p與2MeV的d，z相同，v相同；S

8、相同。1、S與入射粒子質量無關，只與電荷z及速度v有關。)()(0021vSvSmm221121mESmESmm2、S與入射粒子的電荷平方z2成正比，)()(02220211vSzzvSmm例如，相同速度的p與，S=4Sp 。第13頁/共71頁第十三頁，共71頁。一、電離一、電離(dinl)損失率損失率3、S與靶物質的電子密度NZ成正比，NZS Z吸收(xshu)材料原子序數高、材料密度大的材料其阻止本領大。 4、S與v2的關系(gun x) v2較小，S 1/v2 ； v2較大，相對論效應，對數項增大，S上升 ； v2很小，電荷交換效應，俘獲； v2極小，核阻止作用。第14頁/共71頁第十四

9、頁，共71頁。一、電離一、電離(dinl)損失率損失率圖中，b部分(b fen)代表非相對論狀況，c部分(b fen)代表相對論狀況。a部分(b fen)是入射粒子能量很低時的情況。第15頁/共71頁第十五頁，共71頁。第16頁/共71頁第十六頁，共71頁。第三節快電子第三節快電子(dinz)與物質的相互作用與物質的相互作用 特點(tdin)： 1、運動(yndng)速度大； 2、電離損失，輻射損失； 3、碰撞中能量轉移大，方向改變大(散射嚴重)。 快速電子：e ， 。 一能量損失率 二吸收與射程 三正電子與物質的相互作用第17頁/共71頁第十七頁，共71頁。一、快電子一、快電子(dinz)的

10、能量損失率的能量損失率 對于快速電子，考慮(kol)相對論效應時的電離損失率：BvmNZedxdEion20422222201122ln)1 (2lnIEvmB22211811快速電子(dinz)在物質中穿透本領比重帶電粒子大得多。第18頁/共71頁第十八頁，共71頁。一、快電子一、快電子(dinz)的能量損失率的能量損失率 快速電子損失(snsh)能量的方式：電離損失(snsh)，輻射損失(snsh)。在單位路程上通過輻射損失的能量(nngling)叫做輻射損失率：312ln137) 1(4204204cmEEcmeZNZdxdErad 輻射損失的方式是發出韌致輻射。帶電粒子穿過物質時受到物

11、質原子核的庫侖作用，速度大小和運動方向都發生變化，這時伴隨發射電磁波。稱之為軔致輻射。 第19頁/共71頁第十九頁，共71頁。一、快電子一、快電子(dinz)的能量損失率的能量損失率 結論(jiln)：1、輻射損失率與入射粒子質量m的平方成反比。 所以，重帶電粒子的輻射損失可以忽略不計；僅對電子才重點(zhngdin)考慮。 2、輻射損失率與靶物質NZ2成正比。當電子能量高以及吸收材料原子序數大時，輻射損失更顯著。為吸收、屏蔽射線時不宜選用重材料。但為獲得強的射線，則用重材料如鎢作為靶材料。 3、輻射損失率與入射粒子能量E成正比。第20頁/共71頁第二十頁，共71頁。一、快電子一、快電子(di

12、nz)的能量損失率的能量損失率 快速電子總的能量(nngling)損失：radiondxdEdxdEdxdE 入射電子能量高，輻射損失起主要作用(zuyng)； 入射電子能量低，電離損失起主要作用(zuyng)。700)()(ZEdxdEdxdEionrad例如：靶物質Pb，Z=82，當Ee9MeV，兩者相當。第21頁/共71頁第二十一頁，共71頁。二、吸收二、吸收(xshu)與射程與射程 快速(kui s)電子在物質中有散射現象。 大于90的散射叫做反散射。吸收： 電子束通過(tnggu)一定厚度的物質時，強度減弱的現象。特點： 電子的路程遠大于射程； 電子的射程有較大歧離。第22頁/共71

