粒子與物質(zhì)相互作用課件

1、2022/10/15粒子探測(cè)1第二章 粒子探測(cè)的物理基礎(chǔ)2-1 帶電粒子和物質(zhì)的相互作用2-2 光子和物質(zhì)的相互作用2-3 強(qiáng)子和物質(zhì)的強(qiáng)相互作用2-4 高能粒子和物質(zhì)作用與簇射2022/10/11粒子探測(cè)1第二章 粒子探測(cè)的物理基礎(chǔ)2022/10/15粒子探測(cè)22-1 帶電粒子和物質(zhì)的相互作用粒子不能被直接觀測(cè)，只有通過(guò)它們與物質(zhì)的相互作用才能被探測(cè)。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2022/10/11粒子探測(cè)22-1 帶電粒子和物質(zhì)的相互2022/

2、10/15粒子探測(cè)3一、帶電粒子電離和激發(fā)損失能量 1. 電離和激發(fā)入射帶電粒子與物質(zhì)原子的電子發(fā)生庫(kù)侖相互作用而損失能量，物質(zhì)原子的電子獲得能量。當(dāng)電子獲得能量足以克服原子核的束縛，則電子就脫離原子成為自由電子。這就是電離。電離的結(jié)果形成一對(duì)正離子和自由電子。若內(nèi)殼層電子被電離后，該殼層留下空穴，外層電子躍遷來(lái)填補(bǔ)，同時(shí)放出特征X射線或俄歇電子。當(dāng)電子獲得能量較少，不足以克服原子核的束縛成為自由電子，將躍遷到較高的能級(jí)。這就是原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，作短暫停留后，將從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，這就是退激。退激時(shí)，釋放的能量以熒光的形式發(fā)射出來(lái)。2022/10/11粒子探測(cè)3一、帶電粒子

3、電離和激發(fā)損失能量2022/10/15粒子探測(cè)4激發(fā)過(guò)程：退激發(fā)原子放出低能熒光光子電離過(guò)程：產(chǎn)生電子-離子對(duì)。入射粒子動(dòng)量洛侖茲因子一次散射傳遞給靜止電子的最大動(dòng)能低能時(shí)，2me/m01，若mem0，近似有對(duì)其他粒子，任意能量，分母中的平方項(xiàng)均可忽略，對(duì)相對(duì)論粒子，Ekin E，pc E對(duì)輕子， 對(duì)電子，2022/10/11粒子探測(cè)4激發(fā)過(guò)程：退激發(fā)原子放出低能熒2022/10/15粒子探測(cè)5電離損失帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致原子電離或激發(fā)，是粒子損失動(dòng)能的主要方式。電離損失通常把某種物質(zhì)中粒子通過(guò)單位長(zhǎng)度所損失的能量稱為該粒子在這種物質(zhì)中的能量損失或稱為該物質(zhì)對(duì)這種粒子的阻止本領(lǐng)

4、，用 表示。 大，表明這種粒子在該物質(zhì)中的電離本領(lǐng)大，即該粒子通過(guò)單位長(zhǎng)度物質(zhì)損失的能量較多，即該物質(zhì)對(duì)這種粒子的阻止本領(lǐng)大。2. 帶電粒子能量的電離損失2022/10/11粒子探測(cè)5電離損失帶電粒子與核外電子的非2022/10/15粒子探測(cè)6Energy transfer: I dE Tmax , I: mean excitation potential II0Z, I0=10eVRelativistic rise: ln 2 term Relativistic rise cancelled at high by “density effect”. Parametrized by Fermi

5、 plateauBethe-Bloch formula2022/10/11粒子探測(cè)6Energy transfer2022/10/15粒子探測(cè)7Particles can only be detected if they deposit energy in matter.How do they lose energy in matter?Interaction of charge particlesclassical2022/10/11粒子探測(cè)7Particles can o2022/10/15粒子探測(cè)8一個(gè)有用的常數(shù)在入射粒子能量較低時(shí)Bethe-Bloch公式 計(jì)算時(shí)，能損通常使用的單位是

