放射衛(wèi)生與防護第三章_

1、Radiation Interactions with Matter3.1 概述概述1、什么是射線？、什么是射線？射線射線，指的是如，指的是如X射線、射線、 射線、射線、 射射線、線、 射線等，本質都是射線等，本質都是輻射粒子。輻射粒子。射線與物質相互作用是輻射探測的基射線與物質相互作用是輻射探測的基礎，也是認識微觀世界的基本手段。礎，也是認識微觀世界的基本手段。 本課程討論對象為本課程討論對象為致電離輻射致電離輻射，輻射，輻射能量能量大于大于1010eV。即可使探測介質的原。即可使探測介質的原子發(fā)生電離的能量。子發(fā)生電離的能量。 2 2、射線與物質相互作用的分類、射線與物質相互作用的分類Ch

2、arged Particulate RadiationsUncharged RadiationsHeavy charged particlesNeutronsFast electronsX-rays and raysfTdp, e 3 3、彈性碰撞與非彈性碰撞、彈性碰撞與非彈性碰撞EMVmvMVmv 222221212121E 為內能項 0 E彈性碰撞彈性碰撞（即動能守恒）（即動能守恒） 0 E非彈性碰撞非彈性碰撞（即動能不守恒）（即動能不守恒） 0 E為為第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞，如入射粒子與，如入射粒子與處于基態(tài)的核碰撞，且使核激發(fā)；處于基態(tài)的核碰撞，且使核激發(fā)； 0 E為為第二類

3、非彈性碰撞第二類非彈性碰撞，如入射粒子與，如入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的核碰撞，且使其退激。處于激發(fā)態(tài)的核碰撞，且使其退激。 3.23.2、帶電粒子與物質的相互作用、帶電粒子與物質的相互作用載能帶電粒子在靶物質中的載能帶電粒子在靶物質中的慢化過程慢化過程，可分為可分為四種四種，其中前兩種是主要的：，其中前兩種是主要的：(a)(a) 電離損失帶電粒子與靶物質原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。子中核外電子的非彈性碰撞過程。 (b)(b) 輻射損失帶電粒子與靶原子核輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程。的非彈性碰撞過程。(c) (c) 帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶

4、原子核的彈性碰撞(d) (d) 帶電粒子與核外電子彈性碰撞帶電粒子與核外電子彈性碰撞(1)(1)電離損失電離損失與核外電子的非彈性碰撞過程與核外電子的非彈性碰撞過程 入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用庫侖作用，使電子獲得能量而引起使電子獲得能量而引起原子的原子的電離電離或或激發(fā)激發(fā)。 電離電離核外層電子克服核外層電子克服束縛成為束縛成為自由電子自由電子，原子，原子成為正離子。成為正離子。激發(fā)激發(fā)使核外層電子由低使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子能級躍遷到高能級而使原子處于處于激發(fā)狀態(tài)激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。，退激發(fā)光。當當入射帶電粒子入射帶電粒子與與

5、核外電子核外電子發(fā)生發(fā)生非彈性碰非彈性碰撞撞，以使靶物質原子，以使靶物質原子電離電離或或激發(fā)激發(fā)的方式而的方式而損失其能量，我們稱它為損失其能量，我們稱它為電離損失電離損失。(2)(2)、輻射損失、輻射損失與原子核的非彈性碰撞過程與原子核的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與入射帶電粒子與原子核原子核之間的之間的庫侖力作用庫侖力作用，使入，使入射帶電粒子的射帶電粒子的速度速度和和方向方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射電磁輻射電磁輻射軔致輻射軔致輻射Bremsstrahlung。當當入射帶電粒子入射帶電粒子與與原子核原子核發(fā)生發(fā)生非彈性碰撞非彈性碰撞時，時，以以輻射光子輻射光子損失其能量，我們

6、稱它為損失其能量，我們稱它為輻射損輻射損失失。尤其尤其對對粒子粒子與物質相互作用時，與物質相互作用時，輻射損失輻射損失是其是其重要的一種能量損失方式重要的一種能量損失方式。(3)(3)、帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞、帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子帶電粒子與與靶原子核的庫侖場靶原子核的庫侖場作用而發(fā)生彈性散射。作用而發(fā)生彈性散射。彈性散射過程中，入射粒子和原子核的彈性散射過程中，入射粒子和原子核的總動能不變總動能不變，即，即入射粒子入射粒子既不既不輻射光子，輻射光子，也不也不激發(fā)或電離原子核，但入激發(fā)或電離原子核，但入射粒子受到偏轉，其射粒子受到偏轉，其運動方向改變運動方向改變。彈性碰撞過

7、程中彈性碰撞過程中，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動量守恒，動量守恒，入射粒子損失一部分動能使核得到反沖入射粒子損失一部分動能使核得到反沖。碰撞。碰撞后，絕大部分能量仍由入射粒子帶走，但運動方向被偏轉后，絕大部分能量仍由入射粒子帶走，但運動方向被偏轉核碰撞能量損失核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子只是在入射帶電粒子能量很低能量很低或或低速重低速重離子離子入射時，對粒子能量損失的貢獻才是重要的。但對入射時，對粒子能量損失的貢獻才是重要的。但對電子卻是引起反散射的主要過程。電子卻是引起反散射的主要過程。這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生這種由入射帶電粒子與靶原子

