射線與物質(zhì)相互作用

射線與物質(zhì)相互作用第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日1.3.1帶電粒子與物質(zhì)作用帶電粒子主要是指α

、β粒子，兩者銷有區(qū)別：α粒子帶正電，有4個質(zhì)量，為重粒子，速度低，為1/10C，能量大，4-8Mev；β粒子帶負(fù)電，質(zhì)量幾乎為零，電子流，速度大，約等于光速，能量小，<4Mev,1.0Mev左右。一、粒子的性質(zhì)第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、作用形式1、電離、激發(fā)電離：帶電粒子與介質(zhì)中原子的殼層電子相作用，使其獲得能量，若其能量足夠時便可能脫離核的束縛而成為自由電子。激發(fā)：若殼導(dǎo)電子獲得之能量不足以克服核的吸引，則該電子只能躍遷到離核較遠(yuǎn)的軌道上去。次級電離：指電離過程產(chǎn)生的一些能量相當(dāng)大的電子引起的原子電離。空氣中α粒子的次級電離約占總電離的60～80％；β粒子的次級電離約占總電離的70～80％。所以次級電離不容忽視。第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日幾個描述電離作用的物理量a)電離比度：帶電粒子在單位路程上形成的離子對數(shù)，單位：對/cm，對/mmb)平均電離能ε：帶電粒子形成一對離子平均消耗的能量c)電離損耗率：帶電粒子在單位路程上的能量損耗稱電離損耗率。它與電離比度成正比，比例系數(shù)就是平均電離能，寫成關(guān)系式為：物理意義：表明介質(zhì)的阻止本領(lǐng)第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日2、軔致輻射當(dāng)高速電子或其它帶電粒子通過物質(zhì)，而被原子核庫侖場阻止而減速時，伴生的電磁輻射，此稱軔致輻射。另一定義：當(dāng)快速運動的帶電粒子在原子核附近突然被減速時，則有一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)能量的電磁輻射，這種過程稱為軔致輻射。Z為原子序數(shù)，E為能量，N為單位體積介質(zhì)中原子數(shù),m0為入射粒子的質(zhì)量上式與m0成反比，m0越大，越不易發(fā)生軔致輻射，所以α粒子不易發(fā)生軔致輻射，α粒子的軔致輻射僅是β粒子的1.8×10-8倍，故一般不考慮α的軔致輻射。第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日對于β粒子其電離和軔致輻射損耗率公式：第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日3、彈性散射帶電粒子在物質(zhì)中運動時受庫侖場的影響而改變方向，這種現(xiàn)象稱為散射。如果散射前后入射粒子與原子核的總能量不變，稱為彈性散性。如果散射前后總能量不相等，則稱為非彈性散射。β粒子與原子核作用易發(fā)生彈性散射，特別對于低能β（100ev以下），與高原子序數(shù)的物質(zhì)作用，更容易發(fā)生彈性散射。第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日三、帶電粒子在介質(zhì)中的射程1、帶電粒子的吸收：帶電粒子與物質(zhì)作用（電離，激發(fā)，軔致輻射）不斷損失自已的能量，直到能量完全耗盡，而停在介質(zhì)中，這一過程稱為~。2、射程：沿入射方向從入射點到終止點的直線距離。α粒子的射程Rβα第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日β粒子的射程由于β粒子能譜是連續(xù)譜，一般用β粒子的最大射程（或具有最大能量的β粒子的射程）來表示β粒子的射程。對于鋁介質(zhì)，有經(jīng)驗公式：第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日3、β粒子在介質(zhì)中衰減相對能注量率I/I0吸收厚度g/cm2曲線1_單能電子能量為1.9Mev曲線2_β射線連續(xù)譜,最大能量為1.9Mev第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日4、β射線的自吸收

設(shè)I0為單位厚度的薄層在該薄層表面產(chǎn)生的β射線計數(shù)率，取dx薄層，則表面β計數(shù)率為I0dx,則I0dx經(jīng)過x厚吸收層的衰減遵從負(fù)指數(shù)規(guī)律：dxhx第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日①當(dāng)很小時，也很小，