6、 相應(yīng)dx單位為g/cm2，代表面質(zhì)量密度為物質(zhì)密度（單位：g/cm3），ds為長(zhǎng)度（單位：cm）。這樣選取單位的好處是能損在很大程度上與物質(zhì)的具體性質(zhì)無(wú)關(guān)。 2022/10/11粒子探測(cè)8一個(gè)有用的常數(shù)在入射粒子能量較2022/10/15粒子探測(cè)9電離損失的分布 在厚度為x的介質(zhì)中，入射粒子的平均電離損失為 當(dāng)介質(zhì)厚度較厚時(shí)，電離損失分布接近高斯分布；當(dāng)介質(zhì)很薄時(shí)，由于相互作用的次數(shù)少，能量損失的統(tǒng)計(jì)漲落很大，電離損失分布很不對(duì)稱，在能量大的區(qū)域有很長(zhǎng)的尾巴朗道分布。 2022/10/11粒子探測(cè)9電離損失的分布2022/10/15粒子探測(cè)10 朗道分布與最概然能損之間的偏差實(shí)際能損最概然能

7、損j=0.2，=(K/2)z2(Z/A)(x/2)MeV，x單位g/cm2能損分布中對(duì)應(yīng)最大概率處的能損薄層吸收體中能量損失的分布2022/10/11粒子探測(cè)10 朗道分布與最概然能損之間的2022/10/15粒子探測(cè)11 電子入射帶電粒子與介質(zhì)相互作用能量損失過(guò)程中因碰撞而擊出能量很高的電子，它可以繼續(xù)與其他介質(zhì)原子相互作用產(chǎn)生次級(jí)電離。電子產(chǎn)生的概率很小，其能譜表達(dá)式 要求 ，定義同前。當(dāng)T4后，能量損失又開始緩慢上升，稱作相對(duì)論上升。8）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)中沉積的能量接近一個(gè)常數(shù)，稱作費(fèi)米坪。9）當(dāng)粒子能量很高時(shí)，軔致輻射能量損失

8、開始起重要作用。2022/10/11粒子探測(cè)156）隨著入射粒子能量的增加，2022/10/15粒子探測(cè)16二、帶電粒子通過(guò)介質(zhì)時(shí)的多次庫(kù)侖散射庫(kù)侖散射當(dāng)入射粒子與介質(zhì)原子的最近距離小于原子半徑(10-8cm)時(shí)，受介質(zhì)原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為庫(kù)侖散射。Rutherford散射公式 對(duì)小角度散射截面很大。帶電粒子穿過(guò)厚的介質(zhì)時(shí)將發(fā)生多次小角度庫(kù)侖散射。這些小角度散射是彼此獨(dú)立的，粒子穿過(guò)整個(gè)介質(zhì)層最終的偏轉(zhuǎn)角是這些小角度散射的總效果。2022/10/11粒子探測(cè)16二、帶電粒子通過(guò)介質(zhì)時(shí)的多次2022/10/15粒子探測(cè)17多次庫(kù)侖散射的分布可以由Molliere理論描

9、述。理論證明對(duì)小角度散射其分布近似為高斯分布，較大角度偏轉(zhuǎn)為Rutherford散射。2022/10/11粒子探測(cè)17多次庫(kù)侖散射的分布可以由Mo2022/10/15粒子探測(cè)18經(jīng)驗(yàn)公式 進(jìn)一步簡(jiǎn)化， 要減少散射本底，應(yīng)選用原子系數(shù)低的材料做放射源襯托、支架和屏蔽室的內(nèi)層材料。P入射粒子動(dòng)量, 單位MeV/c；X0介質(zhì)的輻射長(zhǎng)度, x/X0以輻射長(zhǎng)度為單位的介質(zhì)厚度。2022/10/11粒子探測(cè)18經(jīng)驗(yàn)公式P入射粒子動(dòng)量, 單2022/10/15粒子探測(cè)19三、 軔致輻射（Bremsstrahlung）軔致輻射當(dāng)入射帶電粒子與介質(zhì)原子的最近距離比原子半徑10-8cm小，而又比核半徑10-13c