13、頁第二十二頁，共71頁。二、吸收二、吸收(xshu)與射程與射程 1、單能電子束的吸收(xshu)最大吸收(xshu)厚度R0第23頁/共71頁第二十三頁，共71頁。二、吸收二、吸收(xshu)與射程與射程 2、 射線(shxin)的吸收teII0REmax由于放射性同位素源發射的粒子的能量是從零到最大能量連續分布的。其吸收衰減(shui jin)曲線恰好具有近似指數的形式，在半對數坐標中近似為直線。第24頁/共71頁第二十四頁，共71頁。二、吸收二、吸收(xshu)與射程與射程 第25頁/共71頁第二十五頁，共71頁。二、吸收二、吸收(xshu)與射程與射程 3、射線(shxin)在鋁中的射

14、程典型物質中射線(shxin)的射程： Ge ：REmax ， (mm, MeV) Al ：R2Emax ， (mm, MeV) Air ：R400Emax ，(cm, MeV) 對比：4MeV 在空氣中的射程約為2.5cm。38. 1max407. 0ER 當 0.15MeVEmax0.8MeV 時，MeV),g/cm(2133. 0542. 0maxER當0.8MeVEmax3MeV 時，MeV),g/cm(2第26頁/共71頁第二十六頁，共71頁。二、吸收二、吸收(xshu)與射程與射程 4、反散射(snsh) 入射電子在物質中發生大角度偏轉，又從入射表面發射(fsh)出來。定義： 反散

15、射系數，0II E小，大； Z大，大。第27頁/共71頁第二十七頁，共71頁。三、正電子與物質三、正電子與物質(wzh)的相互作用的相互作用 對電子與物質相互作用的全部規律都適用(shyng)于正電子與物質相互作用過程。正電子在吸收體中的徑跡類似于負電子的，其能量損失率及射程也與初始能量相同的負電子相同。 正電子在物質中也會發生電離(dinl)損失、輻射損失。 處于熱能的正電子會與吸收物質中的電子發生正電子湮沒。20212cmhhchch21keV5112021cmhh第28頁/共71頁第二十八頁，共71頁。第29頁/共71頁第二十九頁，共71頁。第四節第四節射線射線(shxin)與物質的相互

16、作用與物質的相互作用 光子(gungz)不帶電； 光子與電子或原子核存在電磁(dinc)相互作用， 在一次作用中損失全部能量或大部分能量。 射線是能量很高的電磁波，具有波粒二象性。 一光電效應 二康普頓散射 三電子對效應 四 射線的吸收第30頁/共71頁第三十頁，共71頁。一、光電效應一、光電效應(un din xio yng)光電效應(un din xio yng)特征：ieBhE1、光電子動能等于光子能量與結合能之差：通常，hBi所以，hEe 光子(gungz)與一個原子作用，把能量全部交給原子，使一個束縛電子從原子中發射出來，光子(gungz)消失。入射光子與內層電子發生光電效應的幾率較

17、大。第31頁/共71頁第三十一頁，共71頁。一、光電效應一、光電效應(un din xio yng)2、光電效應伴隨(bn su)有特征x射線和Auger電子。 從內殼層打出電子，原子處于激發態。原子退激過程： 發出(fch)特征x射線， 發出(fch)Auger電子。3、光電截面ph的主要特征光子與物質原子發生相互作用時發生光電效應的概率用“光電效應截面”來表示，簡稱“光電截面”。第32頁/共71頁第三十二頁，共71頁。一、光電效應一、光電效應(un din xio yng)527527204132ZhZhcmthKph當當hvm0c2hvm0c2，即相對論情況，即相對論情況(qngkung

