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1、清华大学工程物理系工程硕士课程辐 射 探 测 学Ionization Radiation Detection(2)授课教师：李玉兰 2009.9.212009.11.9（7次）,2,2.射线与物质的相互作用Radiation Interactions with Matter,2.1 概论2.2 重带电粒子与物质的相互作用2.3 快电子与物质的相互作用2.4 射线与物质的相互作用2.5 中子与物质的相互作用,3,2.1概论,1.什么是射线？,射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。,射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。,本课程讨论对象为致电离辐射，
2、辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。,辐射一般是无法直接感知的，只有当它们穿过物质并和物质发生相互作用时才会留下些许信息（辐射的种类、能量、强度等）。也才会有探测器。,4,.概论,2.射线与物质相互作用的分类,5,.概论,3.弹性碰撞与非弹性碰撞,弹性碰撞（动能守恒）,非弹性碰撞（动能不守恒）,第一类非弹性碰撞比如，入射粒子与处于基态的原子发生碰撞，使之激发或者电离。,第二类非弹性碰撞比如，入射粒子与处于激发态的原子发生碰撞，使之退激。,6,.概论,4.带电粒子在靶物质中的慢化,载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种：电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰
3、撞过程。辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。带电粒子与靶原子核的弹性碰撞。带电粒子与核外电子弹性碰撞。,其中，前两种是主要的：,电离损失、辐射损失,7,.概论,(1)电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑力作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。,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。,8,.概论,当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称它为电离损失。,9,.概论,(2)辐射损失与原子核的非弹性碰撞过程,入射带电粒
4、子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射轫致辐射Bremsstrahlung。,当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。,对于粒子来说，辐射损失是其能量损失的重要方式。对于重带电粒子来说，辐射损失的能量份额不大。,此外，质子、粒子还有可能使原子核激发，从基态激发态，但是概率很小，可以不考虑。,10,2.1 概论2.2 重带电粒子与物质的相互作用2.3 快电子与物质的相互作用2.4 射线与物质的相互作用2.5 中子与物质的相互作用,11,2.2重带电粒子与物质的相互作用,1.重带电粒子与物质相互作用的主要特点重带
5、电粒子均为荷正电的粒子。重带电粒子主要通过电离损失的方式来损失能量，使介质原子电离或者激发。重带电粒子在介质中的运动轨迹近似为直线。,12,2.重带电粒子在物质中能量的损失规律,（1）能量损失率：指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领(Stopping Power)。,按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”。,13,.重带电粒子在物质中能量的损失规律|能量损失率,对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。,14,（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、
6、电荷Z等关系的经典公式。,只是：,此公式由经典角度导出,15,.重带电粒子在物质中能量的损失规律|Bethe公式,考虑相对论与其它修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率的精确表达式，称为Bethe-Block公式：,壳层项：当入射粒子的速度小于内层电子的速度时起作用,16,Bethe公式的含义,3)Bethe 公式的讨论,(2)、与带电粒子的电荷z为2次方的关系；,(1)、与带电粒子的质量M无关，而仅与其速度v和电荷数z有关。,(3)、与带电粒子的速度v的关系：,(4)、，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。,17,电离能量损失率随粒子的值的变化,18,19,4)Bragg曲线与能量
