物理粒子探測(cè)的基本原理

1、1物理粒子探測(cè)的基本原理粒子探測(cè)主要是指記錄粒子數(shù)目，測(cè)定其強(qiáng)度，確定粒子的性質(zhì)（能量、動(dòng)量、飛行方向等）。根據(jù)粒子的帶電性質(zhì)分類帶電粒子：、p、e、等電磁輻射：x射線、射線中性粒子：n、0、0、等2 帶電粒子與介質(zhì)的相互作用主要是電磁相互作用。電離：當(dāng)入射帶電粒子與介質(zhì)原子較遠(yuǎn)時(shí)，使介質(zhì)的原子產(chǎn)生電離或激發(fā)。擊出: 當(dāng)入射帶電粒子與介質(zhì)原子距離 原子大?。?0-8cm）時(shí)，粒子與原子的電子相互碰撞，使電子從原子中發(fā)射出來(lái)。庫(kù)侖散射：當(dāng)入射帶電粒子與介質(zhì)原子距離 4后能量損失又開(kāi)始緩慢上升，稱作相對(duì)論上升。5）隨著能量繼續(xù)增加，由于原子核外電子電荷密度的屏蔽效應(yīng)，能量損失趨于飽和，物質(zhì)中沉積的

2、能量接近一個(gè)常數(shù)，稱作費(fèi)米坪。73. 電離能量損失的漲落和分布 在厚度為 x 的介質(zhì)層中，入射粒子的平均電離能損為 dE/dx x ，但只有在厚介質(zhì)層時(shí)，實(shí)際電離能損的分布才接近高斯分布。一般為朗道分布，在能量損失分布中有一不對(duì)稱的尾巴landau尾巴。平均沉積和最可幾不一致。8 對(duì)于朗道分布，可以用下式擬合：其中， 為約化能量變量， 它表示與最可幾能量損失 (E)mp的歸一化偏差。 為平均能量損失能量損失的很長(zhǎng)的尾巴意味著產(chǎn)生了能量很高的電子。這種入射帶電粒子與介質(zhì)相互作用能量損失過(guò)程中因碰撞而擊出的能量很高的電子稱為擊出電子或-電子。-電子的能量可以很大其分布為94. -電子 對(duì)于最小電離

3、粒子發(fā)射的電子的能量在幾個(gè)keV量級(jí)（ Tmax 1MeV ），其電子的發(fā)射方向與入射粒子徑跡相垂直，但由于多次散射，其方向很快隨機(jī)化了。105. 電離產(chǎn)額 原初的原子被電離或被激發(fā)，被打擊出來(lái)的電子的能量分布正比于1/E2。能量大于100eV的電子有可能在次級(jí)碰撞中進(jìn)一步電離原子。 總的電離出的離子（或電子）數(shù)目正比于運(yùn)動(dòng)的帶電粒子的能量損失： 這里的是Wi產(chǎn)生一對(duì)離子需要的能量，總的數(shù)量是初級(jí)電 離數(shù)目nP 的27倍。 對(duì)于氣體，產(chǎn)生一對(duì)電子離子對(duì)的平均能量在41eV（氦氣）和22eV（氙）之間。 在半導(dǎo)體中，這個(gè)能量非常小。硅只有，鍺是 。 因此，在同樣能量損失下，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)要多很

4、多，其統(tǒng)計(jì)漲落也小很多。所以，半導(dǎo)體探測(cè)器的相對(duì)能量分辨非常好。但是，制造大體積的純晶體Si，Ge是很困難的，應(yīng)用受到很大限制。當(dāng)入射帶電粒子與介質(zhì)原子的距離比原子半徑小時(shí)，入射粒子將受到原子核電場(chǎng)的作用，入射粒子的軌跡將受到核電場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，這種過(guò)程稱為介質(zhì)原子核的庫(kù)侖散射。散射微分截面由Rutherford散射公式給出小角度散射截面較大，粒子穿過(guò)厚介質(zhì)層時(shí)會(huì)發(fā)生多次小角度庫(kù)侖散射。粒子的運(yùn)動(dòng)方向也將因此而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。11二、多次庫(kù)侖散射庫(kù)侖散射的影響準(zhǔn)直束經(jīng)過(guò)介質(zhì)后成發(fā)散束實(shí)驗(yàn)中，常在磁場(chǎng)中測(cè)量帶電粒子的徑跡偏轉(zhuǎn)角度來(lái)確定它的動(dòng)量，多次coulomb散射限制了對(duì)粒子徑跡偏轉(zhuǎn)方向的測(cè)量精度，從而也

