電離輻射探測(cè)-工程碩士課程課件

1、清華大學(xué)工程物理系工程碩士課程輻 射 探 測(cè) 學(xué)Ionization Radiation Detection(2)授課教師：李玉蘭 2009.9.212009.11.9（7次）12.射線與物質(zhì)的相互作用Radiation Interactions with Matter2.1 概論2.2 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用2.3 快電子與物質(zhì)的相互作用2.4 射線與物質(zhì)的相互作用2.5 中子與物質(zhì)的相互作用22.1概論1. 什么是射線？射線，指的是如X射線、射線、射線、射線等，本質(zhì)都是輻射粒子。射線與物質(zhì)相互作用是輻射探測(cè)的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)微觀世界的基本手段。 本課程討論對(duì)象為致電離輻射，輻射能量大于1

2、0eV。即可使探測(cè)介質(zhì)的原子發(fā)生電離的能量。輻射一般是無法直接感知的，只有當(dāng)它們穿過物質(zhì)并和物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)才會(huì)留下些許信息（輻射的種類、能量、強(qiáng)度等）。也才會(huì)有探測(cè)器。3.概論2. 射線與物質(zhì)相互作用的分類帶電粒子輻射非帶電粒子輻射快電子電磁輻射（X、）重帶電粒子中子4.概論3. 彈性碰撞與非彈性碰撞內(nèi)能項(xiàng)彈性碰撞（動(dòng)能守恒）非彈性碰撞（動(dòng)能不守恒）第一類非彈性碰撞比如，入射粒子與處于基態(tài)的原子發(fā)生碰撞，使之激發(fā)或者電離。第二類非彈性碰撞比如，入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)生碰撞，使之退激。5.概論4. 帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程，可分為四種：電離損失帶電粒子與

3、靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞過程。輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程。帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞。帶電粒子與核外電子彈性碰撞。其中，前兩種是主要的：電離損失、輻射損失6.概論(1) 電離損失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庫侖力作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。 電離核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。激發(fā)使核外層電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。7.概論當(dāng)入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)的方式而損失其能量，我們稱它為電離損失。8.概論(2) 輻射損失與原子核的非彈性碰撞過程入

4、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)入射帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，以輻射光子損失其能量，我們稱它為輻射損失。對(duì)于粒子來說，輻射損失是其能量損失的重要方式。對(duì)于重帶電粒子來說，輻射損失的能量份額不大。此外，質(zhì)子、粒子還有可能使原子核激發(fā)，從基態(tài)激發(fā)態(tài)，但是概率很小，可以不考慮。92.1 概論2.2 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用2.3 快電子與物質(zhì)的相互作用2.4 射線與物質(zhì)的相互作用2.5 中子與物質(zhì)的相互作用102.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1. 重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的主要特點(diǎn)重帶電粒子均

5、為荷正電的粒子。重帶電粒子主要通過電離損失的方式來損失能量，使介質(zhì)原子電離或者激發(fā)。重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為直線。112. 重帶電粒子在物質(zhì)中能量的損失規(guī)律（1）能量損失率：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)。 按能量損失作用的不同，能量損失率可分為“電離能量損失率”和“輻射能量損失率”。 12.重帶電粒子在物質(zhì)中能量的損失規(guī)律|能量損失率 對(duì)重帶電粒子，輻射能量損失率相比小的多，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。13（2）Bethe公式 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等關(guān)系的經(jīng)典

6、公式。只是：Bethe按量子理論推導(dǎo)出的公式(非相對(duì)論)也可如此表示此公式由經(jīng)典角度導(dǎo)出14.重帶電粒子在物質(zhì)中能量的損失規(guī)律|Bethe公式 考慮相對(duì)論與其它修正因子，可得到重帶電粒子電離能量損失率的精確表達(dá)式，稱為Bethe-Block公式：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)m0為電子靜止質(zhì)量其中：靶物質(zhì)原子的原子序數(shù)靶物質(zhì)平均等效電離電位相對(duì)論項(xiàng)殼層項(xiàng)：當(dāng)入射粒子的速度小于內(nèi)層電子的速度時(shí)起作用15Bethe公式的含義3) Bethe 公式的討論(2)、 與帶電粒子的電荷z為2次方的關(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

