本文格式為Word版，下載可任意編輯——核輻射物理與探測學復習核輻射物理與探測學復習

注：本提綱中的問題覆蓋范圍并不完備，因此不能完全替代書本復習，僅作參考之用！

一、關于載流子

1)無論是氣體探測器，還是閃爍、半導體探測器，其探測射線的本質都是將射線沉積在探

測器靈敏體積內的能量轉換為載流子。這三種探測器具有不同的載流子，分別是：氣體（），閃爍體（），半導體（）；答：

?氣體：電子－離子對；

?閃爍體：第一個打拿極收集到的光電子；?半導體：電子－空穴對；

2)在這個轉換過程中，每產生一個載流子都要消耗一定的能量，稱之為（），對于三種探測

器來說，這個能量是不同的，分別大約是多少？氣體（），閃爍體（），半導體（）。這個能量是大些好，還是小些好？為什么？答：

?平均電離能；30eV，300eV，3eV；

?這個能量越小越好，由于平均電離能越小，產生的載流子就越多，而載流子的數目

聽從法諾分布，載流子越多則其數目的相對漲落越小，這會導致更好的能量分辯率；3)在這個轉換過程中，射線沉積在探測器中的能量是一個（）變量，而載流子的數目是一個（）變量，載流子的數目是不確定的，它聽從（）分布，該分布的因子越是大些好，還是小些好？為什么？答：連續型變量；離散型變量；法諾分布；法諾因子越小越好，小的法諾因子意味著小的

統計漲落，導致好的能量分辯率；

二、關于探測效率

1)對于不帶電的粒子（如γ、中子），在探測器將射線沉積在其靈敏體積中的能量轉換為載

流子之前，還需要經歷一個過程，假使沒有該過程，則探測器無法感知射線。以γ射線為例，這個過程都包含哪些反應（）？這個過程的產物是什么（）？對于1個1MeV的入射γ射線，請隨便給出一個可能的該產物能量（）？答：

?對于γ射線，這些反應包括光電效應、康普頓散射以及電子對效應（假使γ射線的

能量>1.022MeV）；

?這些反應的產物都是次級電子；

?對于1個1MeV的γ射線，次級電子的能量可以是幾十keV～幾百keV，也可以是接

近1MeV；2)這個過程發生將主要地決定探測器的探測效率，那么影響探測效率（本征）的因素都有

哪些（）？在選擇探測器的時候，為了得到高的探測效率（本征），應當做什么考慮（）？

答：

?影響本征探測效率的因素有：探測器的原子序數、密度、體積、形狀，以及γ射線

的能量，甚至還包括射線射入探測器的位臵、角度；

?在選擇探測器時，為了得到高的本征探測效率，應選中擇那些原子序數高、密度大

的探測器，探測器的體積要大并且探測器的形狀合理（例如正圓柱形）；3)絕對探測效率和本征探測效率的區別是什么？

答：

?絕對探測效率考慮的是對每一個源發射出的粒子，探測器測量到的計數值；?本征探測效率考慮的是對每一個射入探測器的粒子，探測器測量到的計數值。?絕對探測效率是整個探測系統中所有環節的綜合表現；而本征探測效率則主要反映

了探測器的特性；

三、關于能量分辯率

1)能量分辯率是探測器的一項重要指標，但能量分辯率并不是一個特定的量，當我們說某

個探測器的能量分辯率是多少的時候，需要指定條件，這個（些）條件是（）。答：

?需要指定這是對哪個能量說的。譬如，當我們說某個NaI(Tl)探測器的能量是7%的

時候，指的是對662keV的γ射線能量，假使是對于1.33MeV的γ射線，就不再是7%了，而是要小一些；2)能量分辯率是個絕對的概念還是相對的概念（）？

答：

?是個相對的概念，能量分辯率的分子是全能峰的半寬度，分母是全能峰能量的期望

值；3)對于某個確定的探測器，能量分辯率與靈敏體積內沉積能量的關系是什么（）？答：

?假使僅僅考慮載流子的統計性問題，則能量分辯率與靈敏體積內沉積能量的關系是

反比于E的1/2次方；4)雖然我們希望能量分辯率越小越好，但實際上它總是受統計漲落限制的，不可能無限小。

請從載流子的角度描述，這個限制是什么？答：

?一個確定的射線能量經過帶電粒子在探測器內的電離過程，變成了數目不等的載流

子，載流子的的數目聽從法諾分布；當載流子數目的期望值N較大時，它將表現為一個期望值為N，sigma為sqrt(FN)的高斯分布，由此決定的能量分辯率為2.355×sqrt(F/N)；