7、歧离,Bragg曲线：带电粒子的能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。,能量歧离是由能量损失是一个随机过程所决定的。,21,三.粒子径迹的特征,重带电粒子在物质中径迹的特征是什么？,具有相同速度的质子和粒子在水中的计算径迹片断,射线：是指带电粒子在穿透介质时产生的电子-离子对中的电子具有足够的能量而可引起进一步电离的电子。,比电离(specific Ionization)：是指带电粒子在穿透单位距离介质时产生的离子对的平均数。,基本是直线,质子、粗细有别,有分叉？,能量提高，会变细
8、？,22,3、重带电粒子在物质中的射程,1)射程(Range)的定义,带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程R。,入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程(Path)。,路程 射程,重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。,23,射程往往通过实验测定：,探测器,平均射程,外推射程,24,射程歧离：,由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单能粒子的射程也是有涨落的，称为射程歧离。,对图中曲线进行微分，得到一峰状分布，其宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离。,25,阻止时间：,将带电粒子阻止在
9、吸收体内所需的时间。,阻止时间T,粒子射程R,粒子的平均速度,对非相对论粒子(质量M，动能E)：,26,取k0.6,单位：秒,单位：米,单位：u,单位：MeV,重带电粒子在固体或液体中的阻止时间为fs，在气体中是ns,27,2)粒子在空气中的射程,为粒子能量，单位为MeV。,公式适用范围：,3)BraggKleeman rule:,Nc及（dE/dx)C表示化合物（或混合物）的原子密度和能量损失率；Ni及（dE/dx)i表示第i种成分元素的原子密度和能量损失率；Wi第i种成分的原子份额,28,A为相应物质的原子量；为相应物质的密度。,相同能量的同一种粒子在不同吸收物质中射程之间的关系可用半经验
10、公式描述：,多种元素组成的物质的原子量怎么计算？,定比定律,Mc为化合物的分子量Ni为化合物分子中第i种元素的原子数,29,对由多种元素组成的化合物或混合物，其等效原子量为：,化合物或混合物中，第i种元素的原子百分数。,对空气：,已知粒子在空气中的射程，可以求得粒子在其他物质中的射程：,30,4)同一吸收物质中不同重带电粒子的射程之间的关系。,粒子初速度的单值函数，对于同样的v值，不同粒子取相同的数值。,定比定律,入射粒子的属性,31,4、重带电粒子在薄吸收体中的能量损失,带电粒子在薄吸收体中的能量损失可计算为：,简单测厚仪原理：,32,5、裂变碎片的能量损失,裂变碎片是核裂变所产生的，具有很
11、大质量、很大电荷及相当高能量的重带电粒子。,很大，射程很短,随着它在吸收体内损耗能量而减小，与、质子不同。原因：在损耗能量降低速度的同时也俘获电子使自身的z不断减小。,33,2.1 概论2.2 重带电粒子与物质的相互作用2.3 快电子与物质的相互作用2.4 射线与物质的相互作用2.5 中子与物质的相互作用,34,2.3 快电子与物质的相互作用,快电子与物质相互作用的特点：快电子的速度大；重带电粒子相对速度小；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；快电子散射严重。重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。,Interaction of Fast Electro
12、ns,35,1、快电子的能量损失率,对快电子，必须考虑相对论效应时的电离能量损失和辐射能量损失。,电子电离能量损失率的Bethe公式：,36,辐射能量损失：,带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速度和运动方向发生变化，会伴随发射电磁波，即轫致辐射。,辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量。,量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：,入射粒子的电荷、能量及质量,吸收物质的原子序数和单位体积的原子数,37,讨论：,(1)：辐射损失率与带电粒子静止质量m的平方成反比。所以仅对电子才重点考虑。,当要吸收、屏蔽射线时，不宜选用重材料。,当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。,
13、(2)：辐射损失率与带电粒子的能量E成正比。即辐射损失率随粒子动能的增加而增加。,(3)：辐射损失率与吸收物质的NZ2成正比。所以当吸收材料原子序数大、密度大时，辐射损失大。,38,对电子，其辐射能量损失率为：,电子的两种能量损失率之比：,E的单位为MeV,探测学中所涉及快电子的能量E 一般不超过几个MeV，所以，辐射能量损失只有在高原子序数(大Z)的吸收材料中才是重要的。,39,2、快电子的吸收与射程,电子的运动径迹是曲折的。,电子的射程和路程相差很大。,电子的射程比路程小得多。,40,1)单能电子的吸收与粒子吸收的差别,由于单能电子和粒子易受散射，其吸收衰减规律不同于粒子。但均存在最大射程