10、m大時(shí)，在核庫(kù)侖場(chǎng)中受到庫(kù)侖散射，使其運(yùn)動(dòng)減速，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并伴隨弱的電磁輻射。軔致輻射能量損耗 平均能量損失 電子的軔致輻射能損 Emec2/Z1/32022/10/11粒子探測(cè)19三、 軔致輻射（Bremss2022/10/15粒子探測(cè)20輻射長(zhǎng)度X0：則初始能量為E0的電子穿過(guò)厚度為x(g.cm-2)的介質(zhì)后的平均能量為:當(dāng)介質(zhì)厚度x=X0時(shí)，電子在介質(zhì)中因輻射損失而使能量減低到初始能量的1/e，稱X0為介質(zhì)的輻射長(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，wi第i種成分的權(quán)重因子，重量百分比。經(jīng)驗(yàn)公式2022/10/11粒子探測(cè)20輻射長(zhǎng)度X0：經(jīng)驗(yàn)公式2022/

11、10/15粒子探測(cè)21臨界能量Ec：電離能損等于軔致輻射能損所對(duì)應(yīng)的入射粒子能量。Rossi定義：快速帶電粒子在介質(zhì)中通過(guò)一個(gè)輻射長(zhǎng)度后僅由電離而損失的能量。 對(duì)固體介質(zhì) EEc，軔致輻射損失為主 Ec/n時(shí)就會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射。產(chǎn)生機(jī)理：介質(zhì)原子或分子的極化與退極化； 電磁輻射的相干疊加，在一定方向得到加強(qiáng)。產(chǎn)生條件：（1）快速帶電粒子做勻速運(yùn)動(dòng)，且（2）均勻透明的介質(zhì)（3）滿足 在與粒子運(yùn)動(dòng)方向成角的 方向上電磁輻射相干加強(qiáng)，才能觀測(cè)到。2022/10/11粒子探測(cè)24四、切倫科夫輻射Cheren2022/10/15粒子探測(cè)25 切倫科夫輻射的特點(diǎn)（1）切倫科夫輻射角（2）閾速度（3）閾動(dòng)

12、能（4）最大輻射角（5）有連續(xù)的可見光2022/10/11粒子探測(cè)25 切倫科夫輻射的特點(diǎn)（1）2022/10/15粒子探測(cè)26五、 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。帶電粒子穿越兩種介質(zhì)時(shí)，所攜帶電荷與其鏡像電荷在不同介質(zhì)中建立的電磁場(chǎng)是不同的，在穿越界面的瞬間出現(xiàn)的電磁場(chǎng)的改變，導(dǎo)致了X光的輻射。常用材料是苯乙烯和類似的介質(zhì)。穿越輻射能量與入射粒子的因子成正比。典型的發(fā)射角輻射光譜從可見光到X光區(qū)。2022/10/11粒子探測(cè)26五、 穿越輻射穿越輻射當(dāng)帶電2022/10/15粒子探測(cè)27穿越輻射的形成區(qū)厚度 EP介質(zhì)中等離子體能量，E穿越輻

13、射光子能量由于飽和效應(yīng)，最大形成區(qū)厚度:粒子能量，正比于E/m。根據(jù)穿越輻射總能量的差別可以鑒別相對(duì)論性粒子。由于穿越輻射很弱，用多層介質(zhì)疊起來(lái)使用。2022/10/11粒子探測(cè)27穿越輻射的形成區(qū)厚度2022/10/15粒子探測(cè)28六、同步輻射（Syncrotron Radiation）同步輻射電子在磁場(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。輻射能量電子在磁場(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2022/10/11粒子探測(cè)28六、同步輻射（Syncrot2022/10/15粒子探