8、核發(fā)生彈性碰撞彈性碰撞引起引起入射入射粒子的能量損失粒子的能量損失稱之為稱之為核碰撞能量損失核碰撞能量損失，我們把原子核，我們把原子核對入射粒子的阻止作用稱為對入射粒子的阻止作用稱為核阻止核阻止。(4)(4)、帶電粒子與核外電子的彈性碰撞、帶電粒子與核外電子的彈性碰撞受受核外電子核外電子的庫侖力作用，入射粒子改變運的庫侖力作用，入射粒子改變運動方向。同樣為動方向。同樣為滿足能量和動量守恒滿足能量和動量守恒，入射，入射粒子要損失一點動能，但這種粒子要損失一點動能，但這種能量的轉移很能量的轉移很小小，比比原子中電子的原子中電子的最低激發(fā)能還小最低激發(fā)能還小，電子，電子的能量狀態(tài)沒有變化。實際上，這

9、是的能量狀態(tài)沒有變化。實際上，這是入射粒入射粒子與整個靶原子的相互作用子與整個靶原子的相互作用。這種相互作用方式只是在極低能量這種相互作用方式只是在極低能量(100eV)(100eV)的的粒子方需考慮粒子方需考慮, , 其它情況下完全可以其它情況下完全可以忽略掉。忽略掉。（5）、）、線阻止本領線阻止本領，質量阻止本領質量阻止本領dESdl 線阻止本領線阻止本領 定義定義：dE是是dl距離上距離上損失能量損失能量的數(shù)學期望值。的數(shù)學期望值。1SdEdl 質量阻止本領質量阻止本領 定義：定義：主要是計算上的優(yōu)勢。主要是計算上的優(yōu)勢。質量碰撞質量碰撞/輻射阻止本領輻射阻止本領質量碰撞阻止本領定義：1

10、ccdESdl 1rrdESdl 質量輻射質量輻射阻止本領定義：阻止本領定義：crSSS阻止本領分類：阻止本領分類： 2, 1, 212c ic iSZSZ 在相同介質中，若在相同介質中，若 相同，則兩種重離子的碰相同，則兩種重離子的碰撞阻止本領相同，即：撞阻止本領相同，即：對重離子對重離子：質量碰撞質量碰撞/輻射阻止本領（續(xù)）輻射阻止本領（續(xù)）cSS 這意味著重離子的能量損失機制主要電離、激發(fā)；這意味著重離子的能量損失機制主要電離、激發(fā)；EM質量碰撞質量碰撞/輻射阻止本領（續(xù)）輻射阻止本領（續(xù)）對電子對電子：crSSS簡化，當簡化，當E3MeV, n=700100MeV； 的電子能量稱為的電

11、子能量稱為臨界能量臨界能量； 低能電子低能電子(S/)c值較大，高能電子值較大，高能電子(S/)r值較大。值較大。( / )( / )rcSEZSn (/)(/)crSS 近似關系：近似關系：（6）、質量角散射本領）、質量角散射本領定義：描述平行入射的帶電粒子束偏定義：描述平行入射的帶電粒子束偏離其入射方向的離其入射方向的概率分布概率分布。規(guī)律：與原子序數(shù)平方成規(guī)律：與原子序數(shù)平方成正比正比，與入，與入射帶電粒子動能平方成射帶電粒子動能平方成反比反比。（7）、射程）、射程（7 7） 射程射程投影射程投影射程001( ) /Rx dN xdx dxN 射程射程( (Range) )的定義的定義帶

12、電粒子帶電粒子沿入射方向沿入射方向所行徑的所行徑的最大距離最大距離，稱為入射粒子稱為入射粒子在該物質中在該物質中的的射程射程R。入射粒子在物質中行徑的入射粒子在物質中行徑的實際軌跡的長實際軌跡的長度度稱作稱作路程路程( (Path) )。路程路程 射程射程重帶電粒子重帶電粒子的的質量大質量大，與物質原子相互作，與物質原子相互作用時，其用時，其運動方向幾乎不變運動方向幾乎不變。因此，。因此，重帶重帶電粒子電粒子的的射程與其路程相近射程與其路程相近。重帶電粒子與物質的相互作用重帶電粒子與物質的相互作用重帶電粒子與物質相互作用的特點重帶電粒子與物質相互作用的特點重帶電粒子重帶電粒子均為均為帶正電荷帶

13、正電荷的的離子離子；重帶電粒子重帶電粒子主要主要通過通過電離損失電離損失而損失而損失能量，同時使介質原子能量，同時使介質原子電離或激發(fā)電離或激發(fā)； 重帶電粒子在介質中的重帶電粒子在介質中的運動徑跡運動徑跡近似近似為為直線直線。 Interaction of Heavy Charged ParticlesBragg曲線與能量歧離曲線與能量歧離BraggBragg曲線：曲線：帶電粒子的帶電粒子的能量損失率沿能量損失率沿其徑跡的變化曲線其徑跡的變化曲線。能量歧離能量歧離( (Energy Straggling) )： 單能粒子單能粒子穿穿過一定厚度的物質后，將過一定厚度的物質后，將不再是單能的不再是

