核輻射物理及探測學(xué)期末總結(jié)教材課件

1、核輻射物理及探測學(xué) 期末考前總結(jié)復(fù)習(xí)第六章 射線與物質(zhì)的相互作用注意帶電粒子與非帶電粒子與物質(zhì)相互作用的區(qū)別。 帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程，可分為四種，其中前兩種是主要的：(a) 電離損失帶電粒子與靶物質(zhì)原子中軌道電子的非彈性碰撞過程。 (b) 輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程。(c) 核碰撞損失帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞。(d) 帶電粒子與軌道電子彈性碰撞。 入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。 入射帶電粒子與原子核之間的庫侖力作用，使入射帶電粒子的速度和方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射電磁輻射軔致輻射Bremsstrahlung。 當(dāng)入射

2、帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時，以輻射光子的形式損失其能量，稱為輻射損失。6.2 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點 重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量，同時使介質(zhì)原子電離或激發(fā)； 重帶電粒子在介質(zhì)中的運動徑跡近似為直線。 2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1) 能量損失率(Specific Energy Loss) 指單位路徑上引起的能量損失，又稱為比能損失或阻止本領(lǐng)(Stopping Power)。 又分為電離能量損失率和輻射能量損失率。 對重帶電粒子，輻射能量損失率相對小的多，因此重帶電粒子的能量損失率就約等于其電離能量損失率。2) Bethe 公式(Be

3、the formula) Bethe公式是描寫電離能量損失率Sion與帶電粒子速度v、電荷z 以及作用物質(zhì)屬性等關(guān)系的經(jīng)典公式。其中：入射粒子電荷數(shù)入射粒子速度靶物質(zhì)單位體積的原子數(shù)靶物質(zhì)原子的原子序數(shù)靶物質(zhì)平均等效電離電位m0為電子靜止質(zhì)量3) Bethe 公式的討論(2)、 與帶電粒子的電荷數(shù)z的關(guān)系；(1)、 與帶電粒子的質(zhì)量M無關(guān)，而僅與其速度 v 和電荷數(shù) z 有關(guān)。(3)、 與帶電粒子的速度v的關(guān)系：非相對論情況下，B隨v變化緩慢，近似與v無關(guān)，則：(4)、 ，吸收材料密度大，原子序數(shù)高的，其阻止本領(lǐng)大。 1) 重帶電粒子徑跡的特征基本是直線質(zhì)子、徑跡粗細不同有分叉能量高，徑跡細3

4、、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程2) 射程(Range)的定義 帶電粒子沿入射方向所行徑的最大距離，稱為入射粒子在該物質(zhì)中的射程R。 重帶電粒子的質(zhì)量大，與物質(zhì)原子相互作用時，其運動方向幾乎不變。因此，重帶電粒子的射程與其路程相近。2、不同粒子以相同速度，入射在同一物質(zhì)中，關(guān)于射程的幾點討論：例：p、以相同速度入射在同種物質(zhì)中， M/z2均為1，它們的射程相等。1、同種粒子以相同速度，入射在不同物質(zhì)中，如果Z比較接近，常數(shù)快電子與物質(zhì)的相互作用特點：快電子的速度大；快電子除電離損失外，輻射損失不可忽略； 快電子散射嚴重。 1、快電子的能量損失率必須考慮相對論效應(yīng)時的電離能量損失和輻射能量損失。討論：

5、(1) ：輻射損失率與帶電粒子靜止質(zhì)量m的平方成反比。所以僅對電子才重點考慮。當(dāng)要吸收、屏蔽射線時，不宜選用重材料。當(dāng)要獲得強的X射線時，則應(yīng)選用重材料作靶。(2) ：輻射損失率與帶電粒子的能量E成正比。即輻射損失率隨粒子動能的增加而增加。(3) ：輻射損失率與吸收物質(zhì)的NZ2成正比。所以當(dāng)吸收材料原子序數(shù)大、密度大時，輻射損失大。電子的散射與反散射電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場作用時，只改變運動方向，而不輻射能量的過程稱為彈性散射。由于電子質(zhì)量小，因而散射的角度可以很大，而且會發(fā)生多次散射。電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，稱為反散射。對同種材料，電子能量越低，反散射越嚴重；對同樣能量的電子，原子序