5、限制了對(duì)粒子動(dòng)量的測(cè)量精度。12快速電子受介質(zhì)原子核的電場(chǎng)作用而減速，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，伴隨電磁輻射，能量以光子發(fā)射的形式損失掉，稱為軔致輻射。初始能量為E的電子，在穿過(guò)物質(zhì)厚度X后的平均能量:可見(jiàn)， X0是電子平均能量因?yàn)轫g致輻射而減少為e分之一的物質(zhì)厚度。稱為輻射長(zhǎng)度當(dāng)介質(zhì)為化合物或混合物時(shí)，有： Xi第i種成分的輻射長(zhǎng)度，Pi第i種成分的權(quán)重因子，重量百分比。13二、快速帶電粒子的軔致輻射（bremsstrahlung）軔致輻射發(fā)射角是前向的，均方根發(fā)射角為： ()1/2=mec2/E 帶電重粒子：質(zhì)量比電子大得多，受原子核的偏轉(zhuǎn)較小，僅有較小的輻射損失。若粒子重M，則它的軔致輻射能損是同速

6、度的電子的(me/M)2 倍。韌致輻射的能量損失與介質(zhì)的原子系數(shù)Z2成正比實(shí)際工作中為了減少電子的韌致輻射本底，選用Z小的物質(zhì)，如塑料、鋁等材料做放射源的托片核支架。臨界能量 輻射損失與電離損失相等時(shí)的粒子能量稱為該介質(zhì)的臨界能量 對(duì)電子 EEc，韌致輻射損失為主 Ec/n時(shí)就會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射。切倫科夫輻射與帶電粒子的速度有密切的關(guān)系。速度的大小不僅決定有無(wú)輻射的產(chǎn)生，也決定了輻射的強(qiáng)度、輻射的角度。所以只有1/n 才會(huì)有輻射，這是切倫克夫輻射的閾速度。 16 在時(shí)間間隔 t內(nèi)，波傳播的距離為t c/n，粒子傳播的距離為t c , 由此二距離得到切倫克夫輻射的傳播方向：介 質(zhì)n1閾s金剛石1

7、.420.41ZnS(Ag)1.370.42LeadFluoride0.800.56玻璃0.46-0.750.57-0.68閃爍體toluene0.580.63Plexiglas0.480.68水0.330.75氣凝硅膠0.025-0.0750.93-0.976Pentane(STP)1.710-30.9983CO2(STP)4.310-40.9996He(STP)3.310-50.999971718通過(guò)單位長(zhǎng)度介質(zhì)在每單位光子能量間隔產(chǎn)生的光子數(shù)若介質(zhì)長(zhǎng)L，發(fā)出在波長(zhǎng) 1 和 2 之間的光子總數(shù)為 對(duì)于可見(jiàn)光靈敏的光電倍增管計(jì)數(shù)器而言，1=400nm, 2 =700nm, 我們得到每cm的光

8、子數(shù)為 N/L=490sin2c 四、穿越輻射穿越輻射當(dāng)帶電粒子能量很高時(shí)穿越兩種介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面時(shí)發(fā)生的輻射。常用材料是苯乙烯和類似的介質(zhì)。典型的發(fā)射角輻射的光子能量在2eV-20eV的軟X射線能區(qū)。19五、 同步輻射（Syncrotron Radiation）電子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)相當(dāng)于受到加速而發(fā)出的輻射稱為同步輻射。電子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的軌道曲率半徑為，則一個(gè)相對(duì)性單能電子每轉(zhuǎn)一圈輻射的能量電子的同步輻射比相同動(dòng)量的重粒子的嚴(yán)重得多。電子和質(zhì)子的同步輻射能量損失之比為電子的能量越高，同步輻射越顯著。具有連續(xù)的能譜。在電子回旋的軌道平面內(nèi)，輻射能量主要是沿切線方向，平均輻射角20同步輻射

9、作為新一代光源，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）功率大（2）單色性好（3）流強(qiáng)連續(xù)可調(diào)21小結(jié)帶電粒子與物質(zhì)原子的相互作用主要是與物質(zhì)原子的核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致物質(zhì)原子的電離或激發(fā)，是帶電粒子通過(guò)物質(zhì)是損失能量的主要方式。利用電離或激發(fā)效應(yīng)來(lái)記錄入射粒子是絕大多數(shù)探測(cè)器的物理基礎(chǔ)。它們的差別在于記錄方式不同，大致分為三類：（1）收集電離電荷的探測(cè)器主要收集電離效應(yīng)產(chǎn)生的大量正負(fù)離子，記錄它們的電荷所形成的電壓或電流脈沖。這類探測(cè)器必須加上適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?，形成電?chǎng)以有效收集電荷。如氣體探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器。22（2）收集熒光的探測(cè)器被帶電粒子激發(fā)的原子退激時(shí)發(fā)出熒光。由于熒光很弱，需要通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換放