18、)(qngkung)其中， =1/137,稱為Thomson截面。220238cmeth5ZKph127)()(hhKph第33頁/共71頁第三十三頁，共71頁。一、光電效應一、光電效應(un din xio yng)總光電截面(jimin)ph ：MphLphKphph光電效應主要發生在K殼層上：phKph54吸收(xshu)邊(限)第34頁/共71頁第三十四頁，共71頁。一、光電效應一、光電效應(un din xio yng)結論(jiln)：（1）phZ5。對于選擇探測器的探測介質時采用高原子序數材料，一提高探測效率。對防護、屏蔽射線時同樣采用高Z材料。（2）光電效應截面隨入射光子能量增

19、加而減小。第35頁/共71頁第三十五頁，共71頁。一、光電效應一、光電效應(un din xio yng)4、光電子的角分布 入射能量(nngling)增加，最大截面向小角度方向移動。 在 =0和 =180方向上沒有(mi yu)觀察到光電子。第36頁/共71頁第三十六頁，共71頁。二、康普頓散射二、康普頓散射(snsh) 散射光子，散射角 ； 反沖電子(dinz)，反沖角 。與原子(yunz)外層電子的散射， “自由電子”； 光子的一部分能量交給電子，使電子從原子中發射出來，光子的能量和方向發生改變。軌道電子速度遠小于光速， “靜止電子”。 散射光子還可繼續發生Compton散射和光電效應。

20、第37頁/共71頁第三十七頁，共71頁。二、康普頓散射二、康普頓散射(snsh)1、能量與角度(jiod)關系未知數：h，Ee ， ， 。根據能量守恒：220201cmhcmhcos1cos20cmchch根據動量守恒：sin1sin20cmch第38頁/共71頁第三十八頁，共71頁。二、康普頓散射二、康普頓散射(snsh)聯解得到(d do)康普頓移動：)cos1 (202cmhhh解得：)cos1 (120cmhhh)cos1 (120hcmhhhEe2120tgcmhctg第39頁/共71頁第三十九頁，共71頁。二、康普頓散射二、康普頓散射(snsh)2、結論(jiln)(1) 散射光子

21、和反沖電子的能量是連續的。 大，Ee大，h小； 小，Ee小，h大。(2) 幾種(j zhn)特殊情況： =0，h=h ； =，h= (h)min ； 大于150以后， h 200keV，形成反散射峰。第40頁/共71頁第四十頁，共71頁。二、康普頓散射二、康普頓散射(snsh)(3) 散射角與反沖角存在(cnzi)一一對應的關系。(4) 當h m0c2時，Ee h 。第41頁/共71頁第四十一頁，共71頁。二、康普頓散射二、康普頓散射(snsh)康普頓散射(snsh)總截面：dddecce,dddecce,整個原子的康普頓散射總截面：cecZ當h m0c2時，212ln202020cmhhcm

22、rZc第43頁/共71頁第四十三頁，共71頁。二、康普頓散射二、康普頓散射(snsh)反沖電子(dinz)能量分布：eeeedEddddEd與入射光子能量(nngling)h相差200keV。康普頓邊緣：hcmhEe2120eedEddd康普頓坪連續分布。第44頁/共71頁第四十四頁，共71頁。三、電子對效應三、電子對效應(xioyng)電子對效應(xioyng)的特征： 光子從原子核旁經過，在核的庫侖場作用下，光子轉化成為正負電子對。1、能量(nngling)關系 從能量守恒：202cmEEhee202cmh電子對效應發生的條件：)2(0,20cmhEEee電子動能范圍：第45頁/共71頁第

23、四十五頁，共71頁。三、電子對效應三、電子對效應(xioyng)2、電子對效應必須在有原子核參加(cnji)時才能發生。 在電子的庫侖場中也可以發生電子對效應：204cmh3、電子對效應之后(zhhu)伴隨正電子湮沒。 原子核帶走多余的動量，又不帶走過多的動能。20212cmhhchch21keV5112021cmhh第46頁/共71頁第四十六頁，共71頁。三、電子對效應三、電子對效應(xioyng) 如果吸收物質足夠(zgu)大，吸收的總能量為：202cmEEEee正負電子來自(li z)何方？ 不是從原子核中釋放的； 如果一個湮沒光子從吸收物質逃逸，2020cmhcmEEEee 如果兩個湮

