《輻射測(cè)量與防護(hù)》全冊(cè)配套完整教學(xué)課件

《輻射測(cè)量與防護(hù)》全冊(cè)配套完整教學(xué)課件核輻射測(cè)量與防護(hù)

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課程性質(zhì)：專業(yè)核心課總學(xué)時(shí)：32考核方式：閉卷考試（占100％）

4預(yù)期的學(xué)習(xí)收獲

了解輻射與物質(zhì)相互作用、

了解探測(cè)的基本原理

掌握氣體探測(cè)器、閃爍探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器的工作過

程、特性、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用認(rèn)識(shí)電離輻射的危害了解輻射標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識(shí)內(nèi)、外照射防護(hù)的原理、方法、措施教材及參考書教材：自編講義參考書：探測(cè)學(xué)、輻射防護(hù)重點(diǎn)推薦探測(cè)學(xué)參考書輻射防護(hù)參考書第一分冊(cè)：《輻射源與屏蔽》第三分冊(cè)：《輻射安全》第二分冊(cè)：《輻射防護(hù)檢測(cè)技術(shù)》第五分冊(cè)：《輻射危害與醫(yī)學(xué)監(jiān)督》英文參考書101.輻射的含義1.輻射的含義（1）什么是輻射？從某種物質(zhì)中發(fā)射出來的波或粒子。（熱輻射、核輻射等）（2）輻射的分類非電離輻射：能量小于10eV，如紫外線、可見光、紅外線和射頻輻射電離輻射：能量大于10eV，如X射線、

γ射線、中子、α射線、

β射線等11（3）什么是電離輻射？電離：從一個(gè)原子、分子從其束縛狀態(tài)釋放一個(gè)或多個(gè)電子的過程。電離輻射：能通過初級(jí)過程或次級(jí)過程引起電離的帶電粒子或不帶電粒子1.輻射的含義（4）為什么要研究輻射的測(cè)量和防護(hù)？輻射測(cè)量：得到關(guān)于輻射的各種信息（數(shù)量、能量及其分布、空間分布、時(shí)間信息）：表征輻射場(chǎng)、反推射線源性質(zhì)（活度、核素構(gòu)成、反應(yīng)堆功率），廣泛用在科研探索、生活生產(chǎn)中輻射防護(hù)：保護(hù)從業(yè)者、公眾、環(huán)境不受或者少受輻照的危害。標(biāo)準(zhǔn)、劑量學(xué)、測(cè)量手段、防護(hù)措施、政策、應(yīng)急響應(yīng)等等。13入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，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。14電離、激發(fā)帶電粒子軌道電子庫侖相互作用電離激發(fā)15輻射組成質(zhì)量電荷速度

2protons+2neutronsRelativelyHeavyDoublePositiveSlow

electronRelativelyLightSingleNegative<3x108m/snneutronMiddleweightnonvariousPprotonMiddleweightpositivevarious

HighEnergyElectromagneticPhotonsnonnon3x108m/sXSameasGamma-Raysnonnon3x108m/s（4）常見的電離輻射1.輻射的含義161.輻射的含義17X-radiationMicrowavesg-radiationUVIRRadiowaves10-610-311031061091012Wavelength(nm)可見光微波無線電波18輻射無處不在天然輻射是人類的主要輻射來源19“事實(shí)上，在人類身體里就可以找到天然放射性核素。我們的身體平均每分鐘要經(jīng)歷幾十萬次的核衰變?！敝Z貝爾獎(jiǎng)獲得者—西博格《人與原子》20帶電粒子與物質(zhì)相互作用

電離和激發(fā)阻止本領(lǐng)帶電粒子在物質(zhì)中的射程比電離21一、帶電粒子的種類和物理性質(zhì)

帶電粒子種類：帶電粒子電子：核外電子β射線：原子核發(fā)出的高速電子質(zhì)子α粒子22二、帶電粒子與物質(zhì)相互作用的主要過程主要過程電離和激發(fā)韌致輻射核反應(yīng)化學(xué)變化

帶電粒子與物質(zhì)相互作用23入射帶電粒子與靶原子的核外電子通過庫侖作用，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。241.電離、激發(fā)和碰撞阻止本領(lǐng)帶電粒子軌道電子庫侖相互作用電離激發(fā)帶電粒子與物質(zhì)相互作用25碰撞阻止本領(lǐng)線碰撞阻止本領(lǐng)：

帶電粒子在介質(zhì)中每單位路徑長(zhǎng)度上電離損失的平均能量。

質(zhì)量碰撞阻止本領(lǐng)：

線碰撞阻止本領(lǐng)除以密度，消除密度的影響。帶電粒子與物質(zhì)相互作用

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，我們稱之為電離損失。26重帶電粒子—質(zhì)量碰撞阻止本領(lǐng)公式：27分析：（1）電離損失與重帶電粒子的電荷z2成正比；

說明帶電粒子的電荷越大，與軌道電子的庫侖作用力越大，因而傳遞給電子的能量越多帶電粒子與物質(zhì)相互作用28分析：（2）電離損失與重帶電粒子的能量（速度）成反 比；

說明帶電粒子傳遞給軌道電子的能量與相互作用時(shí)間有關(guān)，速度愈小，作用時(shí)間愈長(zhǎng)，傳遞給軌道電子的能量愈大帶電粒子與物質(zhì)相互作用29

設(shè)有兩種速度相同的帶電粒子，分別帶有電荷z1和z2，在給定的物質(zhì)(介質(zhì)、吸收物質(zhì))中的阻止本領(lǐng)比：

也就是說，具有相同速度的兩種帶電粒子在同一物質(zhì)中的碰撞阻止本領(lǐng)之比，等于它們所帶電荷數(shù)的平方之比。

碰撞阻止本領(lǐng)重要關(guān)系式30對(duì)于一種其相對(duì)速度為β的帶電粒子，分別與兩種不同的物質(zhì)a和b相互作用，可得

亦即，具有相同速度的一種帶電粒子在兩種物質(zhì)中的碰撞阻止本領(lǐng)之比，等于在此兩種物質(zhì)中相應(yīng)的原子序數(shù)與相對(duì)原子量的比值之比。

碰撞阻止本領(lǐng)重要關(guān)系式312.韌致輻射和輻射阻止本領(lǐng)韌致輻射：帶電粒子在原子核庫侖場(chǎng)中被減速或加速，其部分或全部動(dòng)能，轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)譜的電磁輻射。其能量損失稱為輻射損失。帶電粒子與物質(zhì)相互作用對(duì)β粒子，輻射損失是其重要的一種能量損失方式。

高速電子進(jìn)入到原子核附近的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，電子的速度大小和方向必然變化，以電磁波的形式向外輻射能量，即損失的能量直接轉(zhuǎn)化成X線。由于電子與靶原子核的相對(duì)位置是任意的，電子進(jìn)入靶的初動(dòng)能經(jīng)過多少次碰撞輻射而完全喪失也不確定，故輻射出的X線波長(zhǎng)連續(xù)分布。32帶電粒子與物質(zhì)相互作用33線輻射阻止本領(lǐng):入射帶電粒子在介質(zhì)中每單位路徑長(zhǎng)度上輻射損失的平均能量，記作：

dE是帶電粒子介質(zhì)中穿過dl距離時(shí)輻射損失的能量。相類似的,可定義質(zhì)量輻射阻止本領(lǐng)，記作：

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。34輻射損失其中：Z

物質(zhì)(介質(zhì)、吸收物質(zhì))的原子序數(shù)；z—帶電粒子的電荷數(shù)； m帶電粒子的質(zhì)量。

在同一物質(zhì)中，α粒子能量的輻射損失比能量相同的電子約小107倍。帶電粒子與物質(zhì)相互作用當(dāng)要吸收、屏蔽β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。35帶電粒子能量轉(zhuǎn)變?yōu)轫g致輻射的份額：F=KZE

式中，K為比例常數(shù)；Z為物質(zhì)的原子序數(shù)；E為帶電粒子能量，單位為MeV；通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的比例常數(shù)K在0.4×10-3——1.1×10-3MeV-1之間。單能電子束入射厚靶：F＝5.8×10-4ZE帶電粒子與物質(zhì)相互作用363.總質(zhì)量阻止本領(lǐng)

（定義：帶電粒子在密度為

的介質(zhì)中，穿過路程dl時(shí)，所損失的一切能量dE除以

dl而得的商）（1）E<10MeV，主要是電離損失和輻射損失：（2）重帶電粒子，輻射損失可以忽略帶電粒子與物質(zhì)相互作用37（3）電子的電離損失與輻射損失比例式中：Z－物質(zhì)原子序數(shù)；E－電子能量帶電粒子與物質(zhì)相互作用當(dāng)上式=1時(shí)的電子能量稱為臨界能量