14、 Rmax。,射程往往通过实验测定：,探测器,41,对单能电子，初始能量相等的电子在各种材料中的射程与吸收体密度的乘积近似为常数：,42,单能电子在吸收介质中的射程Rm(mg/cm2)与其能量E(MeV)之间的关系：,经验公式：,43,对粒子，当吸收介质的厚度远小于 时，粒子的吸收衰减曲线近似服从指数规律：,为吸收体的吸收系数,t 为吸收体的厚度,m为吸收体的质量吸收系数,tm 为吸收体的质量厚度,与粒子的最大能量有关,44,射线在铝中的射程：,其它典型物质中射线的射程：Ge：REmax，(mm,MeV)Al：R2Emax，(mm,MeV)Air：R400Emax，(cm,MeV),对比：4M
15、eV 在空气中的射程约为2.5cm。,45,2)电子的散射与反散射,电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。,定义反散射系数：,探测器,46,对同种材料，入射电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的入射电子，原子序数越高的材料，反散射越严重。对低能电子在高原子序数的厚样品物质上的反散射系数可达50。,从实验曲线看出：,47,反散射的利用与避免,1)对放射源而言，利用反散射可以提高源的产额。,2)对探测器而言，要避免反散射造成的测
16、量偏差。,给源加一个高Z厚衬底。,使用低Z材料作探测器的入射窗和探测器。,48,3、正电子的湮没,正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。,高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出光子。或者，它与一个电子结合成正电子素，即电子正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。,正电子的特点是：,正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射。,正电子湮没时放出的光子称为湮没光子。,49,正电子湮没时一般放出两个光子，放出三个光子的概率仅为放出两个光子概率的0.37。,从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，两个湮没光子的总能量应等于正、负电子的
17、静止质量。即：,从动量守恒出发：湮没前正、负电子的总动量为零，则，湮没后两个湮没光子的总动量也应为零。即：,50,因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。,而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的。,Pair Annihilation,Positron,511 keV,511 keV,E=mc2,Two photonstravel in exactly oppositedirections,Electron,51,正电子在材料中发生湮没的概率：,材料中的电子密度，单位1/cm3；,电子的经典半径，,光速,Z,A 为材料的密度、原子序数和原子量。,正电子寿命=1/P，固体中
18、=10-10s，气体中=10-7s,52,小结,带电粒子与物质的相互作用,53,Interaction Characteristics:主要为电离能量损失单位路径上有多次作用单位路径上会产生许多离子对和较大的能量转移,每次碰撞损失能量少运动径迹近似为直线在所有材料中的射程均很短,Heavy Charged Particle Interactions,54,Electrons and Positrons Interactions,Interaction Characteristics:电离能量损失和辐射能量损失单位路径上较少相互作用单位路径上产生较少的离子对和较小的能量转移,每次碰撞损失能量大路
19、径不是直线，散射大,55,2.1 概论2.2 重带电粒子与物质的相互作用2.3 快电子与物质的相互作用2.4 射线与物质的相互作用2.5 中子与物质的相互作用,56,探测学中射线含义电磁辐射,特征射线：,湮没辐射：,核能级跃迁,正电子湮没产生,特征X射线：,原子能级跃迁,轫致辐射：,带电粒子速度或运动方向改变产生,57,特点：,光子是通过次级效应(一种“单次性”的随机事件)与物质的原子或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；,次级效应主要的方式有三种:光电效应康普顿效应电子对效应。,58,射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用
20、截面这个物理量来表示作用概率的大小。而且，总截面等于各作用截面之和，即：,59,1、光电效应Photoelectric Effect,射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子photoelectron)，而光子本身消失的过程，称为光电效应。,光电效应是光子与原子整体相互作用，而不是与自由电子发生相互作用。因此，光电效应主要发生在原子中结合的最紧的 K层电子上。,光电效应发生后，由于原子内层电子出现空位，将发生发出特征X射线或俄歇电子的过程。,60,1)光电子的能量,由能量守恒：,因此，光电子能量为：,光电效应是光子与原子整体的相互作用，而不是
