电离辐射与物质相互作用.ppt

第一章，电离辐射与物质相互作用，第一节带电粒子与物质相互作用，第一节，射线与物质相互作用，光线种类很多，能量范围也很广，但一般只关注能量超过10ev的辐射，能量大于这个最低emergy的辐射称为电离辐射。1.辐射分类(1)带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、粒子等。也称为直接电离辐射，当带电荷的粒子通过物质时，其能量会随着沿粒子轨迹流动多次的库伦力的相互作用传递给物质。(2)未充电粒子的辐射：电磁辐射(伽马射线和x射线)和中子等。也称为间接电离辐射，当x/伽马射线或中子通过物质时，会发生一些比较强的相互作用，将它的部分或全部能量传递给它们通过的物质内的任何带电粒子，结果产生的快速带电粒子又可以通过直接电离辐射的方式传递给能量。X/伽马射线将它的全部或部分能量传递给物质核外的电子，产生二次电子；中子几乎总是以核反应或裂变过程产生二次再带电粒子。中子的世界，从中子的角度来看，世界上大部分是空的。中子与原子核反应的可能性有多大？微剖面微尺度，I(#/cm2s)的单能量中子束平行入射到具有 x的薄目标厚度和n的核密度的薄目标上。平行中子束经过薄目标后强度的变化量 I表征入射子束的强度I、目标的厚度 x和目标的核密度n .微截面微球化，微截面表征中子和核相互作用(发生核反应)的概率大小。精细截面Microscopiccrosssection，每种类型的核反应都有相应的截面，每个截面显示为不同的下标。微剖面工程中常用的单位：目标(barn)，1目标=10-24cm2，中子束入射到厚目标的neutronbeamincidentonathenticktarget，未碰撞中子束强度的衰减规律，x到dx间隔的单位面积wherenithenumberdensityofthetargetnucleinunitscm-3，未碰撞中子束强度的衰减规律，方程：给定边界条件下的解：宏观截面的物理解释表征了中子和单位体积内所有核反应的概率大小中子的介质之间移动单位距离与原子核反应的概率大小。2 .核工程和核技术应用中带电粒子和目标物质原子之间的碰撞过程主要包括几kev 20Mev的辐射能。在此能量范围内，带电粒子通过目标物质时，主要通过库仑力与目标物质原子相互作用的方法有四种。(1)带电粒子和目标物质原子的核外电子的非弹性碰撞入射带电粒子和物质原子的核外电子通过库伦力作用的非弹性碰撞引起原子的电离和刺激。在这个过程中，核电子获得能量，带电粒子的能量减少，速度减慢，以这种方式失去能量，这称为电离能量损失。一般来说，带电粒子通过物质时失去能量的主要方法。(2)带电粒子和目标物质核的非弹性碰撞带电粒子和物质核通过库伦力的相互作用使入射带电粒子反弹或吸引，从而改变粒子的速度和方向。带电粒子在加速或减速时产生辐射，因此带电粒子突然以可变速度移动时产生的电磁辐射称为制动辐射，以这种方式失去能量称为发射能量损失。(3)带电粒子和目标物质核的弹性碰撞带电粒子和目标物质核在库伦力下发生弹性散射，即卢瑟福散射。在此过程中，不会发射或发射核。只是核反冲释放出的能量的一部分。这种能量损失称为核碰撞能量损失，这称为核阻断。这个过程是引起严重电子散射的主要因素。(4)带电粒子和目标物质核外电子的弹性碰撞带电粒子和目标核外电子的弹性碰撞过程只有很小的能量移动。只有极低能量(100ev)的电子才考虑这种交互方式。因此，粒子的能量损失很少贡献，通常被忽略。3 .在物质中带电粒子的能量损失带电粒子进入物质时，通过库仑力相互作用失去能量的过程可以看作是物质阻挡的过程，通过特定吸收物质对带电粒子的线性阻挡技术s将该粒子的微分能量损失dE除以相应的微分路径dx，也可以称为粒子的能量损失率或非能量损失。据带电粒子和目标物质原子碰撞过程分析，能量损失率由电离能量损失率Sion、辐射能量损失率Srad和核碰撞能量损失率Sn组成，对带电粒子的三种能量损失方法占不同的比重。3。带电粒子的能量损失称为快速带电粒子，具有一定能量的质子、中核、粒子、介子等带电粒子称为快速带电粒子，而所有z2失去部分电子的原子和裂变碎片等粒子称为重离子。