辐射探测-辐射与物质的相互作用
第一章 射线与物质的相互作用,Radiation Interactions with Matter,1.1 概述,1、什么是射线？,射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。,射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。,本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。,2、射线与物质相互作用的分类,3、弹性碰撞与非弹性碰撞,为内能项,弹性碰撞（即动能守恒）,非弹性碰撞（即动能不守恒）,为第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基态的核碰撞，且使核激发；,为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发态的核碰撞，且使其退激。,4、带电粒子在靶物质中的慢化,载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种，其中前两种是主要的：,(1)电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。,电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。,激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。,当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称它为电离损失。,(2)、辐射损失与原子核的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射轫致辐射Bremsstrahlung。,当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。,尤其对粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。,(3)、带电粒子与靶原子核的弹性碰撞,带电粒子与靶原子核的库仑场作用而发生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。,弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转,核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。,这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。,(4)、带电粒子与核外电子的弹性碰撞,受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还小，电子的能量状态没有变化。实际上，这是入射粒子与整个靶原子的相互作用。,这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的粒子方需考虑, 其它情况下完全可以忽略掉。,1.2 重带电粒子与物质的相互作用,1、重带电粒子与物质相互作用的特点,重带电粒子均为带正电荷的离子；,重带电粒子主要通过电离损失而损失能量，同时使介质原子电离或激发；,重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。,Interaction of Heavy Charged Particles,2、重带电粒子在物质中的能量损失规律,1) 能量损失率(Specific Energy Loss),指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领(Stopping Power)。,按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”。,对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。,2) Bethe 公式(Bethe formula),Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系的经典公式。,考虑相对论与其他修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率的精确表达式，称为Bethe-Block公式：,其中：,入射粒子电荷数,入射粒子速度,靶物质单位体积的原子数,靶物质原子的原子序数,靶物质平均等效电离电位,m0为电子静止质量,3) Bethe 公式的讨论,(2)、 与带电粒子的电荷z的关系；,(3)、 与带电粒子的速度v的关系：,非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：,(4)、 ，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。,4) Bragg曲线与能量歧离,Bragg曲线：带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。,能量歧离(Energy Straggling)： 单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散。,能量歧离是由能量损失是一个随机过程所决定的。,3、重带电粒子在物质中的射程,1) 射程(Range)的定义,带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程R。,入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程(Path)。,路程 > 射程,重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。,若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：,非相对论情况：,射程往往通过实验测定：,探测器,平均射程,外推射程,射程歧离：,由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单能粒子的射程也是有涨落的，称为射程歧离。,对图中曲线进行微分，得到一峰状分布，其宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离。