6、數(shù)越高的材料，反散射越嚴重。反散射的利用與避免A) 對放射源而言，利用反散射可以提高源的產(chǎn)額。B) 對探測器而言，要避免反散射造成的測量偏差。3、正電子的湮沒正電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的能量損失機制和電子相同。高速正電子被慢化，在正電子徑跡的末端與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒，放出兩個光子。正電子的特點是：兩個湮沒光子的能量相同，各等于511keV兩個湮沒光子的方向相反，且發(fā)射是各向同性的。 射線與物質(zhì)的相互作用特點：光子通過次級效應(yīng)與物質(zhì)的原子或核外電子作用，光子與物質(zhì)發(fā)生作用后，光子或者消失或者受到散射而損失能量，同時產(chǎn)生次電子； 次級效應(yīng)主要的方式有三種，即光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。 射線

7、與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，用截面來表示作用概率的大小?？偨孛娴扔诟髯饔媒孛嬷?，即：作用截面與吸收物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系總體來說，吸收物質(zhì)原子序數(shù)越大，各相互作用截面越大，其中光電效應(yīng)隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)變化最大，康普頓散射變化最小。光電效應(yīng)康普頓散射電子對效應(yīng)作用截面與入射光子能量的關(guān)系光電效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而減小，開始時變化劇烈，后基本成反比。電子對效應(yīng)截面隨入射光子能量增加而增加，只有光子能量大于1.022MeV才能發(fā)生?？灯疹D散射截面開始基本為常數(shù)，隨入射光子能量增加而減小，減小比光電效應(yīng)緩慢。次電子能量光電效應(yīng)： 光電子康普頓散射：反沖電子電子對效應(yīng)：正負電子對隨機

8、變量的運算和組合(A)(B)相互獨立的隨機變量的“和”、“差”與“積”的數(shù)學(xué)期望，是各隨機變量數(shù)學(xué)期望的“和”、“差”與“積”，即： 第七章 輻射探測中的概率統(tǒng)計問題(C)相互獨立的隨機變量的“和”與“差”的方差，是各隨機變量方差的“和” ，即： (D)相互獨立的遵守泊松分布的隨機變量之“和”仍服從泊松分布。但是相互獨立的遵守泊松分布的隨機變量之“差”，不服從泊松分布。串級隨機變量的主要特點：(A) 期望值：(B) 方差：(C) 相對方差： 假如第一級隨機變量的數(shù)學(xué)期望很大，那么就可以忽略第二級隨機變量的相對方差對串級隨機變量的相對方差的貢獻。 (D) 由兩個伯努利型隨機變量1和2串級而成的隨

9、機變量 仍是伯努利型隨機變量。若 1 和 2 的正結(jié)果發(fā)生概率分別為p1和p2，則 正結(jié)果發(fā)生概率為：(E) 由泊松分布的隨機變量1與伯努利型隨機變量2串級而成的隨機變量 仍遵守泊松分布。設(shè)1的平均值為m1,而2的正結(jié)果發(fā)生概率為p2，則 的平均值為： 對于一個具有N0個放射性核的放射源，在t 時間內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)N遵守二項式分布。長壽命核素，其衰變概率很小為有限量在t 時間內(nèi)總衰變數(shù)N遵守泊松分布期望值方差核衰變數(shù)的漲落放射性測量的統(tǒng)計誤差(1). 探測器輸出計數(shù)的統(tǒng)計分布脈沖計數(shù)器的測量過程可以概括為三個基本過程，其計數(shù)值為一個三級串級型隨機變量。 源發(fā)射粒子數(shù)n1射入探測器粒子數(shù)n2探測器

10、輸出脈沖數(shù)n3(2). 探測計數(shù)的統(tǒng)計誤差粒子計數(shù)探測器輸出脈沖數(shù)服從統(tǒng)計分布規(guī)律，當(dāng)計數(shù)的數(shù)學(xué)期望值m較小時，服從泊松分布。 m較大時，服從高斯分布。而且，m較大時，m與有限次測量的平均值 和任一次測量值 N 相差不大。 N為單次測量值標(biāo)準(zhǔn)偏差 隨計數(shù)N增大而增大，因此用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示測量值的離散程度：計數(shù)測量結(jié)果的表示：表示一個置信區(qū)間，該區(qū)間包含真平均值的概率為68.3（置信度）。電離過程的漲落與法諾(Fano) 分布由于各次碰撞電離過程是非獨立的，產(chǎn)生的離子對數(shù)不能簡單用泊松分布來描述，而要對泊松分布進行修正，引入法諾因子FF一般取 (氣體)或 0.10.15(半導(dǎo)體) 不同材料法