最重要的能量损失方法高速再充电粒子和中温的电离能量损失发射Srad可以忽略，高速再充电粒子的核碰撞能量损失Sn通常很小，但是中离子(特别是速度极低时)的核碰撞能量损失Sn可以与电离能量损失发射相比较。在电子的情况下，电离能量损失的构建仍然是能量损失的重要方法，但是辐射能量损失Sion在电子能量达到几Mev时也占据了几乎相似的位置。电子的质量较小，因此核碰撞能量损失Sn所占的比重很小，但可能引起严重的散射。第二，再充电粒子与物质的相互作用，在我们感兴趣的能量范围(约0.1Mev 20Mev)内，再充电粒子与物质的主要相互作用是(1)由于与原子的电子的非弹性碰撞，原子电离，在这里，但粒子的运动方向几乎没有变化；(2)电荷交换，即电子的捕获和损失；(3)与核的弹性碰撞(卢瑟福散射)；(4)核反应。产生能量损失的主要机制是电离和激发，即电离能量损失。但是离子的种类不同，相互作用的方式也不同。1 .能量损失率考虑到相对论，理论上是：1 .关于能量损失率向上的一些结论：(1)电离能量损失率与再充电粒子电荷数z2成正比。如果和质子的速度相同，物质对粒子的阻挡能力是质子的四倍。因此，带电荷的粒子的电荷越多，能量损失就越大，渗透力就越差。(2)电离能量损失率与入射粒子速度v相关，无论质量如何。这是因为再充电的粒子的质量比电子的静止质量高得多。因此，如果两个入射粒子的速度相同，电荷数相同，那么能量损失率将相同。(3)电离能量损失率与物质的电子密度NZ成正比。n表示单位体积内目标物质的原子数，z表示对应的原子数，则单位体积内电子的数目为NZ。物质的密度越高，物质中原子的原子编号越高，这种物质对粒子的阻挡能力就越强。(4)电离能量损失率与入射粒子的能量相关。4 em 0/M2 m0 v 2，1。能量损失率，2 .电离带电粒子通过物质时，通过电离和刺激产生很多电子-离子，单位距离产生的平均离子对数称为非离子。3.射程带电粒子在物质内部运动时持续失去能量，最终停留在物质内部。沿初始移动方向移动的最大距离称为从该物质入射的粒子范围。入射粒子从物质中经过的实际轨迹长度称为路线。重新充电的粒子质量大，与电子的相互作用不会显着改变运动方向。轨迹几乎是直线，射程基本上等于路。，3 .范围能量为E0的带电粒子的范围r可能表示通常是实验测量的。可以看到粒子的计数n从开始到下降到0的距离都被吸收，计数速度下降一半的传输距离定义为粒子的平均范围R0。曲线a的诱导曲线b称为微分曲线，表示粒子数随距离的分布，其峰值就是平均范围R0。微分曲线分布的宽度表示范围变化，表示相同能量的粒子在同一物质中的范围不完全相同。这种变动称为范围不一致。粒子在空气中的范围数据总结了一半经验公式。4.能量差异对范围不一致进行了上述讨论，这种现象的根本原因是，充电粒子沿轨迹经历的碰撞次数和每次碰撞损失的能量都是随机的量等原因导致了能量差异。同一能量的很多粒子进入目标后，在不同深度的能量沉积是不同的，进入目标后，平均能量越小，能量分布越大，回避也越严重。第三，电子与物质的相互作用，快速电子包括射线(正电子和电子)和单个能量电子束。电子的静止质量约为alpha粒子的1/7000，因此与物质的相互作用以及在物质上的运动轨迹都与充电粒子有很大的区别。快速电子和物质的相互作用如下。(1)原子与电子的非弹性碰撞引起原子的电离和刺激。(2)核弹性库仑散射，严重散射；(3)电子减速或加速过程中的电磁辐射(制动辐射)；(4)正电子或正电子的消亡。电离和刺激仍然很重要，但放射性的作用不能随便忽略。另外，在与轨道电子的一次作用下，会失去相当大的比重，甚至整个能量，大大改变自己的运动方向。1.电离损失电子的能量损失率由电离损失和辐射损失组成。电子与物质相互作用的能量损失率比重新充电的粒子小得多，在相同的能量条件下，电子比重新充电的粒子的速度快得多，因此，电子在单位距离上失去的能量比重新充电的粒子少得多。描述电离能量损失率的公式：2。辐射损失带电粒子在核库仑场中减速或加速，其动能的部分或全部转化为连续光谱的电磁辐射。能量损失称为辐射损失。电磁辐射的强度必须与z2Z2NE/m2成正比。电子的辐射损失率公式：可以看到一些结论。(1)辐射能量损失率与m2成反比。