7、速度v的關(guān)系：(4)、 ，吸收材料密度大，原子序數(shù)高的，其阻止本領(lǐng)大。 非相對(duì)論情況下，B隨v變化緩慢，近似與v無關(guān)，則：重離子治癌，質(zhì)子刀，“90%的能量沉積在病灶”16電離能量損失率隨粒子的值的變化17184) Bragg曲線與能量歧離Bragg曲線：帶電粒子的能量損失率沿其徑跡的變化曲線。19能量歧離(Energy Straggling)： 單能粒子穿過一定厚度的物質(zhì)后，將不再是單能的，而發(fā)生了能量的離散。能量歧離是由能量損失是一個(gè)隨機(jī)過程所決定的。20三. 粒子徑跡的特征重帶電粒子在物質(zhì)中徑跡的特征是什么？具有相同速度的質(zhì)子和粒子在水中的計(jì)算徑跡片斷射線：是指帶電粒子在穿透介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的

8、電子-離子對(duì)中的電子具有足夠的能量而可引起進(jìn)一步電離的電子。比電離(specific Ionization)：是指帶電粒子在穿透單位距離介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的離子對(duì)的平均數(shù)?；臼侵本€質(zhì)子、粗細(xì)有別有分叉？能量提高，會(huì)變細(xì)？213、重帶電粒子在物質(zhì)中的射程1) 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。入射粒子在物質(zhì)中行徑的實(shí)際軌跡的長(zhǎng)度稱作路程(Path)。路程 射程重帶電粒子的質(zhì)量大，與物質(zhì)原子相互作用時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方向幾乎不變。因此，重帶電粒子的射程與其路程相近。22射程往往通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定：探測(cè)器源平均射程外推射程入射粒子能量高，其射程長(zhǎng)；反之則短。在某

9、種物質(zhì)中，確定的入射重帶電粒子的射程與粒子能量之間存在著確定的關(guān)系，常以曲線的形式給出。23射程歧離：由于帶電粒子與物質(zhì)的相互作用是一個(gè)隨機(jī)過程，因此單能粒子的射程也是有漲落的，稱為射程歧離。對(duì)圖中曲線進(jìn)行微分，得到一峰狀分布，其寬度常用以度量該粒子在所用吸收體中的射程歧離。24阻止時(shí)間：將帶電粒子阻止在吸收體內(nèi)所需的時(shí)間。阻止時(shí)間T粒子射程R粒子的平均速度對(duì)非相對(duì)論粒子(質(zhì)量M，動(dòng)能E)：25取k0.6單位：秒單位：米單位：u單位：MeV重帶電粒子在固體或液體中的阻止時(shí)間為fs，在氣體中是ns262) 粒子在空氣中的射程為粒子能量，單位為MeV。公式適用范圍：3) BraggKleeman

10、rule:Nc及（dE/dx)C表示化合物（或混合物）的原子密度和能量損失率；Ni及（dE/dx)i表示第i種成分元素的原子密度和能量損失率；Wi第i種成分的原子份額27A為相應(yīng)物質(zhì)的原子量；為相應(yīng)物質(zhì)的密度。相同能量的同一種粒子在不同吸收物質(zhì)中射程之間的關(guān)系可用半經(jīng)驗(yàn)公式描述：多種元素組成的物質(zhì)的原子量怎么計(jì)算？定比定律Mc為化合物的分子量Ni為化合物分子中第i種元素的原子數(shù)28對(duì)由多種元素組成的化合物或混合物，其等效原子量為：化合物或混合物中，第i種元素的原子百分?jǐn)?shù)。對(duì)空氣：已知粒子在空氣中的射程，可以求得粒子在其他物質(zhì)中的射程：294) 同一吸收物質(zhì)中不同重帶電粒子的射程之間的關(guān)系。粒子