14、單能的，而，而發(fā)生了發(fā)生了能量的離散能量的離散。能量歧離能量歧離是由是由能量能量損失是一個隨機過損失是一個隨機過程程所決定的。所決定的。射程往往通過實驗測定射程往往通過實驗測定：探測器探測器源源0/ II15 . 0tmReRt平均射程平均射程外推射程外推射程入射粒子能量高入射粒子能量高，其射程長其射程長；反之則短。；反之則短。在在某種物質中某種物質中，確定的，確定的入射重帶電粒子入射重帶電粒子的的射程射程與與粒子能量粒子能量之間存在著之間存在著確定的關系確定的關系，常以常以曲線的形式曲線的形式給出。給出。0II0/ II15 . 0 xmReR射程歧離：射程歧離：由于由于帶電粒子與物質的帶電

15、粒子與物質的相互作用是一個隨機過相互作用是一個隨機過程程，因此單能粒子的射，因此單能粒子的射程也是有程也是有漲落的漲落的，稱為，稱為射程歧離射程歧離。對對圖中曲線圖中曲線進行進行微分微分，得到一峰狀分布，得到一峰狀分布，其寬度其寬度常用以度量該粒子在所用吸收體中的常用以度量該粒子在所用吸收體中的射程歧離射程歧離。快電子的吸收與射程快電子的吸收與射程電子的運動徑跡是電子的運動徑跡是曲折的曲折的。電子的電子的射程射程和和路程路程相差很大。相差很大。電子的電子的射程射程比比路程路程小得多。小得多。1) 1) 單能電子單能電子的吸收與的吸收與粒子粒子吸收的差別吸收的差別由于由于單能電子單能電子和和粒子

16、粒子易易受散射，其吸收衰減規(guī)律受散射，其吸收衰減規(guī)律不同于不同于粒子粒子。但均存在。但均存在最大射程最大射程 Rmax。射程往往通過實驗測定射程往往通過實驗測定：探測器探測器源源0/ II15 . 0tmReRt0II11ttmaxRmaxR e對對 粒子粒子，當吸收介質的厚度遠小于，當吸收介質的厚度遠小于 時，時， 粒子的粒子的吸收衰減曲線吸收衰減曲線近似服從近似服從指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律：max RteItI 0)( 為吸收體的為吸收體的吸收系數(shù)吸收系數(shù)t 為為吸收體的吸收體的厚度厚度mmtmeItI 0)( m為吸收體的為吸收體的質量吸收系數(shù)質量吸收系數(shù)tm 為為吸收體的吸收體的質量厚度質量厚

17、度 ttm / m 射線在射線在鋁鋁中的中的射程：射程：1.38max0.407RE max0.15MeV0.8MeVE 當當 時，時，max0.5420.133REmax0.8MeV3MeVE 當當 時，時，其它典型物質中其它典型物質中 射線的射程：射線的射程： Ge ：RE max ， (mm, MeV) Al ：R2E max ， (mm, MeV) Air ：R400E max ，(cm, MeV) 對比：對比：4MeV 在空氣中的射程約為在空氣中的射程約為2.5cm。2) 2) 電子的電子的散射散射與與反散射反散射 電子與靶物質原子核庫侖場作用時，只改變運電子與靶物質原子核庫侖場作用

18、時，只改變運動方向，而不輻射能量的過程稱為動方向，而不輻射能量的過程稱為。由。由于電子質量小，因而于電子質量小，因而散射的角度可以很大散射的角度可以很大，而且，而且會發(fā)生會發(fā)生多次散射多次散射，最后偏離原來的運動方向，電，最后偏離原來的運動方向，電子沿其入射方向發(fā)生子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉大角度偏轉，稱為，稱為。定義定義反散射系數(shù)反散射系數(shù)：00III 探測器探測器0IICuAlC對對同種材料同種材料，入射電子，入射電子能量越低能量越低，反散射反散射越嚴重越嚴重；對對同樣能量同樣能量的入射電子，的入射電子，原子序數(shù)越高原子序數(shù)越高的材料，的材料，反散射反散射越嚴重越嚴重。對低能電子在高原子

19、序數(shù)的厚樣。對低能電子在高原子序數(shù)的厚樣品物質上的反散射系數(shù)可達品物質上的反散射系數(shù)可達5050。從實驗曲線看出：從實驗曲線看出：反散射反散射的的利用利用與與避免避免1) 1) 對對放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高源的產(chǎn)額源的產(chǎn)額。2) 2) 對對探測器探測器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的測量偏差測量偏差。0II給源加一個給源加一個高高Z厚襯底厚襯底。使用使用低低Z材料材料作探測器作探測器的入射窗和探測器。的入射窗和探測器。探測器探測器I 定義：帶電粒子在定義：帶電粒子在單位路程上所產(chǎn)生的離子對數(shù)單位路程上所產(chǎn)生的離子對數(shù)稱為比電離，稱為比電離，以

