南华大学《核辐射探测学》教学课件 第一章 核辐射探测原理

绪 论,本课程的名称“核辐射探测”，采用教材是北大、清华、复旦三校合编的原子核物理实验方法。由此可见，这门课讲授的是核辐射探测的实验方法或者说是核辐射测量技术。它是“核工程与核技术”专业的一门主干课程。它的主要内容有四个方面：,核辐射探测原理 核辐射探测器 核辐射探测方法 核辐射测量中的误差处理,所谓核辐射是指核物理中已讲授过在各种核跃迁中释放出的辐射，包括、n、p等微观粒子。,2019/1/14,授课老师：屈国普,1,所谓核辐射探测就是对这些核辐射如何找到它、测量它，测量后的数据及其误差如何处理。,学习这门课，要求大家课堂上认真听，不懂就要问，独立做作业，以科学严谨的态度做实验。通过本课程的学习，希望大家能够掌握探测原理，熟悉各种探测器，会运用不同的测量方法达到不同的测量目的。为学习后续课程和以后的工作打下良好的基础。,对于不同的核辐射使用不同的探测仪器，不同的测量采用不同的实验测量方法（或探测技术）。,2019/1/14,授课老师：屈国普,2,第一章 核辐射探测原理,什么是核辐射和核辐射探测？所谓核辐射是指在各种核跃迁中，从原子核中释放出来的辐射，包括辐射、中子辐射、和辐射等。在本课程中所涉及的探测对象除核辐射外，还包括X射线、质子和其它重带电粒子。由于它们本身具有波粒二象性，所以也将它们称为粒子或射线。而核辐射探测主要是用各种类型和规格的核辐射探测器记录粒子数目，测定放射源的活度，确定粒子的质量、电荷、寿命、能量以及动量等。,第一节 带电粒子探测原理,在核辐射探测原理中，最基本的是利用带电粒子在物质中对物质原子产生的电离和激发效应或快速轻带电粒子穿过物质时的电磁效应。,2019/1/14,授课老师：屈国普,3,一、带电粒子与物质的相互作用机制,带电粒子进入物质后，与物质原子的相互作用机制有以下四种：,1、带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞,具有一定动能的带电粒子进入物质（称为靶物质），从靶物质原子近旁掠过时，入射带电粒子和靶原子的核外电子之间的库仑作用，使电子受到吸引或排斥，从而使电子获得一部分能量。,如果传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚，那么这电子就脱离原子，成为自由电子。这时靶原子就分离成自 由电子和一个失去了电子的原子正离子，这种过程称为电离。原子最外层的电子受原子核的束缚最弱，故这些电子最容易被击出。电离过程发射出来自由电子，有的具有足够的动能，可继续与其它靶原子发生相互作用，进一步产生电离，这些高速电子被称为射线。如果内壳层电子被电离，则,2019/1/14,授课老师：屈国普,4,在该壳层留下空位，外层电子向内层跃迁，同时放出特征X射线和俄歇电子。,如果入射电子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，但可以使电子从低能级状态跃迁到高能级状态（使原子处于激发状态），这种过程称为激发。受激原子是不稳定的，会很快（10-1910-6S）退激至基态，退激时，释放出来的能量以光的形式发射出来，这就是受激原子的退激发光现象。,带电粒子与靶物质原子中的核外电子的非弹性碰撞，导致靶原子的电离或激发而损失能量，称之为电离损失。从靶物质核外电子对入射粒子的阻止作用来说，可称为电子阻止。绝大多数探测器都是利用电离和激发效应来探测入射粒子的。,2019/1/14,授课老师：屈国普,5,2带电粒子与靶原子中核外电子的弹性碰撞,入射带电粒子也会与靶原子中的核外电子发生弹性碰撞。核外电子的库仑力作用，使入射粒子运动方向发生改变，入射粒子损失的能量一般小于靶原子中电子的最低激发能，电子的能量状态没有发生变化。这种相互作用方式只对极低能量（如100ev)的粒子入射时才要考虑，其它情况下可以忽略掉。