11、初速度的單值函數(shù)，對(duì)于同樣的v值，不同粒子取相同的數(shù)值。定比定律入射粒子的屬性304、重帶電粒子在薄吸收體中的能量損失帶電粒子在薄吸收體中的能量損失可計(jì)算為：簡(jiǎn)單測(cè)厚儀原理：315、裂變碎片的能量損失裂變碎片是核裂變所產(chǎn)生的，具有很大質(zhì)量、很大電荷及相當(dāng)高能量的重帶電粒子。很大，射程很短隨著它在吸收體內(nèi)損耗能量而減小，與、質(zhì)子不同。原因：在損耗能量降低速度的同時(shí)也俘獲電子使自身的z不斷減小。322.1 概論2.2 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用2.3 快電子與物質(zhì)的相互作用2.4 射線與物質(zhì)的相互作用2.5 中子與物質(zhì)的相互作用332.3 快電子與物質(zhì)的相互作用快電子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：快電子的

12、速度大；重帶電粒子相對(duì)速度小；快電子除電離損失外，輻射損失不可忽略； 重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量；快電子散射嚴(yán)重。 重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。Interaction of Fast Electrons341、快電子的能量損失率對(duì)快電子，必須考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的電離能量損失和輻射能量損失。電子電離能量損失率的Bethe公式：35輻射能量損失：帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)受物質(zhì)原子核的庫侖作用，其速度和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，會(huì)伴隨發(fā)射電磁波，即軔致輻射。輻射能量損失率：?jiǎn)挝宦窂缴?，由于軔致輻射而損失的能量。量子電動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，輻射能量損失率服從：入射粒子的電荷、能量及質(zhì)量吸收物質(zhì)的原子序

13、數(shù)和單位體積的原子數(shù)36討論：(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(duì)電子才重點(diǎn)考慮。當(dāng)要吸收、屏蔽射線時(shí)，不宜選用重材料。當(dāng)要獲得強(qiáng)的X射線時(shí)，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(dòng)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(shí)，輻射損失大。37對(duì)電子，其輻射能量損失率為：電子的兩種能量損失率之比：E的單位為MeV探測(cè)學(xué)中所涉及快電子的能量E 一般不超過幾個(gè)MeV，所以，輻射能量損失只有在高原子序數(shù)(大Z)的吸收材料中才是重要的。382、快電子的吸收與射程電子的運(yùn)動(dòng)徑跡是曲

14、折的。電子的射程和路程相差很大。電子的射程比路程小得多。391) 單能電子的吸收與粒子吸收的差別由于單能電子和粒子易受散射，其吸收衰減規(guī)律不同于粒子。但均存在最大射程 Rmax。射程往往通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定：探測(cè)器源40對(duì)單能電子，初始能量相等的電子在各種材料中的射程與吸收體密度的乘積近似為常數(shù)：質(zhì)量厚度表示的射程單位為：41單能電子在吸收介質(zhì)中的射程Rm(mg/cm2)與其能量E(MeV)之間的關(guān)系：經(jīng)驗(yàn)公式：42對(duì)粒子，當(dāng)吸收介質(zhì)的厚度遠(yuǎn)小于 時(shí)，粒子的吸收衰減曲線近似服從指數(shù)規(guī)律：為吸收體的吸收系數(shù)t 為吸收體的厚度m為吸收體的質(zhì)量吸收系數(shù)tm 為吸收體的質(zhì)量厚度與粒子的最大能量有關(guān)43射線在鋁

15、中的射程：其它典型物質(zhì)中射線的射程： Ge ：REmax ， (mm, MeV) Al ：R2Emax ， (mm, MeV) Air ：R400Emax ，(cm, MeV) 對(duì)比：4MeV 在空氣中的射程約為2.5cm。442) 電子的散射與反散射 電子與靶物質(zhì)原子核庫侖場(chǎng)作用時(shí)，只改變運(yùn)動(dòng)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(huì)發(fā)生多次散射，最后偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向，電子沿其入射方向發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，稱為反散射。定義反散射系數(shù)：探測(cè)器45對(duì)同種材料，入射電子能量越低，反散射越嚴(yán)重；對(duì)同樣能量的入射電子，原子序數(shù)越高的材料，反散射越嚴(yán)重。對(duì)低能電子在