20、以S表示表示 。 帶電粒子入射到靶物質中后，在單位路程上能量損失與粒子的速度，所帶電粒子入射到靶物質中后，在單位路程上能量損失與粒子的速度，所帶電荷數(shù)有關，所以單位路程上產(chǎn)生的電子。離子對數(shù)目也與粒子的速度帶電荷數(shù)有關，所以單位路程上產(chǎn)生的電子。離子對數(shù)目也與粒子的速度和所帶電荷有關。和所帶電荷有關。相對電離密度與剩余路程的函數(shù)關系相對電離密度與剩余路程的函數(shù)關系（8）、比電離）、比電離 速度相同時速度相同時,電荷多的電荷多的S大。大。 同一種粒子同一種粒子,速度小速度小,S大大,但當?shù)斔俣冉咏鼮樗俣冉咏鼮?時時,S劇降為劇降為0。與核外電子的作用與核外電子的作用單位距離上單位距離上粒子作用

21、所產(chǎn)生的粒子作用所產(chǎn)生的粒子速粒子速度快，作用時間短，比電度快，作用時間短，比電離??；末端前，速度慢作離??；末端前，速度慢作用時間長，有極大值；此用時間長，有極大值；此后，能量耗盡，比電離快后，能量耗盡，比電離快速衰減到速衰減到0 0。比比電電離離距離距離空氣中各點的比空氣中各點的比電離變化電離變化定義：表示帶電粒子在某一長度徑跡上消耗的能量與該徑跡長度之比。 與射線的運動速度和電荷量有關。電荷較高而移動較慢的粒子具有較高的LET。（9 9）、）、傳能線密度（傳能線密度（LET)LET) 意義：主要用于放射治療時射線的選擇。 射線的LET越高，對組織的損傷也就越大，在放療時可以有目的的選擇高L

22、ET的射線。帶電粒子與物質的相互作用帶電粒子與物質的相互作用Interaction Characteristics:主要為主要為電離能量損失電離能量損失單位路徑上有單位路徑上有多次作用多次作用單位路徑上會單位路徑上會產(chǎn)生產(chǎn)生許多離子對許多離子對和和較大的能量轉移較大的能量轉移每次碰撞每次碰撞損失能量少損失能量少運動徑跡運動徑跡近似為近似為直線直線在所有材料中的在所有材料中的射程均很短射程均很短NBvmezdxdEion20424 Interaction Characteristics:電離能量損失電離能量損失和和輻射能量損失輻射能量損失單位路徑上單位路徑上較少相互作用較少相互作用單位路徑上單位

23、路徑上產(chǎn)生產(chǎn)生較少的離子對較少的離子對和和較小的能量轉移較小的能量轉移每次碰撞每次碰撞損失能量大損失能量大路徑路徑不是直線，散射大不是直線，散射大 700/ZEdxdEdxdEionrad 1、中子的中子的分類分類包括冷中子、熱包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。中子、超熱中子、共振中子。熱中子：與吸收物質原子處于熱平衡狀態(tài)，熱中子：與吸收物質原子處于熱平衡狀態(tài)，能量為能量為0.0253eV，中子速度，中子速度2.2103m/s.中子的性質中子的性質mn1.008335u939.535300MeV/c2sn1/2, 費米子費米子0 0，中性粒子，中性粒子 n1.913042 N發(fā)生發(fā)生 衰

24、變的半衰期衰變的半衰期T1/2=10.30min1. 1. 中子的散射中子的散射 1) 彈性散射彈性散射 (n,n)222222sincos)( mMmMmTTnn 中子與物質的相互作用實質上是中子與物質中子與物質的相互作用實質上是中子與物質的靶核的相互作用。的靶核的相互作用。出射粒子仍為出射粒子仍為中子中子、剩余核仍為、剩余核仍為靶核靶核。出射中子的動能：出射中子的動能：反沖核的動能：反沖核的動能： 22cos)(4nMTmMmMT 當反沖核為當反沖核為質子質子(氫核氫核)時，時，Mm，上式變?yōu)椋?，上式變?yōu)椋寒敭?= 0 時，時，反沖質子反沖質子能量最大，能量最大，Tp = Tn 2cosn

25、pTT 反沖質子反沖質子在在實驗室座標系實驗室座標系中的中的能量分布能量分布的的概率密概率密度函數(shù)度函數(shù)為：為：npTTP1)( 即對入射的單能中子而言，實驗室坐標系中，其即對入射的單能中子而言，實驗室坐標系中，其反沖反沖質子質子的的能量分布能量分布是一個是一個矩形矩形，最大能量為，最大能量為Tn，最小為，最小為零零。這個關系可用于。這個關系可用于快中子能譜快中子能譜測量。測量。2) 非彈性散射非彈性散射 (n,n ) 入射中子的能量損失不僅使靶核得到入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖反沖，且，且使靶核處于使靶核處于激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時放出一個或幾個放