14、測(cè)29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，平均輻射角同步輻射作為新一代光源，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)2022/10/11粒子探測(cè)29電子的能量越高，同步輻射越顯2022/10/15粒子探測(cè)30七、帶電粒子的射程能量關(guān)系射程帶電粒子在某種物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)到最后靜止所經(jīng)過(guò)的距離，用R表示。 能量大質(zhì)量小的粒子在電子密度小的吸收物質(zhì)中的射程長(zhǎng)。平均射程使帶電粒子計(jì)數(shù)下降到正好是沒有吸收體時(shí)的帶電粒子計(jì)數(shù)一半的吸收體厚度，用R0表示。外推射程吸收曲線的下降直線部分延長(zhǎng)與X軸相交對(duì)應(yīng)的射程， 用R外推表示。等效射程

15、Rm=R，單位g/cm2， 吸收物質(zhì)密度2022/10/11粒子探測(cè)30七、帶電粒子的射程能量關(guān)2022/10/15粒子探測(cè)31 射程歧離：初始能量相同的單個(gè)粒子的路徑長(zhǎng)度的漲落。 在薄吸收體中的能量損失 吸收體厚度2022/10/11粒子探測(cè)31 射程歧離：初始能量相同的單2022/10/15粒子探測(cè)32能量相同的同一種重粒子在給定的物質(zhì)中具有基本相同的固定射程。粒子徑跡2022/10/11粒子探測(cè)32能量相同的同一種重粒子在給定2022/10/15粒子探測(cè)33射程與粒子能量關(guān)系（經(jīng)驗(yàn)公式） 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣中 質(zhì)子 粒子 粒子在其他介質(zhì)中的射程，近似有 電子（0.5MeVE5MeV)在鋁中的

16、射程：2022/10/11粒子探測(cè)33射程與粒子能量關(guān)系（經(jīng)驗(yàn)公式2022/10/15粒子探測(cè)34高能子的射程能量為1TeV的子在鐵中的射程達(dá)265m。能量大于10GeV的子在巖石(Z=11,A=22)中的射程2022/10/11粒子探測(cè)34高能子的射程2022/10/15粒子探測(cè)352022/10/11粒子探測(cè)352022/10/15粒子探測(cè)362022/10/11粒子探測(cè)362022/10/15粒子探測(cè)37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)時(shí)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

17、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)墓ぷ麟妷海纬呻妶?chǎng)以有效收集電荷。如氣體探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器。2022/10/11粒子探測(cè)37小結(jié)帶電粒子與物質(zhì)原子的相互2022/10/15粒子探測(cè)38（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)

18、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。韌致輻射和同步輻射是附加產(chǎn)物，對(duì)高能電子探測(cè)器必須考慮它們的影響。2022/10/11粒子探測(cè)38（2）收集熒光的探測(cè)器，被帶2022/10/15粒子探測(cè)39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)、ComptonWu效應(yīng)和電子對(duì)產(chǎn)生。產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子被探測(cè)器記錄，射線被間接探測(cè)。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。 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， 為光子的質(zhì)量衰減長(zhǎng)度 或光子的平均自由程，則 2-2 光子和物質(zhì)的相互作用2022/10/11粒子探測(cè)39

19、射線與物質(zhì)的相互作用主要有2022/10/15粒子探測(cè)40發(fā)生作用光子數(shù)（s1 cm2）靶物質(zhì)原子數(shù)（cm2） 入射光子數(shù)（s1 cm2）射線與物質(zhì)發(fā)生三重相互作用都具有一定的幾率，用截面表示。定義： 表示一個(gè)入射光子與單位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生作用的幾率，單位靶恩（b） 1b=10-24cm2 吸收衰減系數(shù)與光子的各種相互作用過(guò)程的截面有關(guān)。i為第i種過(guò)程的作用截面，A為原子量，NA為阿伏加德羅常數(shù)2022/10/11粒子探測(cè)40發(fā)生作用光子數(shù)（s1 cm2022/10/15粒子探測(cè)41一、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

