帶電粒子電離和激發(fā)損失能量教學(xué)課件

第二章粒子探測的物理基礎(chǔ)§21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§24高能粒子和物質(zhì)作用與簇射粒子探測2-1帶電粒子和物質(zhì)的相互作用粒子不能被直接觀測,只有通過它們與物質(zhì)的相互作用才能被探測。粒子探測主要是指記錄粒子數(shù)目,測定其強(qiáng)度,確定粒子的性質(zhì)(能量、動量、飛行方向等)?？诟鶕?jù)粒子的帶電性質(zhì)分類帶電粒子:α、p、e、π、k+、μ等電磁輻射:x射線、?射線中性粒子K0、等粒子探測帶電粒子電離和激發(fā)損失能量1.電離和激發(fā)口入射帶電粒子與物質(zhì)原子的電子發(fā)生庫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,外層電子躍遷來填補(bǔ),同時放出特征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。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,釋放的能量以熒光的形式發(fā)射出來2018/10/6粒子探測激發(fā)過程:q2+atom→>atom+q→atom+y退激發(fā)原子放出低能熒光光子>電離過程:產(chǎn)生電子-離子對。入射粒子動量P=mV=me洛侖茲因子y=E/m,c一次散射傳遞給靜止電子的最大動能2mcBym1+2m2/m+(m/m)2m2+m2+2mE/c2低能時,2m/m0<,若m<m,近似有Tmx=2mc2f2y2對其他粒子,任意能量,分母中的平方項均可忽略,m=7E對相對論粒子,EmE,p≈EEMm=E+mac/2m對u輕子,EAm=E+11對電子,T粒子探測2帶電粒子能量的電離損失口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),是粒子損失動能的主要方式口電離損失通常把某種物質(zhì)中粒子通過單位長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)對這種粒子的阻止本領(lǐng),用-()表示大,表明這種粒子在該物質(zhì)中的電離本領(lǐng)大,即該粒子通過單位長度物質(zhì)損失的能量較多,即該物質(zhì)對這種粒子的阻止本領(lǐng)大。粒子探測Bethe-BlochformulaEnergylossbylonisationonlyBethe-Blochformula4/wvAemec2112m2CydE/dxin[Mevgicma非Z/A=1rticles(m2mFermiplateaudE/dxdependsonlyonB,independentofmIZ1A-0.5FirstapproximationcharactenzedbyZ/A82y2electrondensity100100010000/dE.11relativisticrisepy≈3-4kinematicalterm"minimumionizingparticles,MIPsEnergytransfer:/SdE>Tmar,I:meanexcitationpotential/-loZ,Io=1OeVIny2Relativisticrisecancelledathighyby"densityeffect,Parametrizedby8>FermiplateauInteractionofchargeparticlesParticlescanonlybedetectediftheydepositenergyinmatter.HowdotheyloseinmatterEnergylossatasingleencounterwithanelectronF△F△classical(△p。)12bv2bIntroducedclassicalHowmanyencountersarethereelectronradiusShouldbeproportionaltoelectrondensityinmediumNoNp粒子探測一個有用的常數(shù)K=4INAmec=0.307/MeVg/cm在入射粒子能量較低時Bethe-Bloch公式-=hz1ekindeInMev計算時,能損通常使用的單位是g/cm相應(yīng)dx單位為gem2,代表面質(zhì)量密度p為物質(zhì)密度(單位:g/m3),ds為長度(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)無關(guān)粒子探測個,口電離損失的分布個條f(E,X)算在厚度為8x的介質(zhì)中,入射粒子又的平均電離損失為dEBx布接近高斯分布;當(dāng)介質(zhì)很薄時,當(dāng)介質(zhì)厚度較厚時,電離損失分體出曲關(guān)量由于相互作用的次數(shù)少,能量損失的統(tǒng)計漲落很大,電離損失分x怎勃其亦千布很不對稱,在能量大的區(qū)域有這出很長的尾巴—朗道分布圖2-4原來是單能的帶電粒子束在不同穿透距離的能量分布2)E是粒子的能量,x是沿粒子徑跡行進(jìn)的距離,粒子探測口朗道分布實際能損最概然能損L(4)e