16、高原子序數(shù)的厚樣品物質(zhì)上的反散射系數(shù)可達(dá)50。從實(shí)驗(yàn)曲線看出：46反散射的利用與避免1) 對(duì)放射源而言，利用反散射可以提高源的產(chǎn)額。2) 對(duì)探測(cè)器而言，要避免反散射造成的測(cè)量偏差。給源加一個(gè)高Z厚襯底。使用低Z材料作探測(cè)器的入射窗和探測(cè)器。探測(cè)器473、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(jī)制和電子相同。 高速正電子進(jìn)入物質(zhì)后迅速被慢化，然后在正電子徑跡的末端與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮沒，放出光子。 或者，它與一個(gè)電子結(jié)合成正電子素，即電子正電子對(duì)的束縛態(tài)，然后再湮沒，放出光子。正電子的特點(diǎn)是： 正電子湮沒放出光子的過程稱為湮沒輻射。 正電子湮沒時(shí)放出的光子稱為湮沒光子。48 正電子湮沒

17、時(shí)一般放出兩個(gè)光子，放出三個(gè)光子的概率僅為放出兩個(gè)光子概率的0.37。 從能量守恒出發(fā)：在發(fā)生湮沒時(shí)，正、負(fù)電子的動(dòng)能為零，所以，兩個(gè)湮沒光子的總能量應(yīng)等于正、負(fù)電子的靜止質(zhì)量。即： 從動(dòng)量守恒出發(fā)：湮沒前正、負(fù)電子的總動(dòng)量為零，則，湮沒后兩個(gè)湮沒光子的總動(dòng)量也應(yīng)為零。即：49因此，兩個(gè)湮沒光子的能量相同，各等于0.511MeV。 而兩個(gè)湮沒光子的發(fā)射方向相反，且發(fā)射是各向同性的。Pair AnnihilationPositron511 keV511 keVE = mc2Two photonstravel in exactly oppositedirectionsElectron50正電子在材

18、料中發(fā)生湮沒的概率：材料中的電子密度，單位1/cm3；電子的經(jīng)典半徑，光速,Z,A 為材料的密度、原子序數(shù)和原子量。正電子壽命 =1/P，固體中=10-10s，氣體中=10-7s51小結(jié)帶電粒子與物質(zhì)的相互作用52Interaction Characteristics:主要為電離能量損失單位路徑上有多次作用單位路徑上會(huì)產(chǎn)生許多離子對(duì)和較大的能量轉(zhuǎn)移每次碰撞損失能量少運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線在所有材料中的射程均很短Heavy Charged Particle Interactions53Electrons and Positrons InteractionsInteraction Characteri

19、stics:電離能量損失和輻射能量損失單位路徑上較少相互作用單位路徑上產(chǎn)生較少的離子對(duì)和較小的能量轉(zhuǎn)移每次碰撞損失能量大路徑不是直線，散射大542.1 概論2.2 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用2.3 快電子與物質(zhì)的相互作用2.4 射線與物質(zhì)的相互作用2.5 中子與物質(zhì)的相互作用55探測(cè)學(xué)中射線含義電磁輻射特征射線：湮沒輻射：核能級(jí)躍遷正電子湮沒產(chǎn)生特征X射線：原子能級(jí)躍遷軔致輻射：帶電粒子速度或運(yùn)動(dòng)方向改變產(chǎn)生56特點(diǎn)：光子是通過次級(jí)效應(yīng)(一種“單次性”的隨機(jī)事件)與物質(zhì)的原子或原子核外電子作用，一旦光子與物質(zhì)發(fā)生作用，光子或者消失或者受到散射而損失能量，同時(shí)產(chǎn)生次電子； 次級(jí)效應(yīng)主要的方式有三

20、種:光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)。 57射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面這個(gè)物理量來表示作用概率的大小。而且，總截面等于各作用截面之和，即：總截面光電效應(yīng)截面康普頓效應(yīng)截面電子對(duì)效應(yīng)截面581、光電效應(yīng)Photoelectric Effect 射線(光子)與物質(zhì)原子中束縛電子作用，把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子，使之發(fā)射出去(稱為光電子photoelectron)，而光子本身消失的過程，稱為光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)是光子與原子整體相互作用，而不是與自由電子發(fā)生相互作用。因此，光電效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的最緊的 K層電子上。 光電效應(yīng)發(fā)生后，由于原子內(nèi)層電子出現(xiàn)空位，將發(fā)生發(fā)出