?這個分辯率是無法再被改善的，是分辯率的極限，實際中還要考慮其它因素對能量

分辯率的影響，因此能量分辯率還要更差。

四、射線與物質相互作用

1)帶電粒子在射入某個物質時，可以與物質發生四種類型的作用，分別是（）？雖然從微

觀上看，帶電粒子與物質發生的每次相互作用的效果是（）的，但是從宏觀上看，我們可以認為帶電粒子在進入介質中之后，一定和介質發生了相互作用。答：

?帶電粒子使原子核外電子電離或激發；帶電粒子受到原子核庫侖力時發生的軔致輻

射；帶電粒子與原子核發生的彈性碰撞；帶電粒子與原子核外電子發生的彈性碰撞（實際相當與整個原子）；

?帶電粒子與物質發生的每次相互作用都是隨機的（例如，碰撞參數不同，導致其傳

遞給電子的能量就是不同的）；2)重帶電粒子與介質發生相互作用的主要類型是（）；假設你是一個α（～5MeV）粒子，當你進入某一個介質并被其阻止時，你是否會知道該介質的原子序數是多少，為什么？隨著進入該介質的深度不斷增加，你的能量將會不斷（），對于某個確定的深度，你的能量也是確定的嗎，為什么？你是否可以確鑿預計你將在哪里停下來，為什么？你在介質中損失能量的同時，也在介質中造成了影響（“乒乒乓乓，有的電子被電離，有的電子被激發??〞），那么隨著你的不斷深入，你在路上觀測到的自由電子是越來越密集，還是越來越稀疏，為什么（不考慮你快要停下來時候的情形）？你的行進道路是曲折的，還是直來直去的，為什么？曾經有一些電子，距離你的路徑是那樣的近，當你從它們身邊擦過的時候，它們被你強勁地拉動了，形成了（）？它們在中止之前又做了些什么？答：

?重帶電粒子與介質發生相互作用的主要類型是電離（激發）；

?假使我是一個α粒子，我無法判斷介質的原子序數，由于盡管電離能量損失率是與

原子序數Z成正比的，但是同時也是與原子密度N成正比的；僅僅通過電離能量損失一項無法判斷Z的大小；

?隨著進入介質深度的增加，能量將會不斷下降；

?在某個確定的深度，α粒子的能量不是確定的。原因是α粒子的能量損失過程是一

個隨機過程，其能量會隨著射程的延伸而表現出能量歧離；不過α粒子能量的期望值是確定的；

?不能確定地預計α粒子將在哪里停下來，同樣是由于能量損失過程的隨機性導致的

射程歧離；

?隨著射程的延伸，α粒子的能量逐漸降低，在單位路徑上交給電子的能量越來越多，

因此看到的自由電子越來越密集（未考慮最終階段）。

?α粒子的徑跡基本是直線，由于α粒子質量遠遠超過電子的質量，α粒子的方向很

難被改變；

?那些碰撞參數很小的電子形成了delta電子，這些電子的能量足夠高，還能接著去

電離；3)快電子與物質發生相互作用的主要類型包括（）和（），二者都可以使快電子的能量損失，

其比例關系是（）。假使你是個快電子，射入了某一個介質，你有無可能告訴我們該介質的原子序數是高還是低，為什么？為什么你看起來像個醉漢，東歪西扭地走路？是什么原因，使你突然發生了接近180度的偏轉？對于α粒子，知道了起始位置和入射方向，其終點位置就差不多確定了，那么對于快電子呢？答：