10、大，即把光脈沖轉(zhuǎn)換成較大的電脈沖光電倍增管。如閃爍計(jì)數(shù)器等。（3）利用離子集團(tuán)作為徑跡中心的探測(cè)器，徑跡探測(cè)器。如核乳膠、云室、氣泡室、火花室等。（4）收集切倫科夫輻射的探測(cè)器，切倫科夫探測(cè)器。（5）收集記錄穿越輻射的探測(cè)器，穿越輻射探測(cè)器。23射線和X射線都為電磁輻射，統(tǒng)稱為光子產(chǎn)生方式不同原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到低能量態(tài)時(shí)放出的射線為射線原子內(nèi)層軌道電子的退激發(fā)或高能電子的軔致輻射所發(fā)出的電磁輻射叫X射線能量范圍不同射線： KeV MeVX射線: 0.1 MeV24 射線的探測(cè)射線與物質(zhì)的相互作用主要有三個(gè)過(guò)程：光電效應(yīng)、Compton效應(yīng)和電子對(duì)產(chǎn)生。射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)其強(qiáng)度按指數(shù)衰減規(guī)律衰減

11、I0入射光子束強(qiáng)度，為物質(zhì)對(duì)光子的吸收衰減系數(shù)，x為物質(zhì)厚度。 若=/，t=x 質(zhì)量厚度， 光子的質(zhì)量衰減長(zhǎng)度或 光子的平均自由程，則25一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)低能光子被介質(zhì)原子吸收而放出電子的效應(yīng)。光電子能量 hv為入射光子能量，Ei為第i殼層電子的結(jié)合能原子退激發(fā)時(shí)發(fā)射特征X射線或俄歇電子。26入射光子原子光電子hv俄歇電子LK原子核55Fe 5.9KeV X射線常用來(lái)對(duì)正比室或多室絲作檢測(cè)，其能量與最小電離粒子在幾cm氣體中的能損相近 Ar: Ek=3.20KeV, ELk =2.70KeV特征X射線 E = Ek-EL= 2.91KeV俄歇電子 E2= E -EL 全能峰 逃逸峰 He:

12、 僅2個(gè)K層電子，只有全能峰，無(wú)逃逸峰 2728光電子的角分布 光電子的角分布與入射光子能量有關(guān)能量低 大角度分散能量高 小角度集中（電離方向）射線與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的總截面 1） 重元素的光電效應(yīng)比輕元素強(qiáng)得多；2）低能射線比高能射線強(qiáng)得多；3）當(dāng)射線能量接近電子的結(jié)合能時(shí)，光電效應(yīng)截面最大。光子與原子內(nèi)層電子作用.2930二、康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)（散射）當(dāng)光子能量上升到原子最高能級(jí)以上時(shí)，成為主要過(guò)程是光子與原子外層電子作用,可看作在自由電子上的散射。Compton wavelength根據(jù)能動(dòng)量守恒散射光子能量反沖電子能量31入射光子核外電子出射電子E出射光子反沖角和散射

13、角之間關(guān)系 3233散射光子和反沖電子的角分布Compton效應(yīng)的散射截面34Compton wavelength三、電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)： 光子從原子核旁經(jīng)過(guò)，當(dāng)光子能量超過(guò)2個(gè)電子靜止質(zhì)量之和即時(shí)， 在原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用下， 光子轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)，正負(fù)電子能量之和等于入射光子能量。 入射光子能量越大，正負(fù)電子的發(fā)射方向越前傾。35入射光子原子核正負(fù)電子對(duì)EE+E-e+e-36 對(duì)一定能量的入射光子電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子的動(dòng)能之和為常數(shù)，但就電子或負(fù)電子而言其動(dòng)能從 0 E -2mec2 都有可能，動(dòng)能分配是任意的。 對(duì)較低能量的光子，產(chǎn)生各種能量的電子對(duì)的幾率大致相等；而對(duì)于高能光子，傾向

14、于其中一個(gè)（正）電子獲得絕大部分能量。37電子對(duì)效應(yīng)與湮滅輻射電子對(duì)湮滅 電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子在吸收物質(zhì)中通過(guò)電離損失和韌致輻射損失能量。正電子很快被慢化。正電子與物質(zhì)的電子相互作用轉(zhuǎn)化為兩個(gè)光子的現(xiàn)象稱作電子對(duì)湮滅。發(fā)生湮滅時(shí)，能動(dòng)量守恒。正負(fù)電子動(dòng)能為0，所以兩個(gè)湮滅光子的總能量等于正負(fù)電子的靜止質(zhì)量。 湮滅前正負(fù)電子總動(dòng)量為0， 湮滅后兩個(gè)光子總動(dòng)量也為0 。電子對(duì)效應(yīng)的截面38碳對(duì)光子的吸收截面39光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)是光子與核外電子的作用結(jié)果，電子對(duì)效應(yīng)是光子與原子核電磁場(chǎng)的作用結(jié)果。三種效應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)，可能同時(shí)存在。三種效應(yīng)的相對(duì)重要性對(duì)低能射線（幾MeV ）和原子序數(shù)高的物質(zhì)電