,3带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞,入射带电粒子靠近靶物质的原子核时，它与原子核之间的库仑作用，使入射粒子受到吸引或排斥，结果使入射粒子的速度和方向发生改变，伴随着发射电磁射（称作韧致辐射）或在特定条件下使物质产生定向极化而随之发射电磁辐射（称作切伦科夫辐射）。,重带电粒子（如粒子、质子和其它离子）还可以使靶原子核从基态激发到激发态，这称之为库仑激发。,2019/1/14,授课老师：屈国普,6,入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞，以辐射形式损失能量，称之为辐射损失。粒子与物质相互作用时，辐射损失是重要的一种能量损失方式。,4带电粒子与靶原子核的弹性碰撞,入射带电粒子靠近靶原子核时，由于库仑作用，带电粒子的运动方向发生改变，靶原子核不激发也不发射电磁辐射。但是入射带电粒子会转移一部分动能给原子核，靶原子核获得能量发生反冲，产生晶格原子位移形成晶格原子缺陷，造成辐射损伤。,入射带电粒子与靶物质以生相互弹性碰撞引起入射带电粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失。从靶物质对入射粒子的阻止作用来讲，可称为核阻止。入射带电粒子能量很低时和低速重离子入射（E/A=10Kev)时,核阻止对能量损失的贡献才是重要的。由于粒子较轻，受到偏转较严重，因此射线穿透物质时，电子散射现象严重。,2019/1/14,授课老师：屈国普,7,以上讨论的入射带电粒子在靶物质中与靶原子核外电子或原子核发生的各种相互作用其概率大小，与带电粒子的种类和粒子能量有关。而且，同一相互作用的概率大小，与靶物质元素也有关。在一定情况下，可只考虑一种起主要贡献的相互作用，而忽略其它相互作用。所以在计论带电粒子与物质的相互作用时，常常要区分“轻”带电粒子（如电子和正电子）和“重”带电粒子（如质子、氘核和粒子等），区分快速和慢速粒子来分别讨论。,二 带电粒子在物质中的慢化和吸收,一定能量的带电粒子进入物质后，通过许多次非弹性和弹性碰撞过程，其动能逐步减小，带电粒子被慢化。如果物质层较薄，粒子将穿出物质，但其能量减少了。如果物质层足够厚，入射带电粒子与靶原子的电子或原子核经过多次碰撞后，将损失掉其全部能量而被吸收。,2019/1/14,授课老师：屈国普,8,带电粒子射入物质后，其能量损失与带电粒子及吸收物质的性质有关。带电粒子在单位路径上所损失的能量称为能量损失率，或者称为物质对带电粒子的阻止本领，用-dE/dx表示，负号表示能量减少。碰撞过程是随机的，所以-dE/dx是平均能量损失率。,三带电粒子的能量损失,1 电离损失,入射带电粒子在物质中因原子的激发和电离在单位路径上引起的能量损失叫电离损失率。在近似情况下，即忽略电子在原子中的结合能并假设入射带电粒子速度大于物质原子轨道电子运动速度，入射带电粒子在物质中的电荷态是确定的，就可以用经典弹性库仑碰撞理论计算一个电荷为ze，质量为m，速度为的入射带电粒子在原子序数为Z的靶物质中电离损失率为：,2019/1/14,授课老师：屈国普,9,式中：me是电子的静止质量；N是单位体积中的原子数；B为阻止系数。-dE/dX的单位为Mev/cm。,（1.1式）,（1.2式）,阻止系数B与入射粒子的种类和能量有关。对于重重带电粒子如p、d等，有：,2019/1/14,授课老师：屈国普,10,对于电子，有：,在非相对论近似时（1），重带电粒子和电子的阻止系数分别为：,以上各式中，=v/c ，c为光在真空中的速度；E0是入射粒子的能量；c/z是当入射粒子的能量较低时，粒子速度,(1.3式),(1.4式),2019/1/14,授课老师：屈国普,11,较低，粒子速度不能满足大于内壳层电子轨道速度这一条件，束缚得很紧的内壳层电子不能参予对入射粒子的阻止作用而引进的修正项，称为壳层修正层；K是由于极化效应而引进的密度修正项（极化效应与物质中的电子密度成正比）；I是物质原子的平均激发能，它与Z成正比。