24、沒光子都從吸收物質逃逸，202cmhEEEee 也不是來自原子中的電子軌道； 是射線轉化而來，是物質不同形態的轉化。h第47頁/共71頁第四十七頁，共71頁。三、電子對效應三、電子對效應(xioyng)4、截面(jimin) 當入射光子能量不同時，各種( zhn)作用截面不同；)ln()(22hZhZp202cmh202cmh 當 h m0c2 時，三種作用都可能發生，入射光子與物質原子作用的總截面為：pcph第48頁/共71頁第四十八頁，共71頁。小結小結(xioji)：（1 1）作用截面與吸收物質原子序數）作用截面與吸收物質原子序數(yunz xsh)(yunz xsh)的關系的關系5Zp

25、h Zc 2Zp 總體來說，吸收物質原子序數越大，各相互作用截面總體來說，吸收物質原子序數越大，各相互作用截面(jimin)(jimin)越越大，其中光電效應隨吸收物質原子序數變化最大，康普頓散射變化大，其中光電效應隨吸收物質原子序數變化最大，康普頓散射變化最小。最小。光電效應光電效應康普頓散射康普頓散射電子對效應電子對效應第49頁/共71頁第四十九頁，共71頁。小結小結(xioji)：（2）三種相互作用截面與）三種相互作用截面與 能量能量(nngling)的關系的關系2/ 7)/ 1 (hvph 光電效應截面光電效應截面隨隨入射光子能量增入射光子能量增加而減小，開始加而減小，開始時變化劇烈，

26、后時變化劇烈，后基本成反比?；境煞幢取?(Khv )/ 1 ( hvph )(20cmhv hvp )52(2020cmhvcm hvpln )505 (2020cmhvcm 電子對效應截面電子對效應截面隨入射光子能量隨入射光子能量增加而增加，只增加而增加，只有光子能量大于有光子能量大于1.022MeV1.022MeV才能發才能發生。生。thhvc 0hvhvcln )(20cmhv 康普頓散射截面康普頓散射截面開始基本為常數，開始基本為常數，隨入射光子能量隨入射光子能量增加而減小，減增加而減小，減小比光電效應緩小比光電效應緩慢。慢。)(20cmhv 第50頁/共71頁第五十頁，共71頁。小

27、結小結(xioji)：（2）三種）三種(sn zhn)相互作用與相互作用與 能量的關系能量的關系第51頁/共71頁第五十一頁，共71頁。小結小結(xioji)：hBhEie)cos1 (120hcmhEe(3)次電子(dinz)能量光電效應： 康普頓散射(snsh)效應： 電子對效應： 202cmhEEEee第52頁/共71頁第五十二頁，共71頁。小結小結(xioji)：（4）三種）三種(sn zhn)相互作用的生成物相互作用的生成物光電效應(un din xio yng)：光電子；特征X射線，俄歇電子?？灯疹D效應：散射光子，反沖電子。電子對效應：正、負電子，湮沒光子。（5）三種相互作用的相對

28、重要性）三種相互作用的相對重要性 低能、高Z，光電效應占優勢； 高能、高Z，電子對效應占優勢； 中能、低Z，康普頓散射占優勢。第53頁/共71頁第五十三頁，共71頁。小結小結(xioji)：第54頁/共71頁第五十四頁，共71頁。第55頁/共71頁第五十五頁，共71頁。第五節中子第五節中子(zhngz)與物質的相互作用與物質的相互作用中子的分類(fn li)： 慢 中 子：E1keV，其中：熱中子E0.0253eV； 中能中子：E1100keV； 快 中 子：E0.120MeV；慢中子(En100keV)與核發生相互作用： 轉移給核的動能較大，反應截面很小，測反沖核。中子主要通過核反應或彈性散