11、諾因子不同， F由實驗測定。把這種分布稱為法諾分布。n1代表一個入射粒子束脈沖中包含的粒子數(shù)，是一個服從泊松分布的隨機變量。每個入射帶電粒子在探測器內(nèi)產(chǎn)生n2個離子對，也是一個隨機變量，且服從法諾分布。輸出信號 N是n1和n2 的串級型隨機變量由于n1服從泊松分布，n2服從法諾分布粒子束脈沖的總電離電荷量的漲落相鄰兩個脈沖時間間隔T服從指數(shù)分布。表明：在短時間內(nèi)出現(xiàn)第二個脈沖的概率較大。一些常見情況：(1)計數(shù)統(tǒng)計誤差的傳遞例如：存在本底時凈計數(shù)誤差的計算：第一次，沒有樣品，在時間t內(nèi)測得本底的計數(shù)為Nb；第二次，放上樣品，在相同時間內(nèi)測得樣品和本底的總計數(shù)為Ns。樣品的凈計數(shù)為：其標(biāo)準(zhǔn)偏差為

12、：(2)或例如：計數(shù)率的誤差：設(shè)在 t 時間內(nèi)記錄了N個計數(shù)，則計數(shù)率為n=N/t，計數(shù)率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為：(3)或(4) 平均計數(shù)的統(tǒng)計誤差對某樣品重復(fù)測量k次，每次測量時間t相同(等精度測量)，得到k個計數(shù) 則在時間t內(nèi)的平均計數(shù)值為：由誤差傳遞公式，平均計數(shù)值的方差為：多次重復(fù)測量結(jié)果表達：平均計數(shù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差：(5) 存在本底時凈計數(shù)率誤差的計算：第一次，在時間tb內(nèi)測得本底的計數(shù)為Nb；第二次，在時間ts內(nèi)測得樣品和本底的總計數(shù)為Ns。樣品的凈計數(shù)率為：標(biāo)準(zhǔn)偏差為：相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為：(6) 不等精度獨立測量值的平均 如果對同一量進行了k次獨立測量，各次測量的時間為ti，

13、計數(shù)為Ni。這是不等精度測量。這時，簡單的求平均不再是求單次“最佳值”的適宜方法。需要進行加權(quán)平均，使測量精度高的數(shù)據(jù)在求平均值時的貢獻大，精度低的貢獻小。結(jié)果表示為：如果k次測量的時間均相等，則測量為等精度測量： 從統(tǒng)計誤差而言，無論是一次測量還是多次測量，只要總的計數(shù)相同，多次測量的平均計數(shù)率相對誤差和一次測量的計數(shù)率的相對誤差是一致的。(7) 測量時間的選擇(B) 有本底存在時，需要合理分配樣品測量時間ts和本底測量時間tb。(A) 不考慮本底的影響；根據(jù)： 在相對標(biāo)準(zhǔn)偏差給定的情況下，所需最小測量時間為：輻射探測器學(xué)習(xí)要點：探測器的工作機制；探測器的輸出回路與輸出信號；探測器的主要性能

14、指標(biāo)；探測器的典型應(yīng)用。Pulse amplitude (log scale)第八章 氣體探測器電離室工作機制：入射帶電粒子(或非帶電粒子的次級效應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子)使氣體電離產(chǎn)成電子離子對，電子離子對在外加電場中漂移，感應(yīng)電荷在回路中流過，從而在輸出回路產(chǎn)生信號。輸出信號：電荷、電流、電壓。是理想的電荷源。是近似理想的電流源（條件：V(t) tc ( tc為載流子收集時間 )時，為電壓脈沖型工作狀態(tài)：輻射在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對數(shù) 由于h與Cd有關(guān)，而結(jié)電容隨偏壓而變化，因此當(dāng)所加偏壓不穩(wěn)定時，將會使 h 發(fā)生附加的漲落；為解決該矛盾，PN結(jié)半導(dǎo)體探測器通常采用電荷靈敏前置放大器。則輸出脈