26、出一個或幾個特征特征 光子光子，在，在核分析技術核分析技術中有中有重要的應用。重要的應用。2. 2. 中子的俘獲中子的俘獲1) 中子的中子的輻射俘獲輻射俘獲 (n, ) 中子射入靶核后與靶核形成一個中子射入靶核后與靶核形成一個復合核復合核，而后，而后復合復合核核通過發(fā)射一個或幾個通過發(fā)射一個或幾個特征特征 光子光子躍遷到基態(tài)。這些躍遷到基態(tài)。這些特征特征 光子光子不同于不同于 (n,n ) 的特征的特征 光子。由于這些光子。由于這些 光子的發(fā)射與復合核的壽命相關，一般很快，故稱為光子的發(fā)射與復合核的壽命相關，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)中子感生瞬發(fā) 射線射線”，同樣在核分析技術中有重，同樣在

27、核分析技術中有重要的應用。要的應用。復合核的形成。復合核的形成。 當發(fā)生當發(fā)生(n, )反應后，反應后，新形成的核素新形成的核素是是放射性的放射性的，就是，就是常說的常說的“活化活化”，測量活化核素的放射性可以用來測量，測量活化核素的放射性可以用來測量中子流的注量率區(qū)分中子的能量范圍。中子流的注量率區(qū)分中子的能量范圍。2) 發(fā)射帶電粒子的中子核反應發(fā)射帶電粒子的中子核反應 如如(n, )，(n,p)等，這些反應在中子探測中等，這些反應在中子探測中應用很多，成為應用很多，成為探測中子的主要手段探測中子的主要手段。 如如(n,2n)，(n,np)等，這些反應的閾能較高，等，這些反應的閾能較高，在在

28、810MeV以上，只有特快中子才能發(fā)生。以上，只有特快中子才能發(fā)生。3) 裂變反應裂變反應 (n,f)4) 多粒子發(fā)射多粒子發(fā)射中子探測的特點：中子探測的特點：1) 中子為中子為中性粒子中性粒子，不能不能直接引起探測介質的直接引起探測介質的電離、激發(fā)。電離、激發(fā)。2) 在探測器或探測介質內必須具備能同中子發(fā)生在探測器或探測介質內必須具備能同中子發(fā)生相互作用產(chǎn)生可被探測的次級粒子的物質相互作用產(chǎn)生可被探測的次級粒子的物質(輻射輻射體體)，中子在輻射體上發(fā)生核反應、核反沖、核，中子在輻射體上發(fā)生核反應、核反沖、核裂變等次級過程，產(chǎn)生帶電的次級粒子，如裂變等次級過程，產(chǎn)生帶電的次級粒子，如 ，p，f

29、 等，探測器記錄這些次級粒子并輸出信號。等，探測器記錄這些次級粒子并輸出信號。3) 中子與中子與輻射體輻射體有較大的有較大的作用截面作用截面，以獲得較，以獲得較大的中子探測效率。大的中子探測效率。1. 1. 核反應法核反應法主要的核反應有：主要的核反應有：MeVLiBn792. 2710 MeVHeLin786. 436 MeVHpHen764. 033 228010113841m 2280106936m 228010105327m 反應截面反應截面與與中子能量中子能量的關系：的關系：nTvvv1100 1/v規(guī)律，即隨中子能量增加，反應截面減規(guī)律，即隨中子能量增加，反應截面減小，因此核反應法

30、適用于小，因此核反應法適用于慢中子慢中子的測量，尤其的測量，尤其是熱中子的測量。是熱中子的測量。反應均為反應均為放熱反應放熱反應，反應能，反應能Q在生成核與出射粒在生成核與出射粒子之間分配。由于反應能子之間分配。由于反應能Q比較大比較大，又主要用于，又主要用于慢中子探測，即：慢中子探測，即：nTQ 故故出射粒子能量出射粒子能量難以反映難以反映慢中子的能量慢中子的能量，因此，因此，核反應法常用于中子核反應法常用于中子的測量。這時，的測量。這時，Q大大易于甄別去除易于甄別去除 本底信號。本底信號。探測介質中含有上述核素探測介質中含有上述核素的的氣體探測器氣體探測器、閃爍探閃爍探測器測器，或，或上述

31、材料作為外輻射體上述材料作為外輻射體的的半導體探測器半導體探測器均可用均可用核反應法核反應法進行中子探測。進行中子探測。2. 2. 核反沖法核反沖法中子與靶核的彈性碰撞產(chǎn)生反沖核。中子與靶核的彈性碰撞產(chǎn)生反沖核。 主要發(fā)生在主要發(fā)生在上，常用上，常用作為作為。反沖質子反沖質子使探測介質電離、激發(fā)而產(chǎn)生輸使探測介質電離、激發(fā)而產(chǎn)生輸出信號。出信號。反沖質子能量反沖質子能量：反沖質子數(shù)反沖質子數(shù)： 2cosnpTT SpN 反沖質子的能譜反沖質子的能譜為為矩形分布矩形分布。此法主要用于。此法主要用于快中子快中子的探測，尤其是快中子的探測，尤其是快中子能量能量的測量。因的測量。因此，探測介質中富含此