15、子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)40小結(jié)41在三種效應(yīng)中，每個(gè)光子都是在一次作用中就損失其全部能量或相當(dāng)大部分能量，并發(fā)射出電子。正是這些電子使得探測(cè)射線成為可能。光電效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)所發(fā)射的次級(jí)電子的能量單一，因此射線探測(cè)器的物質(zhì)應(yīng)選用Z盡可能大的材料。帶電粒子和光子與物質(zhì)相互作用的區(qū)別4243四、X ()射線在物質(zhì)中的衰減 當(dāng)X線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)等作用，使射線的強(qiáng)度衰減。即物質(zhì)所致的衰減。射線在物質(zhì)中的衰減隨距離衰減與物質(zhì)作用衰減44射線的衰減吸收系數(shù)化合物和混合物中的質(zhì)量吸收系數(shù)：光子平均吸收長(zhǎng)度4546A、單能線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律(1)、窄束線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律47光子數(shù)

16、表示則滿足lnIlnI0 x 光子數(shù)減少但頻率不變?。?0.2 cm-1)48(2)、寬束線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律積累因子: 某物質(zhì)元中光子計(jì)數(shù)率與未碰撞物質(zhì)的光子計(jì)數(shù)率之比 B。Ns:物質(zhì)元散射光子計(jì)數(shù)率Nn:未碰撞光子計(jì)數(shù)率B是描述散射光子影響反映寬束和窄束區(qū)別的物理量寬束線的衰減規(guī)律B可以通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)近似計(jì)算求得：窄束薄層 中子的探測(cè)中子與物質(zhì)相互作用主要是中子與原子核的強(qiáng)相互作用，即核反應(yīng)。探測(cè)中子就是探測(cè)中子與原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子。中子不帶電，不受庫(kù)侖斥力影響，容易進(jìn)入原子核發(fā)生核反應(yīng)。尤其是慢中子主要是中子通量測(cè)量；中子能量測(cè)量雖很有意義但很難。不同能量中子的探測(cè)原理和探

17、測(cè)器不同。中子能量的區(qū)分：（1）熱中子（2）慢中子（3）中能中子（4）快中子4950 中子不帶電，通過(guò)物質(zhì)時(shí)，只有在與原子核直接碰撞時(shí)發(fā)生相互作用。但慢中子或熱中子進(jìn)入原子核易被俘獲，而快中子與原子核主要發(fā)生彈性碰撞。在中子與質(zhì)子(氫核) 的一次碰撞中, 中子的部分能量傳給質(zhì)子,產(chǎn)生反沖質(zhì)子,這種帶正電重粒子在組織中速度很快下降, 引起高密度電離作用。 中子與氧、碳、氮等原子核也發(fā)生彈性散射，其反沖核引起高密度的電離。快中子與組織中更重的原子核相互作用可引起非彈性散射產(chǎn)生射線。此外, 中子與物質(zhì)的原子核作用還會(huì)產(chǎn)生核反應(yīng), 在反應(yīng)過(guò)程中釋放帶電重粒子、光子或產(chǎn)生放射性核素。 中子與物質(zhì)的作用一

18、、核反沖法核反沖法是記錄中子與原子核彈性散射后的反沖核。在彈性散射過(guò)程中，中子運(yùn)動(dòng)方向改變，能量減少。這減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定的速度運(yùn)動(dòng)，該核稱作反沖核。反沖核具有電荷，可以作為帶電粒子記錄。記錄了反沖核，就探測(cè)到中子。該方法主要用于探測(cè)快中子（，否則不易探測(cè)反沖核）。由能動(dòng)量守恒，對(duì)En0的反應(yīng)，放熱反應(yīng)； Q值0的反應(yīng)，吸熱反應(yīng)。53目前應(yīng)用最多的三種核反應(yīng)： 都是放熱反應(yīng)，反應(yīng)放出的能量變成次級(jí)粒子的動(dòng)能。0是熱中子的反應(yīng)截面，都很大。實(shí)際應(yīng)用最廣的是 反應(yīng)。因?yàn)榕鸩牧媳容^容易得到，氣態(tài)可選用BF3氣體，固態(tài)有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量較高，易濃縮。中子與10B反應(yīng)有兩個(gè)過(guò)程54反應(yīng)截面與中子能量的關(guān)系55反應(yīng)截面與中子速度成反比。核反應(yīng)法主要測(cè)1MeV的慢中子中子的慢化中子與輕原子核的彈