?快電子與物質相互作用的主要類型為電離（激發）和軔致輻射；二者的比例關系為

EZ/700（軔致輻射能量損失率vs電離（激發）能量損失率）；

?假使是個快電子，進入介質之后，有可能根據兩種能量的損失關系來判斷原子序數

的高低；

?與入射電子發生碰撞的可能是電子，二者質量一致，因此入射電子的方向可能發生

很大的變化；與入射電子發生碰撞的也可能是原子核，高原子序數的原子核提供的強大庫侖力可能會使入射電子發生大角度的反散射；因此電子的徑跡是曲曲折折的；高原子序數原子核對電子的吸引使得電子180度的反散射成為可能；

?對于α粒子來說，入射方向和入射位臵確定，基本終點就可以確定了，但是對電子

是不可能的；4)假使一個α粒子和一個電子同時從坐標（0，0，0）（單位：cm）的位置出發，并也碰巧

都停在了某個介質中的（10，0，0）位置處。問它們各自走了多少路程，α粒子答曰：“10.01cm左右吧！〞電子答曰：“屈指算來，與α粒子相仿也是10cm左右〞。它們的回復是否正確，為什么？答：

?對于α粒子來說，是正確的，由于其射程與路程長度相當；?對于電子來說，不對，它的路程長度遠遠超過射程；

5)在一個半徑為1cm的NaI晶體球的球心處，有一個能量為3MeV的電子想要“跑出去〞，

很不幸，它沒有成功，為什么？假使有10000個這樣的電子被“抓住〞了，那么能否說NaI晶體球內沉積的能量增加了30GeV呢，為什么？答：

?由于3MeV電子的在NaI中的射程僅為～4mm，不足以射出1cm的NaI球；

?由于電子能量可能以軔致輻射的方式損失，而軔致輻射產生的X射線可能穿透NaI

球出去，因此NaI晶體球沉積的能量小于30GeV；6)β射線與單能快電子的區別是什么？當一束β射線射入某種介質時，隨著入射深度的不

斷延伸，我們能夠觀測到的電子數目會越來越少，其減少規律近似地聽從一種規律，是什么（）？答：

?β射線的電子能量是連續的，不是單一的；?這個規律是“指數〞衰減規律；

7)對于不帶電的粒子，我們尋常關心的是γ射線和中子。它們是間接致電離粒子，需要先

通過某些反應變成帶電粒子才可以電離。對于γ射線來說，它能不能和射入的介質發生相互作用是一個（）事件。在射入某個介質之后，它可能和介質中的原子發生三種反應（雖然不局限于此三種，但我們只感興趣這三種），分別是什么？這三種反應的截面與原子序數和能量關系很重要，這個關系是什么？請說出這三種反應的產物及其可能存在的后續反應的產物都是什么？答：

?隨機事件；

?光電效應、康普頓散射、電子對效應（γ射線能量超過1.022MeV）；

?這三種反應的截面與原子序數的關系是Z的5次方、1次方和2次方；與能量的關

系總的來講：隨著能量提高，光電效應和康普頓散射反應的截面下降，而電子對效

應的截面提高（有閾值1.022MeV）；

?光電效應的產物：光電子，內層電子空位導致的后續X射線或俄歇電子；

?康普頓散射：反沖電子，散射光子；這個散射光子還能繼續發生反應（光電、康普

頓、電子對等）；

?電子對效應：其動能共享了γ射線能量與1.022MeV之差的正負電子，正電子迅速

減速湮沒（固體：ps時間）放出兩個背向出射的511keVγ光子；γ光子還能繼續發生光電效應或康普頓散射；8)對于中子來說，尋常有核反應法、核反沖法、裂變法和活化法來將其轉換為帶電粒子。

這些帶電粒子可能是（）？核反應法往往用于測量低能的慢中子，此時中子的反應截面與中子的能量之間存在一個關系，是什么關系？在慢中子能區，當中子的能量減小為原來的1/4時，其反應截面將變為原來的（）？答：