38三、帶電粒子在物質(zhì)中的射程1.重帶電粒子平均射程R：I/I0=0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的吸收體厚度。射程：帶電粒子在某種物質(zhì)中沿著入射方向從進(jìn)入到最后被物質(zhì)吸收所經(jīng)過的最大直線距離

外推射程Re：把左圖曲線最陡部分做切線外推與橫坐標(biāo)相交而得的射程

α粒子在某材料中

能量隨穿透距離的衰減情況（粒子數(shù)：100）

α粒子在某材料中

粒子數(shù)隨穿透距離的衰減情況（粒子數(shù)：500000）

α粒子與物質(zhì)的每次相互作用只損失很小一部分能量，經(jīng)多次這種小能量的損失而逐漸降低其能量，在穿透距離小于平均射程之前，粒子數(shù)隨穿透距離的衰減曲線較為平坦，這意味著雖然粒子的能量降低了，但相對(duì)計(jì)數(shù)率沒有多少降低；可是，當(dāng)穿透距離等于α粒子的實(shí)際射程時(shí)，粒子數(shù)隨穿透距離的衰減曲線變得異常陡峭

422.電子當(dāng)一束單能電子射入某一物質(zhì)時(shí)，其中每個(gè)電子能量損失的幾率是不同的。有的電子經(jīng)幾次碰撞后在離入射點(diǎn)很近處停止下來。有的需穿行很長(zhǎng)一段路程才發(fā)生一次碰撞。結(jié)果，它們的射程分布在很寬的范圍內(nèi)，如圖所示。433.β射線β射線是連續(xù)譜，可看成是由大量不同初始能量的電子組成，它們的射程可看成是不同電子射程曲線重迭而成，如圖所示。44四、比電離比電離：?jiǎn)挝粡桔E長(zhǎng)度上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)，又稱電離密度。離子對(duì)/厘米式中：表示每產(chǎn)生一對(duì)離子所消耗的平均能量比電離與物質(zhì)原子序數(shù)、粒子能量、平均電離能相關(guān)。（dE／dl）col：線碰撞阻止本領(lǐng)45對(duì)于重帶電粒子，比電離隨穿透深度的增加而增加，在粒子射程的末端達(dá)最大值，如圖所示。α粒子在空氣中的比電離為104～7104離子對(duì)/cm46對(duì)子電子，比電離與電子的初始能量有關(guān)。如圖所示。當(dāng)電子能量小于1MeV時(shí)，比電離隨電子能量增加而減小。電子能量約等于2MeV時(shí)，比電離達(dá)最小值，此后隨著電子能量增加，比電離按對(duì)數(shù)規(guī)律增加。47輻射阻止本領(lǐng)總質(zhì)量阻止本領(lǐng)碰撞阻止本領(lǐng)射程比電離小結(jié)電離、激發(fā)帶電粒子與物質(zhì)相互作用便于計(jì)算的電子阻止本領(lǐng)計(jì)算公式Bethe公式及其修正（碰撞阻止本領(lǐng)）低能修正高能能修正韌致輻射（輻射阻止本領(lǐng)）49二、X、γ射線與物質(zhì)的相互作用的主要過程1.光電效應(yīng)1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用2.康普頓效應(yīng)3.電子對(duì)效應(yīng)4.相干散射5.光核反應(yīng)501、光電效應(yīng)PhotoelectricEffect

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。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)出特征X射線或俄歇電子的過程。511.光電效應(yīng)光電子動(dòng)能：Ee＝h－Bi（i＝K，L，M…）1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用52試證明入射光子不能與自由電子發(fā)生光電效應(yīng)。53由于電子的靜止質(zhì)量為511keV，則要求光子的能量為0。出現(xiàn)矛盾！54原子的光電效應(yīng)截面：?jiǎn)挝唬篶m2式中：K－常數(shù)

Z－物質(zhì)的原子序數(shù) 光電效應(yīng)的幾率與原子序數(shù)Z4成正比；光電效應(yīng)的幾率與光子能量h

3成反比；低能光子與高原子序數(shù)物質(zhì)作用，光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)；光電效應(yīng)主要發(fā)生在K層及L層電子。第I階段：（每個(gè)原子）1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用55第II階段：激發(fā)態(tài)退激特征X射線俄歇電子

1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用特征X線的產(chǎn)生過程:當(dāng)電子逸出后，原子內(nèi)殼層就出現(xiàn)了空位，外殼層電子將向內(nèi)殼層填充，輻射的電磁波（X線）由兩能級(jí)差確定562.康普頓效應(yīng)1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用572、康普頓效應(yīng)ComptonEffect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?？灯疹D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。581.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用59散射光子的能量：式中：α＝h/mc2（2）＝180o時(shí)，散射光子能量最小（1）當(dāng)散射角θ=0°時(shí)，則入射光子沒有能量損失，光子從電子近旁掠過。

1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用60反沖電子：能量關(guān)系：角度關(guān)系：1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用613、電子對(duì)效應(yīng)PairProduction

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)滿足能量和動(dòng)量守恒。電子對(duì)效應(yīng)要求入射光子的能量必須大于1.022MeV。623.電子對(duì)效應(yīng)1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用63電子對(duì)效應(yīng)截面：貝特公式：式中：（1）電子對(duì)效應(yīng)截面與Z2成正比；（2）與光子能量的對(duì)數(shù)成正比；（每個(gè)原子）1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用641.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用低能光子，原子序數(shù)高的物質(zhì)中能光子，原子序數(shù)低的物質(zhì)高能光子，原子序數(shù)高的物質(zhì)65三、X、γ射線與物質(zhì)的相互作用的其他過程1.相干散射光子作為電磁波具有波粒二象性；干涉現(xiàn)象的條件：相干光源勞厄（Laue）發(fā)現(xiàn)X射線的相干散射現(xiàn)象，在0.0005~0.2MeV，相干散射主要是瑞利散射。瑞利散射（Rayleigh），與束縛得很牢固的電子的彈性散射，束縛電子吸收光子躍遷，隨后又發(fā)出一個(gè)能量相同的散射光子。截面與Z2成正比，并隨能量增大而急劇減小；低能時(shí)不可忽略，小角度散射。1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用662.光核反應(yīng)光核反應(yīng)：光子與原子核發(fā)生反應(yīng)，有閾能。常見的光核反應(yīng)：（γ，n）、（γ，p）、（γ，2n）及（γ，pn）等典型的光核反應(yīng)閾能（MeV）1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用67光核反應(yīng)的特點(diǎn)：（1）存在閾能；（2）光核反應(yīng)截面存在巨共振峰；（3）光子能量達(dá)20～30MeV時(shí)，可能發(fā)生（γ，2n）、（γ，pn）、（γ，α）反應(yīng)，但截面極小；（4）所有光核反應(yīng)的截面的最大值不超過康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)截面的5％；（5）光核反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生中子，還可能會(huì)產(chǎn)生放射性核素。例如：1.2X、γ射線與物質(zhì)的相互作用68X、射線穿透物質(zhì)的特點(diǎn)69幾種材料對(duì)Y射線的線衰減系數(shù)70中子與物質(zhì)的相互作用一、彈性散射二、

非彈性散射三、

輻射俘獲四、

其他核反應(yīng)1.3中子與物質(zhì)的相互作用71中子幾乎不與電子相互作用，只能與原子核（物質(zhì)的靶核）相互作用中子散射彈性散射如：快中子與輕介質(zhì)非彈性散射如：快中子與重介質(zhì)吸收輻射俘獲

1.3中子與物質(zhì)的相互作用72（二）中子與物質(zhì)的相互作用1、中子的分類2)中能中子：1KeV～0.5MeV。1)慢中子：0～1KeV。包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。3)快中子：0.5MeV～10MeV。4)特快中子：>10MeV。熱中子：與吸收物質(zhì)原子處于熱平衡狀態(tài)，能量為0.0253eV，中子速度~2.2×103m/s.731.3中子與物質(zhì)的相互作用74不帶電，質(zhì)量接近質(zhì)子，自由中子不穩(wěn)定，來源：同位素反應(yīng)堆加速器75一、彈性散射

在質(zhì)心坐標(biāo)系中，若E1、E2分別表示單次碰撞前后的中子能量：散射角c可取0～間的任何值1.3中子與物質(zhì)的相互作用彈性散射(n,n):動(dòng)能和動(dòng)量守恒