32、，探測介質中富含含氫物質含氫物質的探測器，如的探測器，如含含氫正比管氫正比管、有機閃爍體有機閃爍體等適用于核反沖法測量等適用于核反沖法測量快中子能譜?？熘凶幽茏V。3. 3. 核裂變法核裂變法中子與中子與發(fā)生發(fā)生核裂變核裂變產(chǎn)生產(chǎn)生裂變碎片裂變碎片，裂變碎，裂變碎片是片是巨大的帶正電荷的粒子巨大的帶正電荷的粒子，能使探測器輸出，能使探測器輸出信號。通過測量碎片數(shù)，可求得中子注量率。信號。通過測量碎片數(shù)，可求得中子注量率。裂變碎片裂變碎片的的總動能為總動能為150170MeV，形成的形成的脈脈沖幅度沖幅度比比 本底本底脈沖幅度脈沖幅度大得多大得多，可用于可用于強強 輻輻射場射場內中子的測量內中子的

33、測量。熱中子可引起的核裂變熱中子可引起的核裂變核：核：233U，235U，239Pu。如如235U的熱中子截面為的熱中子截面為580b。對慢中子滿足。對慢中子滿足1/v 規(guī)律，僅適用于熱中子的注量率測量。規(guī)律，僅適用于熱中子的注量率測量。一些重核只有當中子能量大于某一一些重核只有當中子能量大于某一閾能閾能才能才能發(fā)生發(fā)生核裂變核裂變，可用此判斷中子的能量。，可用此判斷中子的能量。4. 4. 活化法活化法選用一些選用一些核素核素具有較高的具有較高的活化截面活化截面，活化，活化后放射性核素也具有較易測量的放射性。后放射性核素也具有較易測量的放射性。如：如： InInn116115vSnIn1161

34、16 測量測量 粒子的發(fā)射率粒子的發(fā)射率可確定中子的可確定中子的注量率注量率。一。一般，般，熱中子熱中子的的活化截面活化截面較高，此法適用于較高，此法適用于熱中熱中子的注量率子的注量率的測量。的測量。3.43.4探測學中探測學中 射線含義射線含義電磁輻射電磁輻射 X特征特征 射線：射線：湮沒輻射：湮沒輻射：核能級躍遷核能級躍遷正電子湮沒產(chǎn)生正電子湮沒產(chǎn)生MeVE511. 0 特征特征X射線：射線：原子能級躍遷原子能級躍遷軔致輻射：軔致輻射：帶電粒子速度或運動帶電粒子速度或運動方向改變產(chǎn)生方向改變產(chǎn)生特點：特點： 光子光子是通過是通過次級效應次級效應( (一種一種“單次性單次性”的的隨機事件隨機

35、事件) )與物質的原子或原子核外與物質的原子或原子核外電子作用，一旦光子與物質發(fā)生作用，電子作用，一旦光子與物質發(fā)生作用，光子或者消失或者受到散射而損失能量光子或者消失或者受到散射而損失能量，同時產(chǎn)生同時產(chǎn)生次電子次電子； 次級效應次級效應主要的方式有主要的方式有三種三種，即，即光電效光電效應應、康普頓效應康普頓效應和和電子對效應。電子對效應。 射線射線與物質發(fā)生不同的相互作用都具有一與物質發(fā)生不同的相互作用都具有一定的定的概率概率，仍用，仍用截面截面這個物理量來表示作這個物理量來表示作用概率的大小。而且，用概率的大小。而且，總截面總截面等于等于各作用各作用截面之和截面之和，即：，即：pcph

36、 總截面總截面光電效應截面光電效應截面康普頓效應截面康普頓效應截面電子對效應截面電子對效應截面1 1、光電效應、光電效應Photoelectric EffectPhotoelectric Effect 射線射線( (光子光子) )與物質原子中與物質原子中束縛電子束縛電子作用，把作用，把全部能量全部能量轉移給某個轉移給某個束縛電子束縛電子，使之，使之發(fā)射出去發(fā)射出去( (稱為稱為光電子光電子photoelectron) )，而，而光子本身消失光子本身消失的的過程，稱為過程，稱為光電效應光電效應。 光電效應光電效應是是光子光子與與原子整體原子整體相互作用，而相互作用，而不不是是與與自由電子自由電子

37、發(fā)生相互作用。因此，光電效應發(fā)生相互作用。因此，光電效應主要發(fā)生在原子中結合的主要發(fā)生在原子中結合的最緊的最緊的 K層電子上。層電子上。 光電效應發(fā)生后光電效應發(fā)生后，由于原子，由于原子內層電子出現(xiàn)空內層電子出現(xiàn)空位位，將發(fā)生發(fā)出，將發(fā)生發(fā)出特征特征X X射線射線或或俄歇電子俄歇電子的過程。的過程。1) 1) 光電子的能量光電子的能量ireEEhv 由由能量守恒能量守恒：iehvE ieE 因此，因此，光電子能量光電子能量為：為：光電效應光電效應是是光子光子與與原子整體原子整體的相互作用，的相互作用，而而不是不是與與自由電子自由電子的相互作用。否則的相互作用。否則不能不能同時同時滿足滿足能量能