29、射產生重帶電粒子。第56頁/共71頁第五十六頁，共71頁。中子中子(zhngz)與物質的相互作用與物質的相互作用 1、中子在核能(hnng)釋放過程中起著關鍵的作用； 2、中子技術在應用領域有很大發展； 3、中子不帶電，與原子核發生相互作用不受庫侖位壘的阻擋。中子(zhngz)與物質的相互作用是與原子核的相互作用。中子探測的基本方法： 核反應、核反沖、核裂變、活化。中子探測的特殊地位：第57頁/共71頁第五十七頁，共71頁。一、核反應法一、核反應法 利用中子產生的發射帶電粒子核反應，記錄帶電粒子引起的電離現象(xinxing)就可以探測中子。主要探測中子的強度，也可探測快中子的能譜。 能利用的

30、發射帶電粒子核反應需要反應截面較大。1、MeV(93.9%)31. 2MeV(6.1%)792. 2*7710LiLiBnMeV478. 07*7LiLi 天然(tinrn)硼中10B的含量為19.8%，易濃縮，應用最廣。b)93837(0第58頁/共71頁第五十八頁，共71頁。一、核反應法一、核反應法 反應能最大，有利于區分中子(zhngz)與信號。 天然鋰中6Li的含量為7.5%，高濃縮鋰價格昂貴。2、MeV786. 436HLinb)4940(0 反應截面最大； 反應能最小，不利于區分中子和信號； 天然(tinrn)氦中3He的含量很低，只有1.4104 %。 3、MeV764. 033

31、pHHenb)75333(0第59頁/共71頁第五十九頁，共71頁。一、核反應法一、核反應法4、MeV627. 01414pCNnb9 . 10 反應能和反應截面都小， 用作對含氫正比(zhngb)計數器進行能量刻度。 Elog21log三種截面與能量的關系： vE11得到截面的1/v定律： 第60頁/共71頁第六十頁，共71頁。二、核反沖法二、核反沖法在彈性散射中： 中子的能量和方向發生改變； 原子核獲得一定的動能，不改變內部狀態(zhungti)，叫做反沖核。 反沖核是運動的帶電粒子。 通過記錄帶電粒子來探測(tnc)中子，叫做核反沖法。 核反沖法主要用于快中子探測(tnc)。EEnN單位

32、時間單位面積內的反沖核數目：dNsMME上式：中子通量密度，散射截面，靶原子(yunz)密度，靶厚度。第61頁/共71頁第六十一頁，共71頁。二、核反沖法二、核反沖法當中子能量E30MeV時，22cos)(4nnMmMMmEE 常選用石蠟、聚乙烯、水等材料作為中子(zhngz)慢化劑； 選用輕核作為中子(zhngz)探測器和靶材料，如塑料閃爍體、有機液體閃爍體等。2cosEEp反沖質子法： 由動量守恒關系，在一次反沖中，反沖角度范圍：900第62頁/共71頁第六十二頁，共71頁。二、核反沖法二、核反沖法當 = 0時，EEp反沖核的選擇：1、輕核反沖動能大；2、彈性散射截面(jimin)大；3、

33、截面(jimin)與中子能量的變化關系平滑；4、反沖核的角分布函數簡單。當 = 10時，EEp97. 0第63頁/共71頁第六十三頁，共71頁。二、核反沖法二、核反沖法 當 = 0時， Ep=E ； 當 = 90時，Ep=0 。EEPp1)( 單能中子入射時的反沖質子能譜分布： 實際測量(cling)中從反沖質子能譜推得中子能譜。dEdnpdEdpEpEEpEP(Ep)1/E0 Ep 處的反沖質子(zhz)能譜值是Ep Emax的中子產生的反沖質子(zhz)能譜的疊加。EpEmax第64頁/共71頁第六十四頁，共71頁。三、核裂變法三、核裂變法 中子(zhngz)與重核作用，誘發核裂變； 裂變碎片是重帶電粒子