出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核（中子把部分能量交給原子核，然后改變方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)）76快中子能量從E1降到En，所需的平均碰撞次數(shù)：1.3中子與物質(zhì)的相互作用在中子防護(hù)中，常選用含氫物質(zhì)和原子量小的物質(zhì)(如水、聚乙烯，石蠟、石墨、氫化物等)作為快中子的減速劑（慢化劑）。77二、非彈性散射(n,n’

)

入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖，且使靶核處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時(shí)放出一個(gè)或幾個(gè)特征光子，在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。78二、非彈性散射非彈性散射過程：（1）經(jīng)歷直接相互作用過程（10-22--10-21）或形成復(fù)合核過程（10-20--10-15）；（2）靶核發(fā)出動(dòng)能較低的中子，靶核處于激發(fā)態(tài)（3）靶核釋放若干光子退激。靶核的內(nèi)能發(fā)生了改變，總動(dòng)能并不守恒。1.3中子與物質(zhì)的相互作用79非彈性散射的特點(diǎn)：（1）要克服最低的激發(fā)能級(jí)，所以存在閾能；（2）閾能以上，中子能量越高，非彈性散射截面越大；（3）第一激發(fā)能越低，越容易發(fā)生非彈性散射重核的第一激發(fā)能約100千電子伏輕核的第一激發(fā)能約幾兆電子伏（4）伴隨γ射線例屏蔽層加入重金屬與減速劑交替屏蔽（中子減速、γ射線）1.3中子與物質(zhì)的相互作用80三、輻射俘獲輻射俘獲：（n，γ）反應(yīng)1.3中子與物質(zhì)的相互作用81中子的輻射俘獲(n,

)中子射入靶核后與靶核形成一個(gè)復(fù)合核，而后復(fù)合核通過發(fā)射一個(gè)或幾個(gè)特征光子躍遷到基態(tài)。這些特征光子不同于(n,n’)的特征光子。由于這些光子的發(fā)射與復(fù)合核的壽命相關(guān)，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)射線”，同樣在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。當(dāng)發(fā)生(n,

)反應(yīng)后，新形成的核素是放射性的，就是常說的“活化”，測(cè)量活化核素的放射性可以用來測(cè)量中子流的注量率區(qū)分中子的能量范圍。82（1）反應(yīng)截面與中子能量有關(guān)，低能區(qū)除共振峰外，一般服從規(guī)律；（2）反應(yīng)形成的核素一般是放射性的，也有穩(wěn)定核；（3）不同核素的熱中子俘獲截面變化很大，氙：2.65106靶，鎘：19910靶，氧－18只有10－4靶。特點(diǎn)：1.3中子與物質(zhì)的相互作用83四、其它核反應(yīng)1.發(fā)射帶電粒子的核反應(yīng)10B＋n中子防護(hù)中常用鎘、硼、鋰作吸收劑氮－16半衰期7.3秒，放β、γ射線[4.289(66.2%)、10.418(28.0%)]1.3中子與物質(zhì)的相互作用842.裂變反應(yīng)裂變反應(yīng)：（n，f）反應(yīng)易裂變同位素：233U，235U，239Pu，241Pu可裂變同位素：232Th，238U，240Pu放出約200MeV的能量1.3中子與物質(zhì)的相互作用853.多粒子發(fā)射中子能量大于8～10MeV時(shí)，復(fù)合核發(fā)射多個(gè)粒子（n，2n）、（n，np）1.3中子與物質(zhì)的相互作用86質(zhì)量衰減系數(shù)、質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)

及質(zhì)能吸收系數(shù)1.質(zhì)量衰減系數(shù)/

入射光子在物質(zhì)中穿行單位距離時(shí)，平均發(fā)生總的相互作用的幾率。式中：－線衰減系數(shù)，cm-1；－光電線衰減系數(shù)；

e－總康普頓線衰減系數(shù)；

coh－相干散射線衰減系數(shù)；－電子對(duì)線衰減系數(shù)；質(zhì)量衰減系數(shù)/：線衰減系數(shù)：?jiǎn)挝唬篶m-1不帶電粒子與物質(zhì)相互作用相互作用系數(shù)87線減弱系數(shù)的倒數(shù)稱為不帶電粒子在物質(zhì)中的平均自由程(Meanfreepath)。即λ=1/μ。表示不帶電粒子每經(jīng)過一次相互作用之前，在物質(zhì)中所穿行的平均厚度。I=I0e-ud

如果d＝λ，即厚度等于一個(gè)平均自由程，X或γ射線被減弱到原來的e-1平均自由程λ：不帶電粒子與物質(zhì)相互作用相互作用系數(shù)882.質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)

tr/

線能量轉(zhuǎn)移系數(shù)tr：光子在物質(zhì)中穿行單位距離，光子轉(zhuǎn)移為帶電粒子的動(dòng)能占總能量的份額。質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)tr/：

cm-1cm2/g不帶電粒子與物質(zhì)相互作用相互作用系數(shù)穿行過單位質(zhì)量厚度，射線把能量轉(zhuǎn)移給電子的份額893.質(zhì)能吸收系數(shù)

en/

光子轉(zhuǎn)移給帶電粒子的能量有一部分會(huì)由于韌致輻射損失掉。質(zhì)能吸收系數(shù)

en/：

式中：g－次級(jí)電子由于韌致輻射而損失的能量的份額不帶電粒子與物質(zhì)相互作用相互作用系數(shù)904.混合物和化合物的質(zhì)量衰減系數(shù)和質(zhì)能吸收系數(shù)式中：

i－元素i的重量百分比。不帶電粒子與物質(zhì)相互作用相互作用系數(shù)91不帶電粒子授與物質(zhì)能量的過程可以分為兩個(gè)階段：第一階段：不帶電粒子與物質(zhì)相互作用釋放出次級(jí)帶電粒子，不帶電粒子的能量轉(zhuǎn)移給次級(jí)帶電粒子

第二階段：帶電粒子將通過電離激發(fā)，把從不帶電粒子那里得來的能量授與物質(zhì)質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)

tr/：

質(zhì)能吸收系數(shù)

en/：

92不帶電粒子與物質(zhì)相互作用

相互作用系數(shù)的區(qū)別與聯(lián)系不帶電粒子在物質(zhì)中穿行一距離，平均有多少粒子發(fā)生了相互作用，用質(zhì)量減弱系數(shù)量度；不涉及具體物理過程入射粒子總能量中平均有多少能量轉(zhuǎn)移為次級(jí)帶電粒子的動(dòng)能，用質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)度量;只涉及帶電粒子獲得的能量，而不涉及這些能量是否被物質(zhì)吸收次級(jí)帶電粒子動(dòng)能，除去以韌致輻射形式放出的外，真正消耗在介質(zhì)中，即平均有多少能量被介質(zhì)吸收，用質(zhì)能吸收系數(shù)度量輻射測(cè)量中的統(tǒng)計(jì)-泊松分布由法國(guó)數(shù)學(xué)家泊松于1837年引入；設(shè)x為離散型隨機(jī)變量，且X的取值為所有非負(fù)整數(shù)。如果x的概率函數(shù)為：則稱x服從均值為λ(λ>0)的泊松分布。泊松分布的均值和方差都為λ。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多隨機(jī)現(xiàn)象服從泊松分布。特別是在社會(huì)生活、物理科學(xué)等領(lǐng)域，諸如公共汽車站來劍的乘客數(shù)，放射性分裂落到某區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)數(shù)等等當(dāng)λ很大時(shí)，泊松分布趨向于正態(tài)分布泊松流源源不斷地出現(xiàn)的許多隨機(jī)的質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)隨機(jī)質(zhì)點(diǎn)流，簡(jiǎn)稱流。以Xt表示在時(shí)間區(qū)間(O，t]內(nèi)總共出現(xiàn)的質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)，我們討論Xt的分布。如果一個(gè)流滿足：1）獨(dú)立增量性(無后效性)、2）平穩(wěn)性、3）普通性，被稱為泊松流，這是研究隨時(shí)間變化的隨機(jī)流最重要的類型泊松流的分布：原子的放射現(xiàn)象是一個(gè)典型的泊松流1、原子核的衰變與否與任何外界因素?zé)o關(guān)，這意味著滿足獨(dú)立增量性和平穩(wěn)性2、放射性衰變服從指數(shù)規(guī)律，單位時(shí)間內(nèi)衰變量為:這意味著滿足普通性放射現(xiàn)象為泊松流可以幫助理解放射性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律（固定時(shí)間內(nèi)的放射性粒子數(shù)為泊松分布、平均值很大時(shí)為正態(tài)分布；粒子間的間隔時(shí)間為指數(shù)分布）實(shí)際輻射測(cè)量中的誤差由泊松分布能夠得出實(shí)際測(cè)量中的方差方差無法得到準(zhǔn)確值，實(shí)際中用標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)：最終測(cè)量結(jié)果置信區(qū)間和置信度（，68.3%）相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（越小越好）誤差傳遞可以證明，若是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，各隨機(jī)變量相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為，那么由這些隨機(jī)變量導(dǎo)出的任何量的均方偏差為：對(duì)n個(gè)獨(dú)立的連續(xù)隨機(jī)過程本章習(xí)題：1、分別計(jì)算1MeV、5MeV電子在鋁和聚乙烯中的射程（單位使用cm）2、試證明入射光子不能和自由電子發(fā)生光電效應(yīng)。3、中子能量一般怎劃分？對(duì)于每個(gè)能量范圍舉一個(gè)例子說明與物質(zhì)主要發(fā)生什么樣的相互作用。4、簡(jiǎn)單總結(jié)重帶電粒子和輕帶電粒子與物質(zhì)相互作用的異同。5、為什么說放射性事件為一個(gè)泊松流過程？6、試從誤差傳遞公式導(dǎo)出獨(dú)立連續(xù)隨機(jī)過程的方差表達(dá)式。100民間組織本領(lǐng)域資深科學(xué)家組成目前由一個(gè)主委員會(huì)，五個(gè)分委員會(huì)構(gòu)成提供原則和建議（通常以報(bào)告或建議書形式）國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)-ICRP101工作性質(zhì)

