射線與物質的相互作用

1、1射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用 堪培拉北京代表處堪培拉北京代表處2射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用u具有一定動能的射線會與物質發(fā)生相互作用，叫做致電離輻射。u第一節(jié)概述u第二節(jié)重帶電粒子與物質的相互作用u第三節(jié)快電子與物質的相互作用u第四節(jié)射線與物質的相互作用u第五節(jié)中子與物質的相互作用3第一節(jié)概述第一節(jié)概述u一致電離輻射的種類u二彈性碰撞和非彈性碰撞u三帶電粒子在物質中的慢化4一、致電離輻射的種類一、致電離輻射的種類 帶電粒子輻射帶電粒子輻射 非帶電粒子輻射非帶電粒子輻射 快電子：，；快電子：，； 電磁輻射：電磁輻射：、射線；射線； 重帶電粒子重帶電粒子 中子中子 n；

2、致電離輻射：能量大于10eV量級的射線。我們以后提到的“輻射”或“射線”，均指“致電離輻射”。TdP, e 5二彈性碰撞和非彈性碰撞二彈性碰撞和非彈性碰撞 相互作用過程中，滿足能量守恒：EMVmvMVmv2 2 2221212121 當E = 0時，彈性碰撞； 當E 0時，非彈性碰撞； E 0時，為第一類非彈性碰撞，如入射粒子與處于基態(tài)的核碰撞，且使核激發(fā)； E 0時，為第二類非彈性碰撞，如入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的核碰撞。 帶電粒子通過庫侖力與物質發(fā)生相互作用。6三帶電粒子在物質中的慢化三帶電粒子在物質中的慢化載能帶電粒子在靶物質中的慢化過程，可以分為四種過程，其中前兩個過程是主要的： (1)電

3、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。 入射帶電粒子與核外電子的庫侖作用，使電子獲得能量引起： 電離核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子，主要發(fā)生在最外層電子。電子。 激發(fā)使核外層電子由低能級躍遷到高能級而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。電離損失是帶電粒子在物質中損失動能的主要方式。7三帶電粒子在物質中的慢化三帶電粒子在物質中的慢化(2) 輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程。 入射帶電粒子速度和方向發(fā)生變化，同時發(fā)射韌致輻射。輻射損失是輕帶電粒子損失動能的一種重要方式。(3) 帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞 入射粒子不輻射光子，不激發(fā)原子核，方向偏轉； 入射粒子損

4、失一部分動能，靶核得到反沖。 叫做核碰撞損失，核阻止； 主要對低能重離子入射。8三帶電粒子在物質中的慢化三帶電粒子在物質中的慢化(4) 帶電粒子與靶原子中核外電子彈性碰撞 與電子的庫侖作用，使入射粒子方向偏轉； 入射粒子損失一部分動能，但能量轉移很小，電子能量狀態(tài)不發(fā)生改變。 100eV以下的粒子才需考慮。910第二節(jié)重帶電粒子與物質中的相互作用第二節(jié)重帶電粒子與物質中的相互作用一電離損失率二重帶電粒子的射程特點特點：重帶電粒子均為帶正電荷離子；主要通過電離損失而損失能量，同時使介質原子電離或激發(fā)；其運動徑跡近似為直線。 與核外電子的非彈性碰撞； 與原子核的非彈性碰撞。11一、電離損失率一、電

5、離損失率能量損失率： 入射帶電粒子在物質中經(jīng)過單位路程損失的能量。radionradiondxdEdxdESSdxdES 有：電離損失率，輻射損失率。對于重帶電粒子，也叫線性阻止本領。ioniondxdESS12一、電離損失率一、電離損失率假設：（1）物質原子的電子可以看成是自由的(入射粒子的動能大于大于電子的結合能)。 （2）物質原子的電子可看成是“靜止”的。 （3）由于碰撞中入射粒子傳給電子的能量比自身能量小得多，可認為在碰撞后入射帶電粒子仍按原方向運動。 根據(jù)量子理論，并考慮了相對論修正。推導出來的重帶電粒子電離能量損失率的精確表達式稱為Bathe-Block公式： 13一、電離損失率一