?α粒子，質子，裂變碎片，反應生成的子核，電子；?1/v關系，2倍；

9)假使不考慮積累因子，γ和中子穿透某種介質的概率聽從什么規律？決定衰減系數的因

素有哪些？為什么要提出質量衰減系數這個概念？水和水蒸氣的衰減系數是否一致，質量衰減系數呢？積累因子的來源又是什么呢？答：

?指數衰減規律；

?決定線性衰減系數的是反應截面和原子的空間密度；

?對于γ射線：反應截面由原子序數和入射的γ射線能量決定；?對于中子：反應截面由原子核和入射的中子能量決定；

?提出質量衰減系數概念的原因是為了描述同種物質在不同物理狀態下對射線的衰

減；

?水的衰減系數比水蒸汽的答，但是質量衰減系數二者是一致的；?積累因子的主要來源是康普對散射（電子對效應亦有可能）。

五、統計學問題

1)在輻射探測中，統計性是固有的數學特性，是無法消除的。對同一個物理量，即使保持一切條件不變，不次的觀測也會得到不同的結果，這些結果聽從一定的概率分布。這些概率分布都是哪些？（）答：泊松分布（期望值>20后近似為高斯分布），指數分布，法諾分布；2)請回復以下問題：

a)一個活度為10微居的Cs-137源（半衰期為30.17年），一秒鐘放出的γ射線的數目聽從

什么分布？答：泊松分布

b)設某探測器對上述源發出的γ射線的絕對探測效率為10%，則探測器每秒測到的信號數

目聽從什么分布？

答：泊松分布

c)γ射線進入探測器，通過三種效應產生了次級電子，這個次級電子的能量具體為多少是

與發生的反應類型有關的，不妨設次級電子的能量為500keV。這個500keV的電子將在探測器內損失能量并形成大量電子－離子對（設為氣體探測器），則電子－離子對的數目聽從什么分布？答：法諾分布

d)探測器在某個時刻t0記錄到了一個入射事件，在t1時刻記錄到了隨后到來的其次個事

件。時間差t1-t0是個隨機量，它聽從什么分布？答：指數分布

3)泊松分布是輻射探測中的主要分布。它由二項分布演化而來，在推導泊松分布的時候，

需要滿足什么條件？請對下面的問題作出回復：答：大量、獨立、小概率事件；

a)一個活度為10微居的Cs-137源（半衰期為30.17年），30年內放出的γ射線的數目是否

還聽從泊松分布？為什么？答：不是，已經不滿足小概率事件這個條件；

4)泊松分布在什么狀況下可以簡化為高斯分布？其期望值和方差之間的關系是什么？答：

?當泊松分布的期望值很大的時候，可以用高斯分布來近似泊松分布，一般認為期望

值大于20就可以。

?泊松分布的期望值＝方差；5)法諾分布不同于泊松分布的地方在哪里？法諾分布中的法諾因子一般小于1，其來源是

什么？答：

?法諾分布具有和泊松分布類似的形式，但是法諾分布的方差比泊松分布的方差多了

一個法諾因子F。

?F小于1的原因是電離時產生載流子的碰撞之間并不是獨立的；6)什么是級聯過程，級聯過程變量的期望值與方差有什么特點？在什么狀況下，級聯變量

的相對方差主要由第一級變量的相對方差決定？請舉出一個級聯變量的例子，并說明它是由哪幾個量級聯而成的？答：

?關于級聯過程定義，請見講義P173。

?級聯過程變量的期望值是各級期望值的乘積，相對方差等于各級相對方差加權之

和，每一級相對方差的權重為前面各級期望值乘積的倒數；

?假使第一級的期望值很大，則級聯變量的相對方差主要由第一級的相對方差決定；?正比計數器放電產生的電子－離子對的數目就是級聯變量，第一級變量為帶電粒子

電離產生的電子－離子對數目，其次級變量則為每個電子－離子對中的電子在雪崩區域放電產生的電子－離子對數目；

7)A和B均聽從泊松分布，則C=A+B是否聽從泊松分布，D=A-B是否聽從泊松分布？答：C聽從泊松，但是D不聽從。C和D的方差是一致的；

8)在以下測量結果中，哪些結果的平方根是對它們的標準偏差的合理估計？a)某探測器的1分鐘測量計數b)某探測器的10分鐘測量計數

c)某探測器在本底環境下測量1分鐘，扣除本底之后的計數d)某探測器測量60秒之后得到的計數率（以cps為單位）e)某探測器