國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）是一個(gè)非政府的科學(xué)組織，目的是制定輻射防護(hù)基本原則，提出輻射防護(hù)建議。它的建議被IAEA和世界絕大多數(shù)核國(guó)家納入自己國(guó)家的輻射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和核安全法規(guī)，成為各國(guó)制定輻射防護(hù)和核安全標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。102歷史沿革國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)是于1928年由國(guó)際放射學(xué)大會(huì)決定成立的，當(dāng)時(shí)的名稱是國(guó)際X射線和鐳防護(hù)委員會(huì)。1950年改名為現(xiàn)在的名稱,但是多年來委員會(huì)已經(jīng)將其興趣擴(kuò)展到了考慮越來越多的涉及輻射和放射源的產(chǎn)生和利用的實(shí)踐與應(yīng)用。103歷史沿革ICRP建議主要是面向負(fù)責(zé)制定防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)管者和業(yè)主。隨著對(duì)基本機(jī)理認(rèn)識(shí)的增長(zhǎng)，ICRP防護(hù)體系在隨時(shí)間演進(jìn)，而且每隔10～15年進(jìn)行一次基本推薦。自1990年ICRP60號(hào)出版物發(fā)表以來已經(jīng)經(jīng)歷大約16年的時(shí)間，新的建議書也于2007年出版，隨著ICRP研究成果的不斷涌現(xiàn)，其出版物已經(jīng)發(fā)表到10５個(gè)，對(duì)輻射防護(hù)的理論和實(shí)踐有重大的影響和指導(dǎo)意義。104歷史沿革當(dāng)前系列的建議書：

1958年ICRP1號(hào)出版物

1964年ICRP6號(hào)出版物

1966年ICRP9號(hào)出版物

1977年ICRP26號(hào)出版物

1990年ICRP60號(hào)出版物

2007年ICRP103號(hào)出版物105ICRP組織結(jié)構(gòu)106ICRP主委員會(huì)ICRP主委員會(huì)由主席一人和不超過１２人的其他委員組成，委員會(huì)的人選以他們?cè)卺t(yī)學(xué)、放射學(xué)、輻射防護(hù)、物理學(xué)、生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)和生物物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的成就為依據(jù)，照顧到專業(yè)知識(shí)而不是國(guó)籍方面的平衡。

ICRP由主委員會(huì)、分委員會(huì)組成，分委員會(huì)根據(jù)當(dāng)前的工作性質(zhì)設(shè)置任務(wù)組和工作組。107ICRP主委員會(huì)108聯(lián)合國(guó)原子輻射效應(yīng)委員會(huì)

-UNSCEAR聯(lián)合國(guó)的下屬機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)人類活動(dòng)的輻射源所產(chǎn)生的照射水平以及輻射生物效應(yīng)資料進(jìn)行分析、編評(píng)以一定周期向聯(lián)合國(guó)大會(huì)提交報(bào)告書及其附件工作人員只有秘書長(zhǎng)一人，秘書一人109我國(guó)參加

聯(lián)合國(guó)原子輻射效應(yīng)委員會(huì)

的情況每年我國(guó)派出代表團(tuán)參加UNSCEAR大會(huì)將我國(guó)的有關(guān)信息報(bào)告UNSCEAR環(huán)境輻射水平公眾照射，職業(yè)照射及醫(yī)療照射水平110國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)-IAEA聯(lián)合國(guó)的下屬機(jī)構(gòu)其主要職能是防止核擴(kuò)散，促進(jìn)原子能及核技術(shù)的和平利用總部設(shè)在奧地利首都維也納依據(jù)ICRP和UNSCEAR有關(guān)報(bào)告，制定輻射防護(hù)方面的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則，推薦給成員國(guó)。標(biāo)準(zhǔn)不具有強(qiáng)制性，但若要接受IAEA援助則需執(zhí)行其標(biāo)準(zhǔn)通過出版物、培訓(xùn)班、研討班及技術(shù)援助示范項(xiàng)目等發(fā)揮作用111現(xiàn)行放射防護(hù)基本標(biāo)準(zhǔn)《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB18871-2002)ICRP第60號(hào)ICRP第26號(hào)《放射衛(wèi)生防護(hù)基本標(biāo)準(zhǔn)》（GB4792-84）《輻射防護(hù)規(guī)定》（GB8703-88）112ICRP（Publication）InternationalCommissiononRadiologicalProtection國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)ICRU（Report）InternationalCommissiononRadiationUnitsandMeasurements國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì)UNSCEAR

UnitedNationsScientificcommitteeontheEffectsofAtomicRadiation聯(lián)合國(guó)原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)IAEA（SafetySeries）InternationalAtomicEnergyAgency國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)ISO

InternationalStandardizationOrganization國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織113NCRP（Report）（Handbook）NationalCouncilonRadiation

ProtectionandMeasurements輻射防護(hù)與測(cè)量國(guó)家委員會(huì)（美）BEIRcommitteeontheBiologicalEffectsofIonizingRadiations電離輻射生物效應(yīng)委員會(huì)（美）ANSIAmericanNationalStandardInstitute美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NRPBNationalRadiologicalProtectionBoard國(guó)家放射防護(hù)委員會(huì)（英）114

對(duì)于輻射是不能感知的，因此人們必須借助于輻射探測(cè)器探測(cè)各種輻射，給出輻射的類型、強(qiáng)度(數(shù)量)、能量及時(shí)間等特性。即對(duì)輻射進(jìn)行測(cè)量。

輻射探測(cè)器的定義：利用輻射在氣體、液體或固體中引起的電離、激發(fā)效應(yīng)或其它物理、化學(xué)變化進(jìn)行輻射探測(cè)的器件稱為輻射探測(cè)器。

為什么需要輻射探測(cè)器？輻射探測(cè)器115輻射探測(cè)的基本過程：

輻射粒子射入探測(cè)器的靈敏體積；入射粒子通過電離、激發(fā)等效應(yīng)而在探測(cè)器中沉積能量；

探測(cè)器通過各種機(jī)制將沉積能量轉(zhuǎn)換成某種形式的輸出信號(hào)。

探測(cè)器按探測(cè)介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為：

氣體探測(cè)器；

閃爍探測(cè)器；

半導(dǎo)體探測(cè)器;其他探測(cè)器116輻射探測(cè)器學(xué)習(xí)要點(diǎn)（研究問題）：探測(cè)器的工作機(jī)制；探測(cè)器的輸出回路與輸出信號(hào)；探測(cè)器的主要性能指標(biāo)；探測(cè)器的典型應(yīng)用。118第二章

氣體探測(cè)器119歷史最悠久的探測(cè)器粒子物理實(shí)驗(yàn)；核工程與核技術(shù)應(yīng)用；探測(cè)器的靈敏體積大小和形狀幾乎不受限制；沒有輻射損傷或極易恢復(fù)；經(jīng)濟(jì)可靠。120第一節(jié)

氣體中離子與電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律1、氣體的電離與激發(fā)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。入射粒子直接產(chǎn)生的離子對(duì)稱為原電離。原電離產(chǎn)生的高速電子足以使氣體產(chǎn)生的電離稱為次電離。總電離=原電離+次電離121

電離能W：帶電粒子在氣體中產(chǎn)生一個(gè)電子離子對(duì)所需的平均能量。對(duì)不同的氣體，W大約為30eV

若入射粒子的能量為E0，當(dāng)其能量全部損失在氣體介質(zhì)中時(shí)，產(chǎn)生的平均離子對(duì)數(shù)為：122光致電離（光電效應(yīng)）Cs原子的電離電位最低，3.88eV；相應(yīng)的光子波長(zhǎng)為3184?