,(1.5式),图1.1重带电粒子的电离损失率与粒子量能的关系,2019/1/14,授课老师：屈国普,12,从图1.1曲线看出，在不同能量区域， 随E的变化情况不同。当粒子的能量范围为500I3mc2以后， ，(1.2式)的B值改变比较显著，而此时1/2的变化却非常小，所以随着E的增加， 缓慢上升，如图中曲线的CD段所示。,图1.1曲线的AB段不适用(1.2式)，因为这时入射的重带电粒子的能量小，其速度大体与作用物质原子的轨道电子速度相当，而推导(1.2式)时假设了入射粒子速度比与其相互作用的物质原子的壳层电子的速度大得多时才成立。其次，入射粒子能量低时，会与物质原子发生电荷交换，其有效电荷减少，相应地 减少。,2019/1/14,授课老师：屈国普,13,在实际使用中，将N=NA/A代入（1.1式）可方便的计算电离损失率：,式中： 为质量厚度，单位为g/cm2,.NA为阿伏加德罗常数，A为原子量。对于一般轻元素和中等质量元素， ，该式表示电离损失率。,(1.6式）,对于重离子，在物质中能量损失到较低时会有电荷交换效应，即重离子与物质的每次碰撞中有一定的概率使离子失去电子或离子从物质中俘获电子。因此，对重离子的电离损失率不能直接用（1.1式），而必须把（1.1式）中的Z用,2019/1/14,授课老师：屈国普,14,有效平均电荷数（rz)eff来代替，由于质子在固体物质中的荷态总是=1，因此可得：,电离损失率有时也可以用比电离n（带电粒子通过单位路径所产生的离子对数目）来表示：,式中，为入射粒子产生一个离子对所消耗的平均能量称为平均电离能。对确定物质，基本上是常数。,(1.7式),(1.8式),2019/1/14,授课老师：屈国普,15,（2）初电离和次电离 入射带电粒子直接使物质电离产生离子对数称为初电离。初电离产生的射线使物质电离产生的离子对数称为次电离。初电离和次电离之和称为总电离。,2辐射损失,带电粒子受到阻止介质原子核的库仑相互作用，其运动方向和速度发生变化并发射电磁辐射而损失能量，这种能量损失称为辐射损失。所发射的电磁辐射称做轫致辐射，它是X射线，所以又称做轫致X射线。电子穿过物质时才考虑辐射损失。轫致X射线的能谱是从零到入射电子能量连续分布。,电子在物质中通过单位长度路径，由于轫致辐射而损失的能量称为辐射能量损失率。若考虑轨道电子对核电荷的屏蔽作用，则根据经典电磁理论推导出辐射损失率为：,2019/1/14,授课老师：屈国普,16,若考虑轨道电子对核电荷的屏蔽作用，则,（1.10式）,式中：Ee为入射粒子的能量，精细结构常数 e是经典电子半径( )。由上式可以看出，辐射损失率与电子及阻止介质的原子序数的平方成正比，这表明高速电子入射到重元素物质中时更容易产生轫致辐射。,(1.9式),2019/1/14,授课老师：屈国普,17,快速电子射入物质后总的能量损失率等于电离损失率和辐射损失率之和：,电子电离损失率和辐射率之比为：,(1.11式）,(1.12 式),2019/1/14,授课老师：屈国普,18,三 带电粒子在物质中的射程 带电粒子从进入物质直到被吸收，沿入射方向所穿过的最大距离，称为射程。注意射程是与路径不同的。射程是路径在入射方向上的最大投影，路径大于等于射程。图1.2所示。,电离损失率和辐射损失率相当时，电子的能量称为临界能量，用Ec表示：,(1.13式),显然，不同物质中有不同的临界能。,2019/1/14,授课老师：屈国普,19,入射粒子,路径,射程,图1.2带电粒子在物质中的射程和路径,1重带电粒子的射程 重带电粒子的质量比较大，它与物质的原子核外轨道电子的非弹性碰撞，不会导致入射重带电粒子的运动方向有明显的改变。因此，它的射程基本上就是它的路径长度。如果对路径dx积分，就可以得到能量为E0的重带电粒子的射程：,2019/1/14,授课老师：屈国普,20,的交点处相应的空气层厚度称为外推射程R外推.能量相同的R与R外推之差反映了单能粒子在射程上的涨落测量和计算的射程均指R。能量相同的各个粒子在射程上的涨落(称为能量岐离),是因为每一个特定粒子所经受的碰撞次数及每次碰撞时所损失能量不完全相同.前面所说的能量损