粒子质量越小，制动辐射强度越大。(2)辐射能量损失率与Z2成正比。电子撞击原子号码高的材料时，制动辐射更容易。用于生成x射线源。(3)辐射能量损失率与粒子能量e成正比。3 .在能量损失物质中，快速电子的能量损失率可以表示为：电子的能量低时电离损失占主要位置；电子的能量越高，辐射损失就越重要。在相对论领域，例如4 .弹性散射电子通过物质时，移动方向的变化与核和核外电子的非弹性碰撞有关，但主要是核的库仑力引起的弹性碰撞的结果。在弹性碰撞过程中，电子的能量变化很小，但方向变化很大，是弹性散射。电子通过物质时，需要多次接收多个原子核的弹性散射作用。使散射角大于90或大于180，大于90的散射称为后向散射。Fb随散射管厚度的增加而增加，但厚度增加到一定水平时达到饱和。5 .电子的吸收实验表明，在不同的吸收介质中，m随着原子序数的增加而缓慢增加。对于同一介质，吸收系数m与粒子的最大能量有密切关系。铝的经验公式如下：6。beta射线的范围beta射线为0.01E2.5Mev时：E2.5Mev时：R0=0.530E-0.106其中范围R0以质量厚度表示，单位为gcm-2，e是粒子的最大能量，单位为Mev。正电子与物质的相互作用正电子在通过物质时与核相互作用，失去能量的主要过程是电离损失和辐射损失，就像负电子一样。吸收体的轨道类似于负电子，能量损失率和范围也与初始能量相同的负电子相同。其特点是，速度慢、结束快时，与介质中的电子消亡，两个光子同时发射。两种消光光子能量均为0.511Mev，产生的方向差为180。也就是说，总动量为0。是的，其他形式的辐射，上述讨论说明了带电粒子通过介质时的两种主要能量损失方法：电离损失和辐射损失，这是由于能量小于20Mev的带电粒子和物质的相互作用而失去能量的主要过程。对于高能带电粒子，除了上述过程外，还可能发生切伦科夫辐射和横向辐射。切伦科夫辐射是由带电粒子比介质中光速更快的速度产生的。交叉辐射是快速充电的粒子从一种介质向另一种具有其他光学特性(如另一种介电常数)的另一种介质突然移动时产生的辐射。这两种辐射的能量损失与电离损失相比是非常小的比例，特别是低能粒子完全不考虑能量损失，但在高能物理学中具有非常重要的意义。第二节，光子与物质的相互作用：光电效应康普顿效应电子影响瑞利散射，1。光电效应光子与原子的耦合电子相互作用，将自身所有的能量传递给这个耦合电子释放，光子本身消失。T光电动能；h3354入射光子能；EB电子束缚能。光电子发射后，原壳产生了孔，原子处于这里，这种状态不稳定，兴奋的过程有两种。1)特性x射线(产量与z相关)2)oshe电子也为1。光电效应、特性x射线和oshee电子的发射度，在k壳电子的情况下，光电效应发生的截面如下：其中C1，C2是常数。可以看到，(1)原子序数z越高，光电效应就越容易发生。(2)光子能量越高，光电效果越不容易发生。光电的角度在光电效应测试中没有以光子的入射方向(0o方向)和半角方向(180o方向)观察到。(1)如果e 非常低，则光电往90o方向发射2)如果e 增加，则光电逐渐向前发射2。e 不同的话，光电子角度分布，2 .对于康普顿散射高能量的伽马射线，可以忽略原子壳电子的束缚能量，将其视为自由电子，光子会与这些自由电子发生非弹性碰撞(称为康普顿散射)。图3 .康普顿散射图，康普顿散射遵循能量和动量守恒定律。其中是以电子的静止能量0.511MeV为单位的入射光子的能量，在e 较大时(值)，可以知道。=0o时；=180o时，Eemax称为康普顿边界。和存在是以下关系：康普顿散射截面：如你所见，康普顿散射截面与z成正比，与光子能量无关，但光子能量高的话，截面与z成正比，与光子能量几乎成反比。入射光子能量增加，康普顿散射截面减少，但下降速度比光电截面慢。图4 .电子的康普顿散射截面与入射光子能量的关系随着电子康普顿反应截面入射光子能量的上升而减小，但康普顿电子获得的平均能量和此能量占入射光子能量比重的fa随着e-的增加而持续增加，因此，康普顿散射截面和fa的乘积可以表示“康普顿吸收截面”。如果康普顿电子的角度分布=0o更改为180o，则=90o更改为0o。康普顿电子角分布的正向散射高于散射体向前分布的程度。3 .电子对效应光子经过