，在紫外區(qū)；

紫外光或能量更高的光才能產(chǎn)生光致電離。

介質(zhì)中原子吸收一個(gè)光子，放出一個(gè)電子而電離。

紫外光子能量較低，光致電離產(chǎn)生的電子動(dòng)能很低，一般不能再引起新的電離或激發(fā)。1232、電子與離子在氣體中的運(yùn)動(dòng)

當(dāng)不存在外加電場(chǎng)的情況下，電離產(chǎn)生的電子和正離子在氣體中運(yùn)動(dòng)，并和氣體分子或原子不斷地碰撞，處于平衡狀態(tài)。其結(jié)果會(huì)發(fā)生以下物理過程：

擴(kuò)散；電子吸附；復(fù)合；漂移；電荷轉(zhuǎn)移；124A.擴(kuò)散(Diffusion)

在氣體中電離粒子的密度是不均勻的，原電離處密度大。由于其密度梯度而造成的離子、電子的定向運(yùn)動(dòng)叫擴(kuò)散。由氣體動(dòng)力學(xué)，可得到擴(kuò)散方程：電子或離子粒子流密度電子或離子的擴(kuò)散系數(shù)電子或離子密度125若電離粒子的速度遵守麥克斯韋分布，則擴(kuò)散系數(shù)

D

與電離粒子的雜亂運(yùn)動(dòng)的平均速度之間的關(guān)系為：平均自由程

電子的平均自由程和亂運(yùn)動(dòng)的平均速度都比離子的大，因此其擴(kuò)散系數(shù)比離子的大，因而電子的擴(kuò)散效應(yīng)比離子的嚴(yán)重。126B.電子的吸附和負(fù)離子的形成

電子在運(yùn)動(dòng)過程中與氣體分子碰撞時(shí)可能被氣體分子俘獲，形成負(fù)離子，這種現(xiàn)象稱之為吸附效應(yīng)。Electronattachmente-Negativeion127例如O2、H2O，的，鹵素達(dá)

每次碰撞中電子被俘獲的概率稱為吸附系數(shù)h。h大(h>10-5)的氣體稱為負(fù)電性氣體。電子的吸附現(xiàn)象對(duì)氣體探測(cè)器產(chǎn)生的是正面or負(fù)面影響？

氣體探測(cè)器的工作氣體應(yīng)盡量選擇吸附系數(shù)小的氣體，在不得已采用時(shí)，將會(huì)影響探測(cè)器的性能。128C.復(fù)合(Recombination)

有兩個(gè)過程：電子與正離子，或負(fù)離子與正離子，相遇時(shí)可能復(fù)合成中性的原子或分子。Recombinatione-＋—＋129

為復(fù)合系數(shù)

復(fù)合的結(jié)果是損失了離子對(duì)數(shù)目，使產(chǎn)生信號(hào)的離子對(duì)數(shù)目減少，破壞了原入射粒子電離效應(yīng)與輸出信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，復(fù)合現(xiàn)象在探測(cè)器正常工作中應(yīng)盡量避免。

復(fù)合引起的離子對(duì)數(shù)目的損失率：

一旦形成了負(fù)離子，其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子，正離子與負(fù)離子的復(fù)合系數(shù)要比正離子與電子的復(fù)合系數(shù)大得多。130D.離子和電子在外加電場(chǎng)中的漂移

離子和電子除了與作熱運(yùn)動(dòng)的氣體分子碰撞而雜亂運(yùn)動(dòng)和因空間分布不均勻造成的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，還有由于外加電場(chǎng)的作用沿電場(chǎng)方向定向漂移。

這種運(yùn)動(dòng)稱為“漂移運(yùn)動(dòng)”，定向運(yùn)動(dòng)的速度為“漂移速度”。

電子漂移速度對(duì)氣體成分很敏感，少量某種氣體的混入就可顯著提高電子漂移速度。131這些氣體一般是甲烷、二氧化碳及氮等多原子或雙原子分子氣體。這些氣體分子有很多低能級(jí)，有它們存在，電子能量不用積累到很高，就可能發(fā)生非彈性碰撞而大量損失能量了。這樣，少量多原子分子的加入使氣體中電子的平均動(dòng)能顯著下降，也就可以使亂運(yùn)動(dòng)的平均速度下降，這將會(huì)提高漂移速度。這一效應(yīng)在氣體探測(cè)器的研制中經(jīng)常要用到。132(1)電子漂移速度一般為：離子漂移速度一般為：(2)電子的漂移速度對(duì)組成氣體的組分極為靈敏在單原子分子氣體中（如Ar）加入少量多原子分子氣體（如CO2、H2O等）時(shí)，電子的漂移速度有很大的增加。

電子與離子在氣體中在外電場(chǎng)作用下的漂移速度的主要區(qū)別為：133I:復(fù)合區(qū)II:飽和區(qū)III:正比區(qū)IV:

有限正比區(qū)V:G-M工作區(qū)VI:

連續(xù)放電區(qū)134第二節(jié)

電離室的工作機(jī)制與輸出回路電離室的工作方式可分為：1)脈沖型工作狀態(tài)2)累計(jì)型工作狀態(tài)

記錄單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)，處于這種工作狀態(tài)的電離室稱為：脈沖電離室。

記錄大量入射粒子平均電離效應(yīng)，處于這種工作狀態(tài)的電離室稱為：累計(jì)電離室。1351、電離室的基本結(jié)構(gòu)不同類型的電離室在結(jié)構(gòu)上基本相同.典型結(jié)構(gòu)有平板型和圓柱型。高壓極(K)：正高壓或負(fù)高壓；均包括：收集極(C)：與測(cè)量?jī)x器相聯(lián)的電極，處于與地接近的電位；保護(hù)極(G)：又稱保護(hù)環(huán)，處于與收集極相同的電位；負(fù)載電阻(RL)：電流流過時(shí)形成電壓信號(hào)。136高壓極收集極保護(hù)極高壓負(fù)載電阻外殼靈敏體積絕緣子平板型電離室137圓柱型電離室138靈敏體積：

由通過收集極邊緣的電力線所包圍的兩電極間的區(qū)域。保護(hù)環(huán)G的作用：1)使靈敏體積邊緣處的電場(chǎng)保持均勻；2)若無G，當(dāng)高壓很大時(shí)，會(huì)有電流通過絕緣子從負(fù)載電阻RL上通過，從而產(chǎn)生噪聲，即絕緣子的漏電流。139

氣體壓力：從0.1~10大氣壓。2、工作氣體

充滿電離室內(nèi)部空間，是電離室的工作介質(zhì)；

如Ar

加少量多原子分子氣體CH4。

需要保證氣體的成份和壓力，所以一般電離室均需要一個(gè)密封外殼將電極系統(tǒng)包起來。140第一步：假設(shè)回路中沒有負(fù)載電阻

極板a上加高壓V0，極板ab

間電容量為C1，則兩極板的電荷量：3、輸出信號(hào)產(chǎn)生的物理過程

即電離室的工作機(jī)制。141第二步：在電離室內(nèi)某一點(diǎn)引入一單位正電荷e+它將在兩極板上分別感應(yīng)出一定的負(fù)電荷，設(shè)分別為-q1、-q2高斯定律：142

即正電荷靠哪個(gè)極板近，那個(gè)極板上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷就多。

這就相當(dāng)于感應(yīng)電荷從外回路流過，即在外回路流過電流i+(t)。第三步：當(dāng)電荷沿電場(chǎng)向下極板運(yùn)動(dòng)，則上極板a上感應(yīng)電荷

減少，下極板b上感應(yīng)電荷

增加。且143

正離子漂移所引起的負(fù)感應(yīng)電荷在回路中流過的電荷量為：144第四步：當(dāng)正電荷快到達(dá)極板的前一瞬間，-q1全部由a極板經(jīng)外回路流到b極板，b極板上的感應(yīng)電荷：