,阻止时间：,将带电粒子阻止在吸收体内所需的时间。,阻止时间T,粒子射程R,粒子的平均速度,对非相对论粒子(质量M，动能E)：,取k0.6,单位：秒,单位：米,单位：u,单位：MeV,2) 粒子在空气中的射程,为粒子能量，单位为MeV。,公式适用范围：,3) 相同能量的同一种粒子在不同吸收物质中射程之间的关系,BraggKleeman rule:,A为相应物质的原子量； 为相应物质的密度。,相同能量的同一种粒子在不同吸收物质中射程之间的关系可用一半经验公式描述：,多种元素组成的物质的原子量怎么计算？,定比定律,对由多种元素组成的化合物或混合物，其等效原子量为：,化合物或混合物中，第i种元素的原子百分数。,对空气：,已知粒子在空气中的射程，可以求得粒子在其他物质中的射程：,4) 同一吸收物质中不同重带电粒子的射程之间的关系。,粒子初速度的单值函数，对于同样的v值，不同粒子取相同的数值。,定比定律,入射粒子的属性,4、重带电粒子在薄吸收体中的能量损失,带电粒子在薄吸收体中的能量损失可计算为：,简单测厚仪原理：,5、裂变碎片的能量损失,裂变碎片是核裂变所产生的，具有很大质量、很大电荷及相当高能量的重带电粒子。,很大，射程很短,随着它在吸收体内损耗能量而减小。,减小,1.3 快电子与物质的相互作用,快电子与物质相互作用的特点：,快电子的速度大；,快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；,快电子散射严重。,Interaction of Fast Electrons,重带电粒子相对速度小；,重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；,重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。,1、快电子的能量损失率,对快电子，必须考虑相对论效应时的电离能量损失和辐射能量损失。,电子电离能量损失率的Bethe公式：,碰撞损失(Collisional losses),辐射能量损失：,辐射能量损失率：,量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：,入射粒子的电荷、能量及质量,吸收物质的原子序数和单位体积的原子数,讨论：,(1) ：辐射损失率与带电粒子静止质量m的平方成反比。所以仅对电子才重点考虑。,当要吸收、屏蔽射线时，不宜选用重材料。,当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。,(2) ：辐射损失率与带电粒子的能量E成正比。即辐射损失率随粒子动能的增加而增加。,(3) ：辐射损失率与吸收物质的NZ2成正比。所以当吸收材料原子序数大、密度大时，辐射损失大。,对电子，其辐射能量损失率为：,电子的两种能量损失率之比：,E的单位为MeV,探测学中所涉及快电子的能量E 一般不超过几个MeV，所以，辐射能量损失只有在高原子序数(大Z)的吸收材料中才是重要的。,2、快电子的吸收与射程,电子的运动径迹是曲折的。,电子的射程和路程相差很大。,电子的射程比路程小得多。,1) 单能电子的吸收与粒子吸收的差别,由于单能电子和粒子易受散射，其吸收衰减规律不同于粒子。但均存在最大射程 Rmax。,射程往往通过实验测定：,探测器,对单能电子，初始能量相等的电子在各种材料中的射程与吸收体密度的乘积近似为常数：,单能电子在吸收介质中的射程Rm(mg/cm2)与其能量E(MeV)之间的关系：,经验公式：,对粒子，当吸收介质的厚度远小于 时，粒子的吸收衰减曲线近似服从指数规律：,为吸收体的吸收系数,t 为吸收体的厚度,m为吸收体的质量吸收系数,tm 为吸收体的质量厚度,射线在铝中的射程：,当 时，,当 时，,其它典型物质中射线的射程：Ge ：REmax ， (mm, MeV) Al ：R2Emax ， (mm, MeV) Air ：R400Emax ，(cm, MeV),对比：4MeV 在空气中的射程约为2.5cm。,2) 电子的散射与反散射,电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。,定义反散射系数：,探测器,反散射的利用与避免,1) 对放射源而言，利用反散射可以提高源的产额。,2) 对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。,给源加一个高Z厚衬底。,使用低Z材料作探测器的入射窗和探测器。,3、正电子的湮没,正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。,高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出光子。 或者，它与一个电子结合成正电子素，即电子正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。,正电子的特点是：,正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射。,正电子湮没时放出的光子称为湮没光子。,正电子湮没时一般放出两个光子，放出三个光子的概率仅为放出两个光子概率的0.37。,从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，两个湮没光子的总能量应等于正、负电子的静止质量。即：,从动量守恒出发：湮没前正、负电子的总动量为零，则，湮没后两个湮没光子的总动量也应为零。即：,因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。,而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的。,Pair Annihilation,Positron,511 keV,511 keV,E = mc2,Two photons travel in exactly opposite directions,Electron,正电子在材料中发生湮没的概率：,材料中的电子密度，单位1/cm3；,电子的经典半径，,光速,Z,A 为材料的密度、原子序数和原子量。,正电子寿命 =1/P，固体中=10-10s，气体中=10-7s,小结,带电粒子与物质的相互作用,Interaction Characteristics: 主要为电离能量损失 单位路径上有多次作用单位路径上会产生许多离子对和较大的能量转移,每次碰撞损失能量少 运动径迹近似为直线 在所有材料中的射程均很短,Heavy Charged Particle Interactions,