表示β射線計數(shù)率隨厚度增大線性地增加。薄層②當(dāng)很大時，也很大，

表示射線β計數(shù)率與h無關(guān)，已達飽和，此時h稱為飽和厚度

③對于以上兩者之間，有：過渡層厚層①②③第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日1.3.2γ射線與物質(zhì)的相互作用一、γ射線的特點即是粒子，又是光子，具有波粒二象性，是一種波長極短的電磁輻射，不帶電，靜止質(zhì)量為零，不會發(fā)生電離，激發(fā)，軔致輻射作用。、作用形式第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日二、作用形式光電吸收效應(yīng)定義：當(dāng)γ光子與物質(zhì)中原子發(fā)生碰撞時，將全部能量交給原子中的殼層電子，獲得能量的電子克服電離能的束縛而脫離原子運動。光子能量完全被吸收，同時放出自由電子叫光電子。

τ表示的光電線吸收系數(shù)描寫人射光子在介質(zhì)中發(fā)生光電效應(yīng)的幾率

第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日2、康普頓散射效應(yīng)定義：當(dāng)入射光子與殼層電子直接碰撞時，光子只將部分能量給了電子，電子以此能量為動能反沖出去，稱為反沖電子（或康普頓電子）；入射光子本身改變了原來的方向并不消失，稱為散射光子。θφEγ入射光子E’γ散射光子Ee反沖電子σ康普頓線吸收系數(shù)

第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日3、形成電子對效應(yīng)定義：能量較高（大于1.02MeV）的γ光子與原子核庫侖場作用時，光子本身完全被吸收，并轉(zhuǎn)化為一對正、負(fù)電子。

生成的正電子不穩(wěn)定，很快與電子碰撞而同時消失、即淹沒了，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粚δ芰拷詾?.51MeV的γ光子?？梢娫陔娮訉π?yīng)中，高能光子將轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍艿摩霉庾印?/p>

電子對線吸收系數(shù)，用符號κ表達第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日對于一束γ光子來說，發(fā)生三種效應(yīng)的比例不同，與不同的物質(zhì)作用的比例不同，與入射γ光子的能量，介質(zhì)的質(zhì)量數(shù)密切相關(guān)，一般，中能無論與原子序數(shù)大或小的物質(zhì)作用，主要是康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)；低能與重物質(zhì)作用主要為光電作用，高能與重物質(zhì)主要是形成電子對作用。以符號μ代表它們的總和幾率

單位距離上γ光子作用的幾率原子截面電子截面第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日σs__真散射（散射光子）σa—真吸收（反沖電子）第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日1.3.2.2γ射線在物質(zhì)中的衰減γ射線通過物質(zhì)時，產(chǎn)生光電效應(yīng)，康-吳效應(yīng)，形成電子對效應(yīng)，使射線強度逐漸減弱，稱為γ射線的吸收或衰減。有關(guān)

（與介質(zhì)的吸收系數(shù)這種衰減（與入射γ射線強度，能量（與儀器的探測精度（入射γ射線的幾何成分

第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日1、單色窄束γ射線在物質(zhì)中的衰減窄束是指好的幾何條件，即在有準(zhǔn)直器條件下窄束射線在鉛中的衰減Na-2.754Mn-0.835Zn-1.116第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日2、寬束γ射線的衰減寬束是指探測器記錄了散射γ射線，沒有準(zhǔn)直器(當(dāng)窄束時q=1,當(dāng)寬束通過厚物質(zhì)q=0)

鋼板厚度照射量率（I/I0）1為寬束，2為窄束第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日3、點源γ射線在無限均勻介質(zhì)中的衰減曲線1是點源在硅中的衰減情況曲線2為不記錄散射的衰減情況有效吸收系數(shù)ρd(g/cm2)I/I0第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日五、γ射線射程例：試計算能量為3.0MeV的γ射線，需要多厚的鋁板將其完全吸收掉？由于常以鋁作為造巖元素的代表，所以這實際計算的就是γ法的探測深度。第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日、射線通過物質(zhì)時譜成份的變化譜成分的變化是指射線強度、射線組成的變化1、γ射線儀器譜的形成NaI晶體GDB整形放大脈沖幅度分析器定標(biāo)器上閾下閾記錄計數(shù)Iγ射線