當(dāng)e+到達(dá)b極板，e+與b極板上的感應(yīng)電荷中和。外回路電流結(jié)束，流過外回路的總電荷量為：考慮：如果在電極之間引入的是負(fù)電荷，解釋一下整個(gè)物理過程。產(chǎn)生的結(jié)果是否與正電荷有共同之處？145

電子(負(fù)離子)漂移所引起的正感應(yīng)電荷在回路中流過的電荷量為：146即：若在電場(chǎng)中引入一單位負(fù)電荷，它將在ab兩極板上分別感應(yīng)一定的正電荷，分別為和。當(dāng)負(fù)電荷沿電場(chǎng)反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則a極板上感應(yīng)電荷

增加，而b極板上感應(yīng)電荷

減少。整個(gè)過程中，流過外回路的總電荷量為：

相應(yīng)在外回路流過電流為，電流方向與相同。147在電離室中同一點(diǎn)引入正負(fù)電荷：

當(dāng)同時(shí)在同一位置引入一離子對(duì)，則在外回路流經(jīng)的電流：i(t)=i+(t)+i

–(t)

流過外回路的總電荷量：△q++△q-

=e148(1)只有當(dāng)空間電荷在極板間移動(dòng)時(shí)，在外回路才有感應(yīng)電流流過，此時(shí)i(t)=i+(t)+i–(t)，正、負(fù)電荷的感應(yīng)電流方向相同，在探測(cè)器內(nèi)部從陽極流向陰極。電荷漂移過程結(jié)束，外回路感應(yīng)電流消失。當(dāng)負(fù)電荷被收集后，外回路中就只有正電荷的感應(yīng)電流。結(jié)論：(2)當(dāng)+e、

e電荷在同一位置產(chǎn)生時(shí)，它們?cè)跇O板上的感應(yīng)電荷量分別相同；

+e、

e電荷漂移結(jié)束，流過外回路的總電荷量為e；該電荷量與這一對(duì)電荷的產(chǎn)生位置無關(guān)。

位置無關(guān)149(1)當(dāng)入射粒子在探測(cè)器靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N個(gè)離子對(duì)，它們均在外加電場(chǎng)作用下漂移，這時(shí)，產(chǎn)生的總電流信號(hào)是：引伸結(jié)論：(2)當(dāng)N個(gè)離子對(duì)全部被收集時(shí)，流過外電路的總電荷量為：Q只與離子對(duì)數(shù)量N有關(guān)，而與各離子對(duì)產(chǎn)生的位置無關(guān)。150

輸出回路的定義：輸出信號(hào)電流所有流過的回路都包括在輸出回路中。①感應(yīng)電荷在外回路上形成的電流，在負(fù)載電阻RL上形成電壓，有信號(hào)輸出；②測(cè)量?jī)x器有內(nèi)阻、電容；③探測(cè)器電容C1。輸出回路的簡(jiǎn)化過程：4、電離室的輸出回路④

線路的雜散電容C′。151測(cè)量?jī)x器總電阻總電容RL

：負(fù)載電阻；C1：探測(cè)器電容；R入

：測(cè)量?jī)x器輸入電阻；C入

：測(cè)量?jī)x器輸入電容；：雜散電容；如,電纜電容~100pF/m。152

電離室處于脈沖工作狀態(tài)，電離室的輸出信號(hào)僅反映單個(gè)入射粒子的電離效應(yīng)?？梢詼y(cè)量每個(gè)入射粒子的能量、時(shí)間、強(qiáng)度等。8.3脈沖電離室

以下討論假設(shè)入射粒子在靈敏體積中產(chǎn)生N個(gè)離子對(duì)，并忽略擴(kuò)散和復(fù)合的影響，而且在信號(hào)結(jié)束前，探測(cè)器靈敏體積內(nèi)不再有其它入射粒子產(chǎn)生電離。

脈沖電離室的輸出信號(hào)：電荷信號(hào)，電流信號(hào)，電壓信號(hào)。

1531)

脈沖電離室的總輸出電荷量1、脈沖電離室的輸出信號(hào)

電離室靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生N個(gè)離子對(duì)并全部被極板收集后的總輸出電荷量：

這一結(jié)果與極板形狀、電場(chǎng)分布、輸出回路參數(shù)無關(guān)。154(1)負(fù)載電阻RL=0的情況2)

脈沖電離室的輸出電流信號(hào)

相當(dāng)于用輸入阻抗極小的電流計(jì)測(cè)量電離室輸出信號(hào)的情況。155下面來計(jì)算電流的大?。弘娫刺峁┕β剩赫x子、電子在t時(shí)刻的空間位置；

正離子、電子在該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)；

正離子、電子在該點(diǎn)的漂移速度。

能量守恒電子－正離子在電場(chǎng)中漂移的過程，實(shí)際上是電場(chǎng)對(duì)電子和正離子做功的過程：156求解得到t

時(shí)刻流經(jīng)外回路的電流在t時(shí)刻，靈敏體積中有N+(t)個(gè)正離子和N–(t)個(gè)電子，則輸出電流：電離室的本征電流（IntrinsicCurrent）157以平板電離室為例，設(shè)離子和電子的漂移速度是常數(shù)，并且電子的漂移速度是離子漂移速度的1000倍，均勻電場(chǎng)t2為開始有正離子到達(dá)負(fù)極板的時(shí)間；幾個(gè)重要時(shí)刻：t1為開始有電子到達(dá)正極板的時(shí)間；T–

為電子全部到達(dá)正極板的時(shí)間；T+為正離子全部到達(dá)負(fù)極板的時(shí)間。離子和電子的初始數(shù)目為：158N=1時(shí)：159160(2)負(fù)載電阻RL≠0的情況

采用一般的具有輸入阻抗的測(cè)量裝置，輸出電壓信號(hào)V(t)?？傠娮杩傠娙茛匐娫醋龅墓β蔠(t)

④輸出回路中消耗的功率WO(t)②靈敏體積內(nèi)電子和正離子在電場(chǎng)作用下漂移所消耗的功率We(t)③C1的儲(chǔ)能發(fā)生變化(消耗功率)WC1(t)161推導(dǎo)過程的物理基礎(chǔ)：①電源電動(dòng)勢(shì)所做的功率W(t)

④輸出回路中消耗的功率WO(t)③C1的儲(chǔ)能發(fā)生變化(消耗功率)WC1(t)②靈敏體積內(nèi)電子－正離子在電場(chǎng)中漂移所消耗的功率We(t)能量守恒根據(jù)能量守恒：162①電源功率W(t)

②靈敏體積內(nèi)電子－正離子在電場(chǎng)中漂移所消耗的功率163a極板的電位不再為常數(shù)而為V(t)電容C1的儲(chǔ)能為能量變化率為：③電容C1的儲(chǔ)能發(fā)生變化④輸出回路功率WO(t)164能量守恒令：165把電離室看成理想的內(nèi)阻無限大的電流源，但這是有條件的。而電荷源則是無條件的。(A)由于V(t)<<V0為電離室的本征電流。結(jié)論：166(B)電離室可以用電流源I0(t)和C1并聯(lián)等效。并可得到其輸出回路的等效電路1673)電離室的輸出電壓信號(hào)解微分方程：168(1)當(dāng)時(shí)，即全部電子和正離子對(duì)輸出信號(hào)都有貢獻(xiàn)。在t<T+時(shí)當(dāng)t=T+時(shí)當(dāng)t>T+時(shí)169170A、在t=T+時(shí)，輸出電壓脈沖幅度B、C0越小，h越大。為此須降低工作在這種狀態(tài)的電離室稱之為離子脈沖電離室。存在問題——輸出電壓脈沖寬度非常大(T＋是ms量級(jí))，這樣入射粒子的強(qiáng)度不能太大，并且要求放大器電路頻帶非常寬，噪聲大而不實(shí)用。結(jié)論：當(dāng)，電子和離子的定向漂移對(duì)輸出電壓信號(hào)都有貢獻(xiàn)171(2)

當(dāng)，正離子漂移的貢獻(xiàn)可以忽略，在t<T－時(shí)當(dāng)t＝T－時(shí)當(dāng)t>

T－時(shí)172173A、輸出電壓脈沖幅度，僅取決于電子漂移在外回路中流過的電荷量。B、由于，約為微秒量級(jí)，將大大降低電壓脈沖信號(hào)的寬度，得到快的響應(yīng)時(shí)間。