38、量和和動量守恒動量守恒。2) 2) 光電截面光電截面入射光子入射光子與與物質原子物質原子發(fā)生發(fā)生光電效應光電效應的的截面截面稱之為稱之為光電截面光電截面。kph 45 k為為k層光電截面層光電截面理論上可給出的光電效應截面公式。理論上可給出的光電效應截面公式。20cmh 對：對：，即非相對論情況，即非相對論情況 27552042113227 hZZhcmthk，經(jīng)典電子散射截面，又，經(jīng)典電子散射截面，又稱稱ThomsonThomson截面截面。 20cmh 對：對：，即相對論情況，即相對論情況 hZZhcmthk15 . 155204220238 cmeth KeVh100 對：對：與與吸收限

39、吸收限有關，在吸收限有關，在吸收限 ,LK 處出現(xiàn)階躍而成鋸齒狀。處出現(xiàn)階躍而成鋸齒狀。光電效應截面光電效應截面小結小結：對于對于選擇探測器選擇探測器的的材料材料的提示：的提示：對對防護、屏蔽防護、屏蔽 射線射線的提示：的提示：(1) (1) 與吸收材料與吸收材料Z的關系的關系5Zph 光子能量越高光子能量越高，光電效應截面越小光電效應截面越小。(2) (2) 與射線能量的關系與射線能量的關系ph hv 采用采用高原子序數(shù)的材料，高原子序數(shù)的材料，可可提高探測效率提高探測效率。采用采用高高Z Z材料材料可以有效阻擋可以有效阻擋 射線射線。+3) 3) 光電子的角分布光電子的角分布光電子的角分布

40、光電子的角分布代表進入平均角度為代表進入平均角度為 方向的方向的單位立體角內單位立體角內的的光電子數(shù)的比例。光電子數(shù)的比例。相對相對于于入射入射 光子方向光子方向的角度。的角度。 在在不同出射方向不同出射方向光電子的光電子的產(chǎn)額產(chǎn)額是不同的，這種截是不同的，這種截面對于空間的微分，也就是面對于空間的微分，也就是微分截面微分截面。)( 光電子角分布的特點光電子角分布的特點：(1) (1) 在在 0 0 和和 180180 方向方向沒有光電沒有光電子子飛出；飛出；(2) (2) 光電子在光電子在哪一哪一角度出現(xiàn)最大概率角度出現(xiàn)最大概率與與入入射光子能量有關射光子能量有關；當入射光子；當入射光子能量

41、低能量低時，時，光電子趨于光電子趨于垂直方向發(fā)射垂直方向發(fā)射，當光子，當光子能量較能量較高高時，光電子趨于時，光電子趨于向前發(fā)射向前發(fā)射。2 2、康普頓效應、康普頓效應 Compton EffectCompton Effect 康普頓效應康普頓效應是是 射線射線( (光子光子) )與與核外電子核外電子的的非彈性碰撞非彈性碰撞過程。在作用過程中，入射光子的過程。在作用過程中，入射光子的一部分能量一部分能量轉移給轉移給電電子子，使它脫離原子成為，使它脫離原子成為反沖電子反沖電子，而光子受到散射，其，而光子受到散射，其運動方向運動方向和和能量能量都都發(fā)生變化，發(fā)生變化，稱為稱為散射光子。散射光子。

42、康普頓散射康普頓散射可近似為可近似為光子光子與與自由電子自由電子發(fā)生相互作發(fā)生相互作用（用（彈性碰撞彈性碰撞）?？灯疹D效應主要發(fā)生在原子中結合）?？灯疹D效應主要發(fā)生在原子中結合的的最松的最松的外外層電子上。層電子上。 1) 1) 反沖電子反沖電子與與散射光子散射光子的的能量能量與與散射散射角角及及入射光子入射光子能量能量之間的關系之間的關系hvE 光子的能量：光子的能量：201 cmmvPe /hchvP 電子的動能：電子的動能：光子的動量：光子的動量：20220201cmcmcmEEe 電子的動量：電子的動量：相對論關系：相對論關系：420222cmcPE cv/ 由由能量守恒能量守恒由由動

43、量守恒動量守恒eEvhhv coscosehvhvPcc sinsinehvPc 可得到：可得到：)cos1()cos1(202 EcmEEe)cos1(120 cmhvhvE2012Ectgtgm c 散射光子能量：散射光子能量：反沖電子能量：反沖電子能量：反沖角：反沖角：小結：小結：(1) (1) 散射角散射角 0 0 時，時，hvvh 表明：表明：入射光子從電子旁邊掠過，未受到散入射光子從電子旁邊掠過，未受到散射，光子未發(fā)生變化。射，光子未發(fā)生變化。(2) (2) 散射角散射角 180180 時，時，散射光子能量散射光子能量最小最小，而，而反沖電子能量最大反沖電子能量最大。20min21

44、cmhvhvvh hvcmhvEe2120max, (3) (3) 散射角散射角 在在0 0 180180 之間連續(xù)變之間連續(xù)變化；反沖角化；反沖角 在在9090 0 0 相應變化。相應變化。2) 2) 康普頓散射截面康普頓散射截面入射光子入射光子與與單個電子單個電子發(fā)生發(fā)生康普頓效應康普頓效應的的截截面面稱之為稱之為康普頓散射截面康普頓散射截面。200,38rthhvec 近似與光子能量成反比。近似與光子能量成反比。20cmhv 2020cmer 20cmhv 212ln202020,cmhvhvcmrec 近似與入射光子能量無關，為常數(shù)。近似與入射光子能量無關，為常數(shù)。對對整個原子整個原子