I0第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日Cs-137的儀器譜其過程是這樣的:γ光子與NaI晶體作用,產(chǎn)生次級電子:光電效應(yīng)____光電子康吳效應(yīng)_____反沖電子,散射光子__光電子形成電子對效應(yīng)____正負(fù)電子___γ光子__電光子為什么會發(fā)生這一現(xiàn)象?如何發(fā)生的?第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日如Cs-137，次級電子有：光電子Ee=0.661-εi反沖電子Ee,散射光子再作用的Ee形成電子對時的Ee=Eγ-1.02形成的峰有：光電峰—

康普頓平臺單逃逸峰，雙逃逸峰

累積效應(yīng)：全能峰(2)次級電子在晶體中損耗能量,它與能譜儀產(chǎn)生脈沖幅度成正比次級電子與晶體作用產(chǎn)生,電離與激發(fā),產(chǎn)生自由電子,自子電子在倍增管上倍增,產(chǎn)生電子流,在負(fù)載電阻上產(chǎn)生脈沖,脈沖幅度大小與次級電子的能量成比例。（3）記錄到的電脈沖的幅度取決次級電子能量，而次級能量是一個較寬的能量分布第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日形成的峰有：光電峰E

康普頓平臺

反散射峰單逃逸峰，雙逃逸峰

特征X射線峰

——0.661Mev——介于0-0.4769Mev——康普頓邊————介于————0.184Mev————32.2Kev,由Ba吸收Cs-137的低能γ光子而產(chǎn)生的能級變化得到的X射線第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日Na-24能量為2.754Mev,1.369Mev123456第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日2、γ射線通過物質(zhì)后譜成分的變化NaIGDB整形放大脈沖幅度分析器定標(biāo)器記錄計數(shù)IEγEγE’γE’’γE’’’γ51Cr通過不同厚度的砂時的譜圖可以看到隨著砂層厚度的增加，儀器譜的形狀沒有明顯的區(qū)別，射線譜成分大體一定，且在低能區(qū)形成積聚峰。常把譜形不隨吸收層厚度的增加而變化的情況叫“譜平衡”；譜成分發(fā)生什么變化,原因?第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日由于散射過程形成了次級散射射線，倘若吸收屏具有一定的厚度，散射射線可以再次散射，形成更次一級散射射線，隨著作用次數(shù)的增多，散射射線的能量逐漸減少。這樣便得到一個既包含原入射射線，又有一次散射、二次散射以至多次散射的散射射線，其能量在范圍內(nèi)的復(fù)雜譜。原因第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日點狀Ra源通過水泥屏?xí)r的能譜曲線實線為無屏；點線為47.07cm水泥屏；虛線為5.22cm水泥屏無限大鈾礦層的γ射線譜半無限大鈾礦層的γ射線譜第三十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日1.3.3中子與物質(zhì)相互作用、中子特征一、電荷:不帶電的中性粒子

二、中子的質(zhì)量:三、中子的自旋:四、中子的磁矩:五、中子的壽命:第三十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日

中子按能量的分類中子名稱能量（eV）速度（m/s）溫度（K）波長（nm）超冷中子冷中子熱中子超熱中子慢中子中能中子快中子特快中子超快中子相對論中子10-7～2×1030～2×103≈0.0250.1～11～103103～5×1055×105～107107～5×1075×107～1010>10102.2×1031.4×1061.4×1072931.16×1081.16×10101.8×101.9×10-22.9×10-3第三十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日1.3.3.2中子與物質(zhì)作用的微觀過程第三十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日中子與物質(zhì)作用從微觀過程討論其作用形式為核反應(yīng)，從宏觀過程則為減速、散射、吸收。1、彈性散射(n,n)所謂彈性散射，是指中子與原子核發(fā)生碰撞后，系統(tǒng)的