結(jié)論：工作在這種狀態(tài)的電離室稱為電子脈沖電離室。當(dāng)，只有電子的定向漂移對(duì)輸出電壓信號(hào)有貢獻(xiàn)

存在問題：輸出電壓脈沖幅度h-與初始電離的位置有關(guān)，也就是Q-與初始電離位置有關(guān)。174即Q－與第j個(gè)電子被收集時(shí)最終電位和最初產(chǎn)生處(初電離位置)電位之差有關(guān)。這樣，電子脈沖電離室的輸出電壓脈沖幅度不僅與產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)有關(guān)，而且，與離子對(duì)生成的位置有關(guān)。175(3)影響輸出電壓信號(hào)形狀的因素176脈沖電離室輸出電壓脈沖信號(hào)為變前沿的脈沖信號(hào)，其前沿與電離發(fā)生的位置有關(guān)。177(C)電子或正離子漂移對(duì)輸出電壓脈沖信號(hào)的貢獻(xiàn)，取決于電子或正離子掃過的電位差。關(guān)于電離室輸出電壓信號(hào)的一些重要結(jié)論：(A)電子離子對(duì)一旦形成即開始漂移，立即就有輸出電流信號(hào)；電壓脈沖的上升時(shí)間為電流脈沖的持續(xù)時(shí)間。與R0C0有關(guān)。(B)電離室輸出電流中包含快成分與慢成分，其比例與電子離子產(chǎn)生位置有關(guān)，導(dǎo)致電離室輸出的電壓脈沖為變前沿的脈沖，其上升時(shí)間漲落達(dá)103sec量級(jí)。178

離子脈沖電離室存在問題——輸出電壓脈沖寬度非常大(T＋是ms量級(jí))，這樣入射粒子的強(qiáng)度不能太大，并且要求放大器電路頻帶非常寬，噪聲大而不實(shí)用。

電子脈沖電離室存在問題：輸出電壓脈沖幅度h－與初始電離的位置有關(guān)，也就是Q—與初始電離位置有關(guān)，與沉積能量不成正比。1792、圓柱型電子脈沖電離室和屏柵電離室1)圓柱型電子脈沖電離室180設(shè)計(jì)思想：利用圓柱形電場(chǎng)的特點(diǎn)來減小Q－與入射粒子的初始電離位置的依賴關(guān)系，達(dá)到利用“電子漂移引起的電壓脈沖幅度”來測(cè)量入射粒子能量的目的。電子脈沖電離室必定要滿足1812)屏柵電離室（TheGriddedIonChamber）屏柵電離室的構(gòu)成：陰極B、陽極A、柵極G、電源和負(fù)載電阻。BAG1823、脈沖電離室輸出信號(hào)的測(cè)量脈沖電離室的輸出信號(hào)所包含的信息：1）入射帶電粒子的數(shù)量；2）入射帶電粒子的能量；3）確定入射粒子間的時(shí)間關(guān)系。通過對(duì)輸出脈沖數(shù)進(jìn)行測(cè)量。通過對(duì)輸出電壓信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量。通過對(duì)輸出電壓信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。183脈沖電離室的輸出信號(hào)需要用電子儀器來測(cè)量。氣體電離室高壓前置放大器放大器單道或多道脈沖分析器1844、脈沖電離室的性能1)脈沖幅度譜與能量分辨率脈沖電離室常用來測(cè)量帶電粒子的能量。

對(duì)單能帶電粒子，若其全部能量都損耗在靈敏體積內(nèi)，則脈沖電離室輸出電壓脈沖的幅度反映了單個(gè)入射帶電粒子能量的大小。185能量分辨率：半寬度多道測(cè)量的脈沖幅度譜：186

能量分辨率反映了譜儀對(duì)不同入射粒子能量的分辨能力。187(a)能量分辨率反映了譜儀對(duì)不同入射粒子能量的分辨能力。能量分辨率越小，則可區(qū)分更小的能量差別。這是譜儀的最主要的指標(biāo)。關(guān)于能量分辨率的小結(jié)：(b)能量分辨率的公式是譜儀所達(dá)到的分辨率的極限和理論值。并可檢驗(yàn)譜儀的性能。(c)能量分辨率的數(shù)值是對(duì)某一能量而言的188第三節(jié)正比計(jì)數(shù)器（ProportionalCounters）

正比計(jì)數(shù)器中，利用碰撞電離將入射粒子直接產(chǎn)生的電離效應(yīng)放大了，使得正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)幅度比脈沖電離室顯著增大。

對(duì)直接電離效應(yīng)放大的倍數(shù)稱為“氣體放大倍數(shù)”，以A表示，在一定的工作條件下，A保持為常數(shù)。

正比計(jì)數(shù)器屬于非自持放電的氣體電離探測(cè)器。1891、正比計(jì)數(shù)器的工作原理1).正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)上必須滿足實(shí)現(xiàn)碰撞電離的需要，而在強(qiáng)電場(chǎng)下才能實(shí)現(xiàn)碰撞電離。

在一個(gè)大氣壓下，電子在氣體中的自由程約10-3～10-4cm，氣體的電離電位～20eV。要使電子在一個(gè)自由程就達(dá)到電離電位，場(chǎng)強(qiáng)須>104V/cm。

為達(dá)到這一要求，一般采用非均勻電場(chǎng)，以圓柱型為主。190設(shè)計(jì)思想：利用圓柱形電場(chǎng)的特點(diǎn)在中央絲極附近會(huì)產(chǎn)生小范圍的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域。距中心為r的場(chǎng)強(qiáng)：實(shí)例：當(dāng)V0＝1000V，a＝25

m，b＝1cm時(shí)，在r＝0.017cm處，電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)于臨界場(chǎng)強(qiáng)ET～104V/cm。191由：在r＝b時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最小，r＝a時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大。定義：

對(duì)于一個(gè)確定的正比計(jì)數(shù)器，只有當(dāng)工作電壓V>VT

時(shí)，才工作于正比計(jì)數(shù)器工作區(qū)，否則工作于電離室區(qū)。VT稱為正比計(jì)數(shù)器的起始電壓(閾壓).192

當(dāng)V0>VT

時(shí)，僅在a

～

r0

區(qū)間內(nèi)發(fā)生碰撞電離。

一般r0很小，和a是同一量級(jí)，這樣入射粒子在r0內(nèi)產(chǎn)生電離的可能性很小，可以忽略。因此，在不同位置射入的入射粒子所產(chǎn)生的電離效應(yīng)在正比計(jì)數(shù)器中都經(jīng)受同樣的氣體放大過程，都有同一個(gè)氣體放大倍數(shù)。

正比計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)主要由正離子漂移貢獻(xiàn)。193碰撞電離只有電子才能實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)電子到達(dá)距絲極一定距離r0

之后，通過碰撞電離過程，電子的數(shù)目不斷增多，這個(gè)過程稱為氣體放大過程，又稱電子雪崩(electronavalanche)。2).碰撞電離與氣體放大定義氣體放大倍數(shù)：194假定：(1)發(fā)生碰撞電離的截面正比于電子的動(dòng)能，即(2)近似認(rèn)為電子的能量就是電子在兩次碰撞間從電場(chǎng)獲得的能量?？傻玫饺缦玛P(guān)系：當(dāng)電壓足夠高，即V0/VT>>1時(shí)，氣體放大倍數(shù)與工作電壓的關(guān)系195結(jié)論：(2)A僅與V0，VT有關(guān)，與入射粒子的位置無關(guān)。(1)，在半對(duì)數(shù)座標(biāo)圖上近似為直線。1963).氣體放大過程中正離子的作用

離子漂移速度慢，在電子漂移、碰撞電離等過程中，可以認(rèn)為正離子基本沒動(dòng)，形成空間電荷，處于陽極絲附近，會(huì)影響附近區(qū)域的電場(chǎng)，使電場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?，影響電子雪崩過程的進(jìn)行。

正離子漂移到達(dá)陰極，與陰極表面的感應(yīng)電荷中和時(shí)有一定概率產(chǎn)生次電子，發(fā)生新的電子雪崩過程，稱為離子反饋；也可以通過加入少量多原子分子氣體阻斷離子反饋（電荷交換）。197正比計(jì)數(shù)器的輸出回路2、正比計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)198假定：(1)