20、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。入射光子原子光電子hv俄歇電子LK原子核2022/10/11粒子探測(cè)41一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)低能光2022/10/15粒子探測(cè)42X射線譜 L限K限吸收限吸收限光子能量光電質(zhì)量衰減系數(shù)X射線譜X射線吸收限2022/10/11粒子探測(cè)42X射線譜 L限K限吸收限吸收2022/10/15粒子探測(cè)43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.2022/10/11粒子探測(cè)43射線與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)2022/10/15

21、粒子探測(cè)44二、康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)光子與原子外層電子作用,可看作在自由電子上的散射。Compton wavelength2022/10/11粒子探測(cè)44二、康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)光子2022/10/15粒子探測(cè)45 根據(jù)能動(dòng)量守恒散射光子能量反沖電子能量入射光子核外電子出射電子E出射光子2022/10/11粒子探測(cè)45 根據(jù)能動(dòng)量守恒入射光子核2022/10/15粒子探測(cè)46反沖角和散射角之間關(guān)系 2022/10/11粒子探測(cè)46反沖角和散射角之間關(guān)系2022/10/15粒子探測(cè)47Compton-Wu效應(yīng)的散射截面Compton wavelength 對(duì)有Z個(gè)電子的原子，其散射截面 2022/10/

22、11粒子探測(cè)47Compton-Wu效應(yīng)的散2022/10/15粒子探測(cè)48Compton-Wu散射反沖電子能譜2022/10/11粒子探測(cè)48Compton-Wu散射反沖2022/10/15粒子探測(cè)49三、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1.02MeV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。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02mec2都有可能，動(dòng)能分配是任意的。入射光子能量越大，正負(fù)電子的發(fā)射方向越前傾。入射光子原子核正負(fù)電子對(duì)EE+E-e+e-

23、2022/10/11粒子探測(cè)49三、電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)： 2022/10/15粒子探測(cè)50 電子對(duì)效應(yīng)與湮滅輻射2022/10/11粒子探測(cè)50 電子對(duì)效應(yīng)與湮滅輻射2022/10/15粒子探測(cè)51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2022/10/11粒子探測(cè)51電子對(duì)湮滅 電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生2022/10/1

24、5粒子探測(cè)52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)低能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)； 對(duì)中能射線和原子序數(shù)低的物質(zhì)康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)； 對(duì)高能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。小結(jié)2022/10/11粒子探測(cè)52光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)是光子2022/10/15粒子探測(cè)53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，因此探測(cè)射線應(yīng)選用Z盡可能大的材料做探測(cè)

25、器。2022/10/11粒子探測(cè)53在三種效應(yīng)中，每個(gè)光子都是2022/10/15粒子探測(cè)54五、X ()射線的吸收 當(dāng)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)度逐漸減弱。2022/10/11粒子探測(cè)54五、X ()射線的吸收 2022/10/15粒子探測(cè)55射線的吸收吸收系數(shù)2022/10/11粒子探測(cè)55射線的吸收2022/10/15粒子探測(cè)56高能強(qiáng)子通過(guò)介質(zhì)與原子核發(fā)生彈性散射和非彈性散射。能量在GeV以上的質(zhì)子質(zhì)子散射總截面趨于常數(shù)50mb。1mb=10-27cm2在低能區(qū)隨能量不同，彈性散射和非彈性散射截面有較大變化。p52 表2.3.1核作用長(zhǎng)度I核碰