21、特征X射線或俄歇電子的過程。591) 光電子的能量由能量守恒：因此，光電子能量為：光電效應(yīng)是光子與原子整體的相互作用，而不是與自由電子的相互作用。否則不能同時(shí)滿足能量和動(dòng)量守恒。光電子在第i殼層的結(jié)合能602) 光電截面入射光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的截面稱之為光電截面。k為k層光電截面理論上可給出的光電效應(yīng)截面公式。61對(duì)：，即非相對(duì)論情況 ，經(jīng)典電子散射截面，又稱Thomson截面。 對(duì)：，即相對(duì)論情況 對(duì)：與吸收限有關(guān)，在吸收限 處出現(xiàn)階躍而成鋸齒狀。62光電效應(yīng)截面小結(jié)：對(duì)于選擇探測(cè)器的材料的提示：對(duì)防護(hù)、屏蔽射線的提示：(1) 與吸收材料Z的關(guān)系光子能量越高，光電效應(yīng)截面越小。(2)

22、 與射線能量的關(guān)系采用高原子序數(shù)的材料，可提高探測(cè)效率。采用高Z材料可以有效阻擋射線。633) 光電子的角分布光電子的角分布代表進(jìn)入平均角度為 方向的單位立體角內(nèi)的光電子數(shù)的比例。相對(duì)于入射光子方向的角度。+64在不同出射方向光電子的產(chǎn)額是不同的，這種截面對(duì)于空間的微分，也就是微分截面。光電子角分布的特點(diǎn)：(1) 在 0 和 180 方向沒有光電子飛出；(2) 光電子在哪一角度出現(xiàn)最大概率與入射光子能量有關(guān)；當(dāng)入射光子能量低時(shí)，光電子趨于垂直方向發(fā)射，當(dāng)光子能量較高時(shí)，光電子趨于向前發(fā)射。652、康普頓效應(yīng) Compton Effect 康普頓效應(yīng)是射線(光子)與核外電子的非彈性碰撞過程。在作

23、用過程中，入射光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而光子受到散射，其運(yùn)動(dòng)方向和能量都發(fā)生變化，稱為散射光子。 康普頓散射可近似為光子與自由電子發(fā)生相互作用（彈性碰撞）?？灯疹D效應(yīng)主要發(fā)生在原子中結(jié)合的最松的外層電子上。661) 反沖電子與散射光子的能量與散射角及入射光子能量之間的關(guān)系光子的能量：電子的動(dòng)能：光子的動(dòng)量：電子的動(dòng)量：相對(duì)論關(guān)系：67由能量守恒由動(dòng)量守恒可得到：散射光子能量：反沖電子能量：反沖角：68小結(jié)：(1) 散射角 0 時(shí)，表明：入射光子從電子旁邊掠過，未受到散射，光子未發(fā)生變化。(2) 散射角 180 時(shí)，散射光子能量最小，而反沖電子能量最大。69 當(dāng)h

24、m0c2時(shí)，Ee h 。(4) 當(dāng)h m0c2時(shí)，h h ，湯姆孫散射。(3) 散射角與反沖角存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。702）康普頓散射截面和角分布Klein-Nishina公式：微分截面：角分布：717273康普頓散射總截面：整個(gè)原子的康普頓散射總截面：當(dāng)h m0c2時(shí)，753）反沖電子角分布和能量分布 由反沖電子能量和方向與散射光子能量和方向的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到： 由此得到反沖電子微分截面與散射光子微分截面的關(guān)系： 可以由散射光子微分截面求得反沖電子微分截面。76反沖電子角分布：77反沖電子能量分布：與入射光子能量h相差200keV?？灯疹D邊緣：康普頓坪連續(xù)分布。783、電子對(duì)效應(yīng) Pair Production 電子對(duì)效應(yīng)是當(dāng)入射射線(光子)能量較高(1.022MeV)時(shí)，當(dāng)它從原子核旁經(jīng)過時(shí)，在核庫侖場(chǎng)的作用下，入射光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)電子的過程。 電子對(duì)效應(yīng)除涉及入射光子與電子對(duì)以外，必須有第三者原子核的參與，否則不能同時(shí)滿足能量