A>>1。即忽略初始電離產(chǎn)生的離子對(duì)對(duì)輸出信號(hào)的貢獻(xiàn)。(2)全部輸出信號(hào)均為正離子由陽極表面向陰極漂移而在外回路流過的感應(yīng)電荷。這時(shí)，由于r0很小，以至電子在陰極的感應(yīng)電荷很小，而可以忽略電子對(duì)輸出信號(hào)的貢獻(xiàn)。199正比計(jì)數(shù)器的本征電流：由于：則：其中，僅取決于結(jié)構(gòu)、工作氣體及工作電壓等。200由于

很小，所以電流隨時(shí)間而迅速下降。201

電壓脈沖信號(hào)與輸出回路時(shí)間常數(shù)的選取有關(guān)，與粒子入射位置無關(guān)。

式中f(t)為僅與R0C0和

有關(guān)的時(shí)間函數(shù)，與入射粒子的位置和能量無關(guān)。202(1)電流脈沖I(t)的形狀一定，與入射粒子的位置無關(guān)；輸出電壓脈沖為定前沿脈沖。結(jié)論：(2)由于

～10-8s，即使t～100

，也就是輸出電流降為初始的約1/100,也僅需要

s量級(jí)，可以獲得快的響應(yīng)時(shí)間特性。(3)當(dāng)R0C0>>T＋時(shí)，獲得最大輸出脈沖幅度ANe/C0，但不管選取什么R0C0的值，電壓脈沖幅度均正比于ANe。因此可選擇小的輸出回路時(shí)間常數(shù)，獲得好的分辨時(shí)間。2031)輸出脈沖幅度與能量分辨率

輸出脈沖幅度的漲落是一個(gè)二級(jí)串級(jí)型隨機(jī)變量：輸出脈沖幅度：3、正比計(jì)數(shù)器的性能實(shí)驗(yàn)表明，所以，能量分辨率

204影響正比計(jì)數(shù)器能量分辨率的其他因素：①陽極絲的均勻性。④電子學(xué)系統(tǒng)的影響。③末端效應(yīng)和室壁效應(yīng)。②負(fù)電性氣體的存在。

使不同區(qū)域A不同，故同樣能量粒子在不同入射位置產(chǎn)生信號(hào)的大小不同。

使一些初級(jí)電子消失，影響輸出脈沖幅度。

入射粒子能量未完全損失在靈敏體積。

放大器噪聲、高壓的不穩(wěn)定性、放大器放大倍數(shù)的不穩(wěn)定性等的影響。2052)

探測(cè)效率和坪特性206207

分辨時(shí)間(死時(shí)間)

主要由輸出脈沖的寬度決定。脈沖越寬，死時(shí)間越大。3)分辨時(shí)間(死時(shí)間)

和計(jì)數(shù)率修正

在死時(shí)間

內(nèi)再產(chǎn)生的脈沖不會(huì)被記錄，從而會(huì)造成計(jì)數(shù)的損失，為此必須考慮計(jì)數(shù)率的修正。208

即正比計(jì)數(shù)器的雪崩過程僅在絲極的局部發(fā)生，因此在一個(gè)雪崩進(jìn)行的過程中，仍會(huì)有其他雪崩在不同位置產(chǎn)生的可能。這樣，在第一個(gè)信號(hào)脈沖后

內(nèi)又來第二個(gè)脈沖，第二個(gè)脈沖又將跟隨一個(gè)

，在此時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖仍不被記錄。正比計(jì)數(shù)器的雪崩區(qū)域范圍很小，單個(gè)電子形成的雪崩區(qū)寬度~200m，一個(gè)入射粒子形成的雪崩區(qū)寬度就是入射粒子徑跡在陽極絲上的投影。209分辨時(shí)間的兩種模型：GM管正比計(jì)數(shù)器

對(duì)正比計(jì)數(shù)器，如果輸入脈沖的時(shí)間間隔都小于分辨時(shí)間，會(huì)引起計(jì)數(shù)器的堵塞。2104、正比計(jì)數(shù)器的應(yīng)用1）

流氣式4

正比計(jì)數(shù)器2）低能X射線正比計(jì)數(shù)器——鼓形正比計(jì)數(shù)器。特點(diǎn)：4

立體角，探測(cè)效率高；流氣工作方式，換樣品方便，結(jié)構(gòu)密封簡(jiǎn)單；陽極絲為環(huán)狀。特點(diǎn)：有入射窗，常用Be(鈹)窗。2113）單絲位置靈敏正比計(jì)數(shù)器特點(diǎn)：陽極絲為高阻絲。由分流不同而確定粒子入射位置。2124）多絲正比室213G-M計(jì)數(shù)管是由蓋革(Geiger)和彌勒(Mueller)發(fā)明的一種利用自持放電的氣體電離探測(cè)器。8.6 G-M計(jì)數(shù)管G-M管的特點(diǎn)是：制造簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、使用方便。靈敏度高、輸出電荷量大。G-M管的缺點(diǎn)是：死時(shí)間長(zhǎng)，不能測(cè)能量?jī)H能用于計(jì)數(shù)。2141、G-M管的工作機(jī)制

由于光子反饋過程的存在，氣體放大倍數(shù)為：1）正離子鞘的形成及自持放電過程

在正比計(jì)數(shù)器中，光子反饋和正離子反饋的作用極微弱，因此，經(jīng)一次雪崩以后增殖過程即行終止，且雪崩只限于局部的區(qū)域，對(duì)一個(gè)初始電子僅展寬200m左右。215但在G-M計(jì)數(shù)管中，光子反饋和離子反饋就成為主要的過程。以光子反饋為例，通常條件下，，當(dāng)時(shí)，G-M管的自持放電過程可以分解為下列環(huán)節(jié)：

①初始電離及碰撞電離過程：電子加速發(fā)生碰撞電離形成電子潮－雪崩過程。216②放電傳播：放出的紫外光子打到陰極上并打出次電子（光子反饋）。

氣體放電迅速遍及整個(gè)管子，正離子包圍整個(gè)陽極絲，并逐步加厚形成正離子鞘。由于正離子鞘的形成，使陽極絲附近的電場(chǎng)減弱，使放電終止。

電子很快被陽極收集，該過程形成“電子電流”。③正離子鞘向陰極漂移過程：形成“離子電流”，是形成輸出脈沖的主要貢獻(xiàn)。217④正離子在陰極表面的電荷中和過程（離子反饋）：過程之一：過程之二：

這些過程均發(fā)生在第一次正離子漂移快結(jié)束時(shí)，在陰極新產(chǎn)生的電子又向陽極漂移，引起新的雪崩，從而在外回路形成第二個(gè)脈沖。如此周而復(fù)始，即自持放電過程。所以稱為非自熄G-M計(jì)數(shù)管。2182)有機(jī)自熄G-M計(jì)數(shù)管

在工作氣體中加入少量有機(jī)氣體M(多原子分子氣體，又稱猝熄氣體)，構(gòu)成的G-M管。例如，90％的氬氣(Ar)和10％的酒精(C2H5OH).

這樣的G-M管具有自熄能力，稱為有機(jī)自熄G-M管，或簡(jiǎn)稱為有機(jī)管。219

有機(jī)分子氣體M能夠強(qiáng)烈吸收Ar*發(fā)出的紫外光形成M*或M＋，使Ar*發(fā)出的紫外光打不到陰極上而阻斷了部分光子反饋過程；在正離子鞘向陰極漂移過程中，氬離子Ar+與有機(jī)分子M發(fā)生充分的電荷交換，到達(dá)陰極表面時(shí)均為有機(jī)分子離子M+；當(dāng)M+與陰極上的電子中和時(shí)，除克服電子在中和時(shí)需克服的逸出功外，多余能量使有機(jī)分子處于激發(fā)態(tài)M*，M*主要以超前離解退激，阻斷了幾乎全部離子反饋過程。220有機(jī)管的工作機(jī)制可歸納為：①初始電離及碰撞電離過程：電子加速發(fā)生碰撞電離形成電子潮－雪崩過程。②放電傳播：放出的紫外光子被有機(jī)氣體分子吸收，即：

有機(jī)氣體分子強(qiáng)烈吸收Ar*放出的紫外光子，在沿絲極很小范圍內(nèi)發(fā)生電離過程。放電沿陽極絲向兩端傳播，同時(shí)，正離子鞘也沿陽極絲向兩端形成，其結(jié)果是使放電終止。221③正離子鞘向陰極漂移過程：在正離子鞘向陰極漂移過程中，實(shí)現(xiàn)充分的電荷交換,

到達(dá)陰極時(shí)正離子均由有機(jī)氣體離子M+組成。例如：Ar的電離電位IAr

＝15.7eV；

Ar的激發(fā)態(tài)能級(jí)