快电子的能量损失课件.pptx
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1、1,在核辐射探测原理中,最基本的是利用带电粒子在物质中对物质原子产生的电离和激发效应或快速轻带电粒子穿过物质时的电磁辐射效应。,第二节 探测带电粒子的物理性质,2,1、电离和激发2、非弹性碰撞和弹性碰撞3、带电粒子在物质中的慢化,一、带电粒子与物质的相互作用,3,入射带电粒子与核外电子之间通过库仑作用发生非弹性碰撞,使电子获得能量而引起原子的电离或激发。,1电离和激发,电离核外层电子克服束缚成为自由电子,原子成为正离子。,激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态,退激发光。,4,相互作用过程中,满足能量守恒:,当E = 0时,弹性碰撞; 当E 0时,非弹性碰撞;,E 0时,与基
2、态原子碰撞,原子被激发; E 0时,与激发态原子碰撞。,2弹性碰撞和非弹性碰撞,带电粒子通过库仑力与物质发生相互作用。,5,从微观上看:,碰撞机制: 与原子、原子核碰撞;弹性、非弹性碰撞。,碰撞后: 入射粒子能量损失; 或能量、方向改变后出射; 或入射粒子消失,产生新粒子。,不管作用机制如何,穿过物质的射线强度比入射强度减小。,6,入射带电粒子所带电荷与原子中核外电子、原子核发生的库仑相互作用。,入射带电粒子在相互作用过程中逐渐慢化。,在入射带电粒子与电子的一次碰撞中,电子能获得的最大能量:,质子入射时:,3带电粒子在物质中的慢化,7,1)带电粒子与核外电子的非弹性碰撞 核外电子获得能量,引起
3、电离和激发。,电离:产生自由电子、正离子,主要在最外层电子。 电子进一步产生电离。,激发:电子跃迁,原子处于激发态,退激发光。,电离损失是重带电粒子在物质中损失动能的主要方式。,2)带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞,入射带电粒子速度和方向发生变化,同时发射韧致辐射。,辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。,8,3)带电粒子与靶原子核的弹性散射,入射粒子不辐射光子,不激发原子核,方向偏转 入射粒子损失一部分动能,靶核得到反冲。,叫做核碰撞损失,核阻止; 主要对低能、重离子入射。,4)带电粒子与核外电子的弹性散射,与电子的库仑作用,使入射粒子方向偏转; 入射粒子损失一部分动能,但能量转移很小,
4、电子能量状态不发生改变。,100eV以下的粒子才需考虑。,9,1.重带电粒子与物质相互作用的特点2.重带电粒子在物质中的能量损失规律3.重带电粒子在物质中的射程,三、 重带电粒子与物质的相互作用,10,1.重带电粒子与物质相互作用的特点,重带电粒子均为带正电荷的离子;重带电粒子主要通过电离损失而损失能量,同时使介质原子电离或激发; 重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。,11,2重带电粒子在物质中能量损失规律,1)能量损失率: 入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。,有:电离损失率,辐射损失率。,所以,,也叫线性阻止本领。,12,对重带电粒子,辐射能量损失率相比小的多,因此重带电粒子的
5、能量损失率就约等于其电离能量损失率。,所以,,2)Bethe 公式 Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系的经典公式。,13,假设: 入射粒子与“自由电子”发生碰撞; 入射粒子与“静止”电子发生碰撞; 入射粒子的电荷态是确定的。,在时间t内传给电子的动量,,因此,在全部相互作用中,传给电子的总动量,,距离入射带电粒子r的电子受到库仑力,,14,由于,,x方向的动量分量为零。,所以,,碰撞参数为b的单个电子获得的动能,,15,入射粒子经过dx距离,碰撞参数为bb+db范围内的电子得到的能量为,,入射粒子在单位距离内损失的能量,,bmin对应电子获得最大动能,,1
6、6,bmax对应电子获得的最小能量,需大于靶原子的平均激发能I ,,代入得,,改写为,,17,Bethe-Block公式: 根据量子理论,并考虑了相对论修正,几点讨论:,例如,1MeV的p与2MeV的d,z相同,v相同;S相同。,1)S与入射粒子质量无关,只与电荷与速度有关。,18,2)S与入射粒子的电荷平方z2成正比,,例如,相同速度的p与,S=4Sp 。,3)S与靶物质的电子密度NZ成正比,,4)S与v2的关系,v2较小,S 1/v2 ; v2较大,对数项增大,S上升; v2很小,电荷交换,俘获电子; v2极小,核阻止作用。,19,2)Bragg曲线与能量歧离,Bragg曲线:带电粒子的能
7、量损失率沿其径迹的 变化曲线。,20,能量歧离(Energy Straggling): 单能粒子穿过一定厚度的物质后,将不再是单能的,而发生了能量的离散。,21,Bragg曲线与能量歧离,单个粒子的情形:,平行粒子粒子束: 单能带电粒子穿过一定厚度物质后出现能量歧离。,22,3、重带电粒子的射程,射程R : 带电粒子在物质中沿初始入射方向穿过的最大距离。,路程: 带电粒子在物质中实际经过的轨迹。,对重带电粒子,射程=路程; 对轻带电粒子,射程路程。,射程歧离: 能量损失的随机性引起射程歧离, 重带电粒子百分之几,轻带电粒子百分之十几。,23,把射程公式改写为:,对重带电粒子,,24,几点讨论:
8、,1、同种粒子以相同速度,入射在不同物质中, 如果Z比较接近,,电子在硅和碘化钠中的射程,25,2、不种粒子以相同速度,入射在同物质中,,3、作为2的特例,当z相同时,,例:p、以相同速度入射在同种物质中, m/z2均为1,它们的射程相等。,26,射程的实验测量:,平均射程R;外推射程Re;最大射程Rmax。,27,粒子在标准状态空气中的射程,,当4MeV E 11MeV时,精度为1% 。,相同能量的同一种粒子,在不同的物质中射程关系:,与空气对比,同样粒子在其他物质中的射程为:,28,对由多种元素组成的化合物或混合物,其等效原子量为,例:210Po,放射源,E=5.3 MeV, 计算得到:R
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