6、、電離損失率Bathe-Block公式： NBvmezdxdEion20424ZCIvmZB2220)1ln(2ln式中：z 為入射帶電粒子電荷數(shù)； Z 為靶物質原子的原子序數(shù)； N 為靶物質單位體積中的原子數(shù)； v 為入射帶電粒子速度； I 為靶物質平均等效電離電位； m0 為電子靜止質量； =v/c 為重粒子速度與真空中光速之比。14一、電離損失率一、電離損失率Bathe公式的幾點討論：例如，1MeV的p與2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S與入射粒子質量無關，只與電荷z及速度v有關。)()(0021vSvSmm221121mESmESmm2、S與入射粒子的電荷平方z2成正比，)(

7、)(02220211vSzzvSmm例如，相同速度的p與，S=4Sp 。15一、電離損失率一、電離損失率3、S與靶物質的電子密度NZ成正比，NZS Z吸收材料原子序數(shù)高、材料密度大的材料其阻止本領大。 4、S與v2的關系 v2較小，S 1/v2 ； v2較大，相對論效應，對數(shù)項增大，S上升 ； v2很小，電荷交換效應，俘獲； v2極小，核阻止作用。16一、電離損失率一、電離損失率圖中，b部分代表非相對論狀況，c部分代表相對論狀況。a部分是入射粒子能量很低時的情況。1718第三節(jié)快電子與物質的相互作用第三節(jié)快電子與物質的相互作用 特點： 1、運動速度大； 2、電離損失，輻射損失； 3、碰撞中能量

8、轉移大，方向改變大(散射嚴重)。 快速電子：e ， 。 一能量損失率 二吸收與射程 三正電子與物質的相互作用19一、快電子的能量損失率一、快電子的能量損失率 對于快速電子，考慮相對論效應時的電離損失率：BvmNZedxdEion20422222201122ln)1 (2lnIEvmB22211811快速電子在物質中穿透本領比重帶電粒子大得多。20一、快電子的能量損失率一、快電子的能量損失率 快速電子損失能量的方式：電離損失，輻射損失。在單位路程上通過輻射損失的能量叫做輻射損失率：312ln137) 1(4204204cmEEcmeZNZdxdErad 輻射損失的方式是發(fā)出韌致輻射。帶電粒子穿過

9、物質時受到物質原子核的庫侖作用，速度大小和運動方向都發(fā)生變化，這時伴隨發(fā)射電磁波。稱之為軔致輻射。 21一、快電子的能量損失率一、快電子的能量損失率 結論：1、輻射損失率與入射粒子質量m的平方成反比。 所以，重帶電粒子的輻射損失可以忽略不計；僅對電子才重點考慮。 2、輻射損失率與靶物質NZ2成正比。當電子能量高以及吸收材料原子序數(shù)大時，輻射損失更顯著。為吸收、屏蔽射線時不宜選用重材料。但為獲得強的射線，則用重材料如鎢作為靶材料。 3、輻射損失率與入射粒子能量E成正比。22一、快電子的能量損失率一、快電子的能量損失率 快速電子總的能量損失：radiondxdEdxdEdxdE 入射電子能量高，輻

10、射損失起主要作用； 入射電子能量低，電離損失起主要作用。700)()(ZEdxdEdxdEionrad例如：靶物質Pb，Z=82，當Ee9MeV，兩者相當。23二、吸收與射程二、吸收與射程 快速電子在物質中有散射現(xiàn)象。 大于90的散射叫做反散射。吸收： 電子束通過一定厚度的物質時，強度減弱的現(xiàn)象。特點： 電子的路程遠大于射程； 電子的射程有較大歧離。24二、吸收與射程二、吸收與射程 1、單能電子束的吸收最大吸收厚度R025二、吸收與射程二、吸收與射程 2、 射線的吸收teII0REmax由于放射性同位素源發(fā)射的粒子的能量是從零到最大能量連續(xù)分布的。其吸收衰減曲線恰好具有近似指數(shù)的形式，在半對數(shù)