15、沖幅度為：輸出回路的時間常數(shù)為：主要性能1) 能量分辨率（線寬表示）(1) 輸出脈沖幅度的統(tǒng)計漲落 E1(2) 噪聲引起的展寬 E2電子學(xué)噪聲主要由第一級FET構(gòu)成，包括：零電容噪聲和噪聲斜率。(3) 窗厚度的影響 E3(4) 電子與空穴陷落的影響 E42） 分辨時間與時間分辨本領(lǐng)：3） 能量線性很好，與入射粒子類型和能量基本無關(guān)4） 輻照壽命輻照壽命是半導(dǎo)體探測器的一個致命的弱點。隨使用時間的增加，載流子壽命變短。 耗盡層厚度為12mm。 對強穿透能力的輻射而言，探測效率受很大的局限。P-N結(jié)半導(dǎo)體探測器存在的矛盾：鋰漂移探測器1) 空間電荷分布、電場分布及電位分布I區(qū)為完全補償區(qū)，呈電中性

16、為均勻電場；I區(qū)為耗盡層，電阻率可達1010cm；I區(qū)厚度可達1020mm，為靈敏體積。2) 工作條件 為了降低探測器和FET的噪聲，同時為降低探測器的表面漏電流，探測器和FET都置于真空低溫的容器內(nèi)，工作于液氮溫度(77K)。 對Ge(Li)探測器，須保持在低溫下； 對Si(Li)探測器，可在常溫下保存。高純鍺探測器1) P區(qū)存在空間電荷，HPGe半導(dǎo)體探測器是PN結(jié)型探測器。2) P區(qū)為非均勻電場。3) P區(qū)為靈敏體積，其厚度與外加電壓有關(guān)，一般工作于全耗盡狀態(tài)。4) HPGe半導(dǎo)體探測器可在常溫下保存，低溫下工作。5) 注意其空間電荷分布、電場分布及電位分布性能其中：Si(Li)和Ge(

17、Li)平面型探測器用于低能(X)射線的探測，其能量分辨率常以55Fe的衰變產(chǎn)物55Mn的KX能量5.95keV為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：1) 能量分辨率：為載流子數(shù)的漲落。為漏電流和噪聲； 為載流子由于陷阱效應(yīng)帶來的漲落，通過適當(dāng)提高偏置電壓減小。 HPGe，Ge(Li)同軸型探測器用于射線探測，常以60Co能量為1.332MeV的射線為標(biāo)準(zhǔn)，一般指標(biāo)約：2) 探測效率一般以3英寸3英寸的NaI(Tl)晶體為100，用相對效率來表示。以85cm3的HPGe為例，探測效率為19。3) 峰康比P = 全能峰峰值/康普頓平臺的峰值與FWHM以及體積有關(guān)，可達6008004) 能量線性：非常好5) 時間特性

18、：電流脈沖寬度約10-910-8s.1) HPGe和Ge(Li)用于組成譜儀：鍺具有較高的密度和較高的原子序數(shù)(Z=32) 應(yīng)用2) Si(Li)探測器 由于Si的Z14，對一般能量的射線，其光電截面僅為鍺的1/50，因此，其主要應(yīng)用為： 低能量的射線和X射線測量， 在可得到較高的光電截面的同時，Si的X射線逃逸將明顯低于鍺的X射線逃逸； 粒子或其他外部入射的電子的探測，由于其原子序數(shù)較低，可減少反散射。探測器的工作機制及輸出信號產(chǎn)生的物理過程氣體探測器中的電子離子對閃爍探測器中被 PMT的D1收集的電子半導(dǎo)體探測器中的電子空穴對產(chǎn)生每個信息載流子的平均能量分別為30eV(氣體探測器)300e

19、V(閃爍探測器)3eV(半導(dǎo)體探測器)探測器的信息載流子電離室：電子-正離子對的生成；離子對在電場中的漂移；感應(yīng)電荷的流動；輸出電流信號和電壓信號。 正比計數(shù)器：非自持放電-碰撞電離與雪崩過程；光子反饋與離子反饋及多原子分子氣體；氣體放大系數(shù)。GM管：自持放電-電子雪崩的傳播及正離子鞘的形成；自熄過程；有機管與鹵素管的工作機制的特點。 閃爍探測器：發(fā)光機制；閃爍體的發(fā)光衰減時間常數(shù)；光子的收集-光電轉(zhuǎn)換-光電子被D1收集-電子倍增-電子在最后打拿極與陽極間運動產(chǎn)生信號。 半導(dǎo)體探測器：空間電荷形成的電場；電子-空穴對的形成；PN結(jié)及PIN結(jié)的形成及工作原理。 1）電荷量： （電離室、半導(dǎo)體探測