21、与自由电子的相互作用。否则不能同时满足能量和动量守恒。,光电子在第i壳层的结合能,61,2)光电截面,入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。,理论上可给出的光电效应截面公式。,62,，经典电子散射截面，又称Thomson截面。,63,光电效应截面小结：,对于选择探测器的材料的提示：,对防护、屏蔽射线的提示：,(1)与吸收材料Z的关系,光子能量越高，光电效应截面越小。,(2)与射线能量的关系,采用高原子序数的材料，可提高探测效率。,采用高Z材料可以有效阻挡射线。,64,3)光电子的角分布,光电子的角分布代表进入平均角度为 方向的单位立体角内的光电子数的比例。,相对于入射光子方向的角
22、度。,65,在不同出射方向光电子的产额是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是微分截面。,光电子角分布的特点：,(1)在 0 和 180 方向没有光电子飞出；,(2)光电子在哪一角度出现最大概率与入射光子能量有关；当入射光子能量低时，光电子趋于垂直方向发射，当光子能量较高时，光电子趋于向前发射。,66,2、康普顿效应 Compton Effect,康普顿效应是射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。,康普顿散射可近似为光子与自由电子发生相互作用（弹性碰撞）。康普顿效
23、应主要发生在原子中结合的最松的外层电子上。,67,1)反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关系,光子的能量：,电子的动能：,光子的动量：,电子的动量：,相对论关系：,68,由能量守恒,由动量守恒,可得到：,散射光子能量：,反冲电子能量：,反冲角：,69,小结：,(1)散射角 0 时，,表明：入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。,(2)散射角 180 时，散射光子能量最小，而反冲电子能量最大。,70,当h m0c2时，Ee h。,(4)当h m0c2时，h h，汤姆孙散射。,(3)散射角与反冲角存在一一对应的关系。,71,2）康普顿散射截面和角分布,Klein-N
24、ishina公式：,微分截面：,角分布：,72,73,74,康普顿散射总截面：,整个原子的康普顿散射总截面：,当h m0c2时，,其中，,75,当h m0c2时，,76,3）反冲电子角分布和能量分布,由反冲电子能量和方向与散射光子能量和方向的一一对应关系，可以得到：,由此得到反冲电子微分截面与散射光子微分截面的关系：,可以由散射光子微分截面求得反冲电子微分截面。,77,反冲电子角分布：,78,反冲电子能量分布：,与入射光子能量h相差200keV。,康普顿边缘：,康普顿坪连续分布。,79,3、电子对效应 Pair Production,电子对效应是当入射射线(光子)能量较高(1.022MeV)时
25、，当它从原子核旁经过时，在核库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电子和一个电子的过程。,电子对效应除涉及入射光子与电子对以外，必须有第三者原子核的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的能量必须大于1.022MeV。,80,1)正负电子的能量,由能量守恒：,因此，正负电子的总动能为：,总动能是在电子和正电子之间随机分配的，都可以从 取值。,由动量守恒，电子和正电子应沿着入射光子方向的前向角度发射。,2)正负电子的运动方向,而且，入射光子的能量越高，正负电子的发射方向越是前倾。,81,当：时：,3)电子对效应的截面,电子对效应截面随Z的增加而增加，也随入射粒子的能量的增加而
26、增加。,当：稍大于 时：,82,4)电子对效应的后续过程,正电子的湮没。,0.511MeV 的湮没辐射,正电子湮没,衰变,电子对效应,分析能谱时，若发现：,83,小结：,低能、高Z，光电效应占优势；,高能、高Z，电子对效应占优势；,中能、低Z，康普顿散射占优势。,84,85,7、物质对射线的吸收,(1)窄束射线强度的衰减规律,为光子与吸收物质作用的截面；,N为吸收物质单位体积的原子数；,I0为射线入射强度；,D为吸收物质厚度。,86,对上面的方程积分：,在tt+dt层内单位时间光子数的变化为：,等于在该层物质内单位时间发生的作用数。,光子束通过物质时的强度为：,其中：,线性吸收系数,又称为宏观
27、截面,87,质量吸收系数：,质量厚度：,质量吸收系数与物质状态无关。,与带电粒子不同，射线没有射程的概念。窄束 射线强度衰减服从指数衰减规律，只有吸收系数及相应的半吸收厚度的概念。,(2)非窄束射线强度的衰减规律,积累因子,88,不同滤波片厚度下石墨(红色)和铝(蓝色)的高低能曲线,89,探测器厚度：低能0.3 mm 高能4 mm。,低能探测器取不同厚度时的材料石墨(红色)和铝(蓝色)的分辨曲线,90,作业,计算218Po放射源发射的粒子（E 5.304 MeV)在水中的射程。已知1MeV质子在某介质中的电离损失率为A，求相同能量的粒子的电离损失率。试计算137Cs E=662 KeV 射线发生康普顿效应时，反冲电子的最大能量。,