11、坐標中近似為直線。26二、吸收與射程二、吸收與射程 27二、吸收與射程二、吸收與射程 3、射線在鋁中的射程典型物質中射線的射程： Ge ：REmax ， (mm, MeV) Al ：R2Emax ， (mm, MeV) Air ：R400Emax ，(cm, MeV) 對比：4MeV 在空氣中的射程約為2.5cm。38. 1max407. 0ER 當 0.15MeVEmax0.8MeV 時，MeV),g/cm(2133. 0542. 0maxER當0.8MeVEmax3MeV 時，MeV),g/cm(228二、吸收與射程二、吸收與射程 4、反散射 入射電子在物質中發(fā)生大角度偏轉，又從入射表面發(fā)

12、射出來。定義： 反散射系數(shù)，0II E小，大； Z大，大。29三、正電子與物質的相互作用三、正電子與物質的相互作用 對電子與物質相互作用的全部規(guī)律都適用于正電子與物質相互作用過程。正電子在吸收體中的徑跡類似于負電子的，其能量損失率及射程也與初始能量相同的負電子相同。 正電子在物質中也會發(fā)生電離損失、輻射損失。 處于熱能的正電子會與吸收物質中的電子發(fā)生正電子湮沒。20212cmhhchch21keV5112021cmhh3031第四節(jié)第四節(jié) 射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用 光子不帶電； 光子與電子或原子核存在電磁相互作用， 在一次作用中損失全部能量或大部分能量。 射線是能量很高的電磁波

13、，具有波粒二象性。 一光電效應 二康普頓散射 三電子對效應 四 射線的吸收32一、光電效應一、光電效應光電效應特征：ieBhE1、光電子動能等于光子能量與結合能之差：通常，hBi所以，hEe 光子與一個原子作用，把能量全部交給原子，使一個束縛電子從原子中發(fā)射出來，光子消失。入射光子與內層電子發(fā)生光電效應的幾率較大。33一、光電效應一、光電效應2、光電效應伴隨有特征x射線和Auger電子。 從內殼層打出電子，原子處于激發(fā)態(tài)。原子退激過程： 發(fā)出特征x射線， 發(fā)出Auger電子。3、光電截面ph的主要特征光子與物質原子發(fā)生相互作用時發(fā)生光電效應的概率用“光電效應截面”來表示，簡稱“光電截面”。34

14、一、光電效應一、光電效應527527204132ZhZhcmthKph當當hvm0c2，即相對論情況即相對論情況其中， =1/137,稱為Thomson截面。220238cmeth5ZKph127)()(hhKph35一、光電效應一、光電效應總光電截面ph ：MphLphKphph光電效應主要發(fā)生在K殼層上：phKph54吸收邊(限)36一、光電效應一、光電效應結論：（1）phZ5。對于選擇探測器的探測介質時采用高原子序數(shù)材料，一提高探測效率。對防護、屏蔽射線時同樣采用高Z材料。（2）光電效應截面隨入射光子能量增加而減小。37一、光電效應一、光電效應4、光電子的角分布 入射能量增加，最大截面向

15、小角度方向移動。 在 =0和 =180方向上沒有觀察到光電子。38二、康普頓散射二、康普頓散射 散射光子，散射角 ； 反沖電子，反沖角 。與原子外層電子的散射， “自由電子”； 光子的一部分能量交給電子，使電子從原子中發(fā)射出來，光子的能量和方向發(fā)生改變。軌道電子速度遠小于光速， “靜止電子”。 散射光子還可繼續(xù)發(fā)生Compton散射和光電效應。39二、康普頓散射二、康普頓散射1、能量與角度關系未知數(shù)：h，Ee ， ， 。根據(jù)能量守恒：220201cmhcmhcos1cos20cmchch根據(jù)動量守恒：sin1sin20cmch40二、康普頓散射二、康普頓散射聯(lián)解得到康普頓移動：)cos1 (2