26、撞長(zhǎng)度T2-3 強(qiáng)子與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用一、強(qiáng)相互作用2022/10/11粒子探測(cè)56高能強(qiáng)子通過(guò)介質(zhì)與原子核發(fā)生2022/10/15粒子探測(cè)57強(qiáng)子截面與能量相關(guān)，對(duì)不同的強(qiáng)相互作用粒子也不同。計(jì)算吸收長(zhǎng)度和相互作用程度時(shí)，一般假設(shè)非彈性散射截面和總截面不隨能量變化，也不因粒子種類而改變。Z6的物質(zhì)的吸收長(zhǎng)度和相互作用長(zhǎng)度都大于輻射長(zhǎng)度X0計(jì)算發(fā)生強(qiáng)相互作用幾率 設(shè)N是每個(gè)核子的相互作用截面，則單位面質(zhì)量密度發(fā)生一次相互作用的幾率為： g-1cm2=NNA 若已知原子截面A，則 g-1cm2=ANA/A2022/10/11粒子探測(cè)57強(qiáng)子截面與能量相關(guān)，對(duì)不同的2022/10/15粒子探測(cè)58

27、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)。通過(guò)探測(cè)中子與物質(zhì)相互作用的次級(jí)產(chǎn)物來(lái)探測(cè)中子。不同能量中子的探測(cè)原理和探測(cè)器不同。二、中子與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用 2022/10/11粒子探測(cè)58中子與物質(zhì)相互作用主要是中子2022/10/15粒子探測(cè)591、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

28、探測(cè)到中子。該方法主要用于探測(cè)快中子。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)。2022/10/11粒子探測(cè)612、核反應(yīng)法核反應(yīng)法主要用于2022/10/15粒子探測(cè)62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。不同動(dòng)能中子在239Pu中的總反應(yīng)截面2022/10/11粒子探測(cè)62目前應(yīng)用最多的三種核反應(yīng)：不2022/10/15粒子探測(cè)63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： p56

29、-57 表2.3.2給出一些常用材料的中子反應(yīng)截面。2022/10/11粒子探測(cè)63實(shí)際應(yīng)用最廣的是 2022/10/15粒子探測(cè)643、核裂變法核裂變法就是通過(guò)記錄中子與重核作用產(chǎn)生的裂變碎片來(lái)探測(cè)中子的方法。探測(cè)不同能量的中子選用不同的裂變材料 對(duì)熱中子和慢中子選235U(=528b)，239Pu (=743b) ，233U (=531b)。裂變時(shí)放出能量很大，大約是200 MeV，兩個(gè)裂變碎片共帶走170MeV的能量。入射中子能量遠(yuǎn)小于它，故該法不能測(cè)量中子能量，主要測(cè)量中子通量。核裂變法特點(diǎn)是放出反應(yīng)能很大，所以本底對(duì)測(cè)量沒有影響，可以在強(qiáng)本底下測(cè)量中子。許多重核只有在入射中子能量大于

30、某個(gè)閾值后才能發(fā)生裂變。利用一系列不同閾能的裂變?cè)貋?lái)判斷中子的能量，這種探測(cè)器稱為閾探測(cè)器。2022/10/11粒子探測(cè)643、核裂變法核裂變法就是通過(guò)2022/10/15粒子探測(cè)65常用裂變閾探測(cè)器材料特性裂變材料熱中子裂變截面（mb)閾能（MeV）3MeV時(shí)裂變截面（mb)半衰期（y)232Th231Pa234U236U238U237Np209Bi0.2100.6 Ec時(shí)，粒子以輻射損失能量為主 E 1000 GeV)Electromagnetic Shower輻射長(zhǎng)度Xo：高能電子由于韌致輻射損失能量，其平均能量減小到原初能量的1/e時(shí)所通過(guò)介質(zhì)的平均厚度。近似有2022/10/11粒子探測(cè)71Energy loss by2022/10/15粒子探測(cè)72電磁簇射能量沉積的平均縱向發(fā)展分布可用am