20、器） （正比計數(shù)器） （閃爍探測器） （GM管） 探測器的輸出信號2）電流信號氣體和半導(dǎo)體探測器的電流信號的一般表達式： 正比計數(shù)器： 閃爍探測器： 3）電壓信號： 等效電路與輸出回路時間常數(shù) 一般表達式 （1）電流工作狀態(tài)-反映粒子束流的平均電離效應(yīng)，條件： 輸出直流電流 電壓 （2）脈沖工作狀態(tài)-反映單個入射粒子的電離效應(yīng)，條件： 電流脈沖工作狀態(tài)： tc為載流子收集時間，電壓脈沖形狀與電流脈沖相似電壓脈沖工作狀態(tài)： 電壓脈沖為電流脈沖在電容上的積分，且有 （3）脈沖束工作狀態(tài)-反映粒子束脈沖的總電離效應(yīng)，輻射源為脈沖束源。條件探測器的工作狀態(tài)電離室正比計數(shù)器閃爍探測器半導(dǎo)體探測器1）統(tǒng)計

21、漲落部分各種探測器的能量分辨率 對于電離室譜儀，放大器輸出的脈沖幅度為： 其中，A為放大器的放大倍數(shù)，是一個連續(xù)型隨機變量。則：2) 放大器放大倍數(shù)漲落的影響 放大器的噪聲對輸出脈沖幅度漲落的影響是疊加的關(guān)系，即：電離室輸出脈沖幅度放大器噪聲折合到輸入端的信號幅度幅度平均值為：其相對均方漲落：其中 ，為放大器的信噪比.3) 放大器噪聲的影響 綜合考慮統(tǒng)計漲落、放大器放大倍數(shù)A的漲落、放大器噪聲的影響，則電離室譜儀放大器輸出信號的相對均方漲落為： 要使分析器道寬影響不超過1/100，F(xiàn)WHM內(nèi)須不少于67道。 幅度分析器的道寬對能量分辨率也有影響： 能量分辨率為：能量分辨率的表示百分數(shù)表示線寬表

22、示(單位為keV)考慮影響能量分辨率的各種因素時，譜儀的總分辨率： 放射性樣品的活度測量相對法測量簡便，但條件苛刻：必須有一個與被測樣品相同的已知活度的標(biāo)準(zhǔn)源，且測量條件必須相同。絕對測量法復(fù)雜，需要考慮很多影響測量的因素，但絕對測量法是活度測量的基本方法。1) 小立體角法2) 4計數(shù)法第十二章 輻射測量方法射線能譜的測定單能能譜的分析1) 單晶譜儀主過程：全能峰光電效應(yīng)所有的累計效應(yīng)；康普頓平臺、邊沿及多次康普頓散射；單、雙逃逸峰。2) 單能射線的能譜其他過程：和峰效應(yīng)；I(或Ge)逃逸峰；邊緣效應(yīng)(次電子能量未完全損失在靈敏體積內(nèi))。屏蔽和結(jié)構(gòu)材料對譜的影響：散射及反散射峰；湮沒峰；特征X

23、射線。24Na的衰變綱圖AB24Na的NaI能譜ABA+B SEBDEB58Co的衰變綱圖ABC58Co的NaI能譜ABC800+511Ann. Rad.各種譜儀裝置1) 單晶譜儀。探測器放大器多道分析器計算機2) 全吸收反康普頓譜儀。主探測器符合環(huán)前置放大反符合帶門控的多道前置放大控制信號測量信號3) 康普頓譜儀(雙晶譜儀)。放大器放大器符合電路帶門控的多道主探測器輔探測器測量信號門控信號4) 電子對譜儀(三晶譜儀)輔I輔II放大器放大器放大器符合帶門控的多道測量信號門控信號中子與物質(zhì)的相互作用1. 中子的散射 1) 彈性散射 (n,n) 中子與物質(zhì)的相互作用實質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。反沖核的動能：2)