16、02cmhhh解得：)cos1 (120cmhhh)cos1 (120hcmhhhEe2120tgcmhctg41二、康普頓散射二、康普頓散射2、結論(1) 散射光子和反沖電子的能量是連續(xù)的。 大，Ee大，h小； 小，Ee小，h大。(2) 幾種特殊情況： =0，h=h ； =，h= (h)min ； 大于150以后， h 200keV，形成反散射峰。42二、康普頓散射二、康普頓散射(3) 散射角與反沖角存在一一對應的關系。(4) 當h m0c2時，Ee h 。43二、康普頓散射二、康普頓散射康普頓散射總截面：dddecce,dddecce,整個原子的康普頓散射總截面：cecZ當h m0c2時，

17、212ln202020cmhhcmrZc45二、康普頓散射二、康普頓散射反沖電子能量分布：eeeedEddddEd與入射光子能量h相差200keV?？灯疹D邊緣：hcmhEe2120eedEddd康普頓坪連續(xù)分布。46三、電子對效應三、電子對效應電子對效應的特征： 光子從原子核旁經(jīng)過，在核的庫侖場作用下，光子轉化成為正負電子對。1、能量關系 從能量守恒：202cmEEhee202cmh電子對效應發(fā)生的條件：)2(0,20cmhEEee電子動能范圍：47三、電子對效應三、電子對效應2、電子對效應必須在有原子核參加時才能發(fā)生。 在電子的庫侖場中也可以發(fā)生電子對效應：204cmh3、電子對效應之后伴隨

18、正電子湮沒。 原子核帶走多余的動量，又不帶走過多的動能。20212cmhhchch21keV5112021cmhh48三、電子對效應三、電子對效應 如果吸收物質足夠大，吸收的總能量為：202cmEEEee正負電子來自何方？ 不是從原子核中釋放的； 如果一個湮沒光子從吸收物質逃逸，2020cmhcmEEEee 如果兩個湮沒光子都從吸收物質逃逸，202cmhEEEee 也不是來自原子中的電子軌道； 是射線轉化而來，是物質不同形態(tài)的轉化。h49三、電子對效應三、電子對效應4、截面 當入射光子能量不同時，各種作用截面不同；)ln()(22hZhZp202cmh202cmh 當 h m0c2 時，三種作

19、用都可能發(fā)生，入射光子與物質原子作用的總截面為：pcph50小結：小結：（1 1）作用截面與吸收物質原子序數(shù)的關系）作用截面與吸收物質原子序數(shù)的關系5Zph Zc 2Zp 總體來說，總體來說，吸收物質原子序數(shù)越大吸收物質原子序數(shù)越大，各相互作用，各相互作用截面越大截面越大，其中其中光電效應隨吸收物質原子序數(shù)變化最大光電效應隨吸收物質原子序數(shù)變化最大，康普頓散射康普頓散射變化最小。變化最小。光電效應光電效應康普頓散射康普頓散射電子對效應電子對效應51小結：小結：（2 2）三種相互作用截面與）三種相互作用截面與 能量的關系能量的關系2/ 7)/ 1 (hvph 光電效應截面光電效應截面隨隨入射光子

20、能量增入射光子能量增加而減小，開始加而減小，開始時變化劇烈，后時變化劇烈，后基本成反比?；境煞幢取?(Khv )/ 1 (hvph )(20cmhv hvp )52(2020cmhvcm hvpln )505 (2020cmhvcm 電子對效應截面電子對效應截面隨入射光子能量隨入射光子能量增加而增加，只增加而增加，只有光子能量大于有光子能量大于1.022MeV1.022MeV才能發(fā)才能發(fā)生。生。thhvc 0hvhvcln )(20cmhv 康普頓散射截面康普頓散射截面開始基本為常數(shù)，開始基本為常數(shù)，隨入射光子能量隨入射光子能量增加而減小，減增加而減小，減小比光電效應緩小比光電效應緩慢。慢。