45、的康普頓散射的的康普頓散射的總截面總截面hvhvZZecc2ln, Z 大大，康普頓散射截面，康普頓散射截面大大；入射粒子能量入射粒子能量大大，康普頓散射截面，康普頓散射截面小小。康普頓散射截面與入射光子能量的關系比康普頓散射截面與入射光子能量的關系比光電效應要緩和。光電效應要緩和。其中其中康普頓散射的康普頓散射的微分截面微分截面 ddec)(, 20cmhv 表示表示散射光子散射光子落在某落在某 方向方向單位立體角單位立體角內的內的概率概率。 cos11cos1cos112cos1cos1112222220,rddec2020cmer 可由可由KleinKleinNihsinaNihsina

46、公式給出：公式給出：微分截面有時也用微分截面有時也用 表示表示 ddec)(, ddec)(, 那么，那么， 和和 什么關系？什么關系？ ddec)(, dddsin ddsin2 ddddececsin2)()(, ddec)(sin21, ddddecec)(sin2)(, 3) 3) 反沖電子的反沖電子的角分布角分布和和能量分布能量分布為為反沖電子反沖電子落在落在 方向方向單位立體角內單位立體角內的的概率。概率。( )eedd ,( )( )sinsinc eeedddddd 為為反沖電子反沖電子落在落在 方向方向單位反沖角內單位反沖角內的的概率。概率。( )edd ( )( )2 si

47、neeedddd 為為反沖電子反沖電子落在落在Ee處處單位能量間隔單位能量間隔的概的概率。率。( )eeddE ( )( )eeeeddddEddE 反沖電子反沖電子的的能量分布能量分布，即，即反沖電子的能譜反沖電子的能譜。小結：小結：(1) (1) 任何一種任何一種單能單能 射線射線產(chǎn)生的產(chǎn)生的反沖電子的動反沖電子的動能能都是都是連續(xù)分布連續(xù)分布的。且存在的。且存在最大反沖電子動能最大反沖電子動能。(2) (2) 在在最大反沖電子動能處最大反沖電子動能處，反沖電子數(shù)目，反沖電子數(shù)目最多最多，在在能量較小處能量較小處，存在一個，存在一個坪坪。3 3、電子對效應、電子對效應 Pair Produ

48、ctionPair Production 電子對效應電子對效應是當是當入射入射 射線射線( (光子光子) )能量能量較高較高( (1.022MeV1.022MeV) )時，當它從時，當它從原子核旁原子核旁經(jīng)過時，在經(jīng)過時，在核核庫侖場庫侖場的作用下，的作用下，入射光子入射光子轉化為轉化為一個正電子一個正電子和和一個電子一個電子的過程。的過程。 電子對效應電子對效應除涉及除涉及入射光子入射光子與與電子對電子對以外，必以外，必須有第三者須有第三者原子核的參與，否則不能同時滿原子核的參與，否則不能同時滿足能量和動量守恒。電子對效應要求入射光子的足能量和動量守恒。電子對效應要求入射光子的能量必須大于能

49、量必須大于1.022MeV1.022MeV。1) 1) 正負電子的能量正負電子的能量202cmEEhvee 由由能量守恒能量守恒：202cmhvEEee 因此，因此，正負電子的總動能正負電子的總動能為：為：總動能是在總動能是在電子電子和和正電子正電子之間隨機分配之間隨機分配的，都可以從的，都可以從 取值。取值。)2(020cmhv 由由動量守恒動量守恒，電子和正電子應沿著入射光，電子和正電子應沿著入射光子方向的子方向的前向角度前向角度發(fā)射。發(fā)射。2) 2) 正負電子的運動方向正負電子的運動方向 而且，而且，入射光子的能量越高入射光子的能量越高，正負電子的正負電子的發(fā)射方向越是前傾發(fā)射方向越是前

50、傾。3) 3) 電子對效應的截面電子對效應的截面 EZp2 202cmhv 當：當： 時：時：電子對效應截面電子對效應截面隨隨Z的的增加而增加增加而增加，也也隨入射粒子的能量隨入射粒子的能量的的增加而增加增加而增加。當：當： 稍大于稍大于 時：時：hv202cm EZpln2 4) 4) 電子對效應的后續(xù)過程電子對效應的后續(xù)過程正電子的湮沒。正電子的湮沒。0.511MeV 0.511MeV 的湮沒輻射的湮沒輻射正電子湮沒正電子湮沒 衰變衰變電子對效應電子對效應分析分析 能譜時，若發(fā)現(xiàn)：能譜時，若發(fā)現(xiàn)：4 4、其他作用過程、其他作用過程(1)(1) 相干散射相干散射RayleighRayleigh散射散射，是，是低能光子低能光子與與束縛電子束縛電子間的間的彈性散射。彈性散