21、)(20cmhv 52小結：小結：（2 2）三種相互作用與）三種相互作用與 能量的關系能量的關系53小結：小結：hBhEie)cos1 (120hcmhEe(3)次電子能量光電效應： 康普頓散射效應： 電子對效應： 202cmhEEEee54小結：小結：（4 4）三種相互作用的生成物）三種相互作用的生成物光電效應：光電子；特征X射線，俄歇電子?？灯疹D效應：散射光子，反沖電子。電子對效應：正、負電子，湮沒光子。（5 5）三種相互作用的相對重要性）三種相互作用的相對重要性 低能、高Z，光電效應占優(yōu)勢； 高能、高Z，電子對效應占優(yōu)勢； 中能、低Z，康普頓散射占優(yōu)勢。55小結：小結：5657第五節(jié)中子

22、與物質的相互作用第五節(jié)中子與物質的相互作用中子的分類： 慢 中 子：E1keV，其中：熱中子E0.0253eV； 中能中子：E1100keV； 快 中 子：E0.120MeV；慢中子(En100keV)與核發(fā)生相互作用： 轉移給核的動能較大，反應截面很小，測反沖核。中子主要通過核反應或彈性散射產(chǎn)生重帶電粒子。58中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用 1、中子在核能釋放過程中起著關鍵的作用； 2、中子技術在應用領域有很大發(fā)展； 3、中子不帶電，與原子核發(fā)生相互作用不受庫侖位壘的阻擋。中子與物質的相互作用是與原子核的相互作用。中子探測的基本方法： 核反應、核反沖、核裂變、活化。中子探測的特殊地

23、位：59一、核反應法一、核反應法 利用中子產(chǎn)生的發(fā)射帶電粒子核反應，記錄帶電粒子引起的電離現(xiàn)象就可以探測中子。主要探測中子的強度，也可探測快中子的能譜。 能利用的發(fā)射帶電粒子核反應需要反應截面較大。1、MeV(93.9%)31. 2MeV(6.1%)792. 2*7710LiLiBnMeV478. 07*7LiLi 天然硼中10B的含量為19.8%，易濃縮，應用最廣。b)93837(060一、核反應法一、核反應法 反應能最大，有利于區(qū)分中子與信號。 天然鋰中6Li的含量為7.5%，高濃縮鋰價格昂貴。2、MeV786. 436HLinb)4940(0 反應截面最大； 反應能最小，不利于區(qū)分中子和

24、信號； 天然氦中3He的含量很低，只有1.4104 %。 3、MeV764. 033pHHenb)75333(061一、核反應法一、核反應法4、MeV627. 01414pCNnb9 . 10 反應能和反應截面都小， 用作對含氫正比計數(shù)器進行能量刻度。 Elog21log三種截面與能量的關系： vE11得到截面的1/v定律： 62二、核反沖法二、核反沖法在彈性散射中： 中子的能量和方向發(fā)生改變； 原子核獲得一定的動能，不改變內部狀態(tài)，叫做反沖核。 反沖核是運動的帶電粒子。 通過記錄帶電粒子來探測中子，叫做核反沖法。 核反沖法主要用于快中子探測。EEnN單位時間單位面積內的反沖核數(shù)目：dNsMME上式：中子通量密度，散射截面，靶原子密度，靶厚度。63二、核反沖法二、核反沖法當中子能量E30MeV時，22cos)(4nnMmMMmEE 常選用石蠟、聚乙烯、水等材料作為中子慢化劑； 選用輕核作為中子探測器和靶材料，如塑料閃爍體、有機液體閃爍體等。2cosEEp反沖質子法： 由動量守恒關系，在一次反沖中，反沖角度范圍：90064二、核反沖法二、核反沖法當 = 0時，EEp反沖核的選擇：1、輕核反沖