放射卫生与防护第三章_

1、Radiation Interactions with Matter3.1 概述概述1、什么是射线？、什么是射线？射线射线，指的是如，指的是如X射线、射线、 射线、射线、 射射线、线、 射线等，本质都是射线等，本质都是辐射粒子。辐射粒子。射线与物质相互作用是辐射探测的基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。础，也是认识微观世界的基本手段。 本课程讨论对象为本课程讨论对象为致电离辐射致电离辐射，辐射，辐射能量能量大于大于1010eV。即可使探测介质的原。即可使探测介质的原子发生电离的能量。子发生电离的能量。 2 2、射线与物质相互作用的分类、射线与物质相互作用的分类Ch

2、arged Particulate RadiationsUncharged RadiationsHeavy charged particlesNeutronsFast electronsX-rays and raysfTdp, e 3 3、弹性碰撞与非弹性碰撞、弹性碰撞与非弹性碰撞EMVmvMVmv 222221212121E 为内能项 0 E弹性碰撞弹性碰撞（即动能守恒）（即动能守恒） 0 E非弹性碰撞非弹性碰撞（即动能不守恒）（即动能不守恒） 0 E为为第一类非弹性碰撞第一类非弹性碰撞，如入射粒子与，如入射粒子与处于基态的核碰撞，且使核激发；处于基态的核碰撞，且使核激发； 0 E为为第二类

3、非弹性碰撞第二类非弹性碰撞，如入射粒子与，如入射粒子与处于激发态的核碰撞，且使其退激。处于激发态的核碰撞，且使其退激。 3.23.2、带电粒子与物质的相互作用、带电粒子与物质的相互作用载能带电粒子在靶物质中的载能带电粒子在靶物质中的慢化过程慢化过程，可分为可分为四种四种，其中前两种是主要的：，其中前两种是主要的：(a)(a) 电离损失带电粒子与靶物质原电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程。子中核外电子的非弹性碰撞过程。 (b)(b) 辐射损失带电粒子与靶原子核辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。的非弹性碰撞过程。(c) (c) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子与靶

4、原子核的弹性碰撞(d) (d) 带电粒子与核外电子弹性碰撞带电粒子与核外电子弹性碰撞(1)(1)电离损失电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程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入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用库仑作用，使电子获得能量而引起使电子获得能量而引起原子的原子的电离电离或或激发激发。 电离电离核外层电子克服核外层电子克服束缚成为束缚成为自由电子自由电子，原子，原子成为正离子。成为正离子。激发激发使核外层电子由低使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子能级跃迁到高能级而使原子处于处于激发状态激发状态，退激发光。，退激发光。当当入射带电粒子入射带电粒子与与

5、核外电子核外电子发生发生非弹性碰非弹性碰撞撞，以使靶物质原子，以使靶物质原子电离电离或或激发激发的方式而的方式而损失其能量，我们称它为损失其能量，我们称它为电离损失电离损失。(2)(2)、辐射损失、辐射损失与原子核的非弹性碰撞过程与原子核的非弹性碰撞过程入射带电粒子与入射带电粒子与原子核原子核之间的之间的库仑力作用库仑力作用，使入，使入射带电粒子的射带电粒子的速度速度和和方向方向发生变化，伴随着发射发生变化，伴随着发射电磁辐射电磁辐射轫致辐射轫致辐射Bremsstrahlung。当当入射带电粒子入射带电粒子与与原子核原子核发生发生非弹性碰撞非弹性碰撞时，时，以以辐射光子辐射光子损失其能量，我们

6、称它为损失其能量，我们称它为辐射损辐射损失失。尤其尤其对对粒子粒子与物质相互作用时，与物质相互作用时，辐射损失辐射损失是其是其重要的一种能量损失方式重要的一种能量损失方式。(3)(3)、带电粒子与靶原子核的弹性碰撞、带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子带电粒子与与靶原子核的库仑场靶原子核的库仑场作用而发生弹性散射。作用而发生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变总动能不变，即，即入射粒子入射粒子既不既不辐射光子，辐射光子，也不也不激发或电离原子核，但入激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其射粒子受到偏转，其运动方向改变运动方向改变。弹性碰撞过

7、程中弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转核碰撞能量损失核碰撞能量损失只是在入射带电粒子只是在入射带电粒子能量很低能量很低或或低速重低速重离子离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。电子却是引起反散射的主要过程。这种由入射带电粒子与靶原子核发生这种由入射带电粒子与靶原子

8、核发生弹性碰撞弹性碰撞引起引起入射入射粒子的能量损失粒子的能量损失称之为称之为核碰撞能量损失核碰撞能量损失，我们把原子核，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为对入射粒子的阻止作用称为核阻止核阻止。(4)(4)、带电粒子与核外电子的弹性碰撞、带电粒子与核外电子的弹性碰撞受受核外电子核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为动方向。同样为满足能量和动量守恒满足能量和动量守恒，入射，入射粒子要损失一点动能，但这种粒子要损失一点动能，但这种能量的转移很能量的转移很小小，比比原子中电子的原子中电子的最低激发能还小最低激发能还小，电子，电子的能量状态没有变化。实际上，这

9、是的能量状态没有变化。实际上，这是入射粒入射粒子与整个靶原子的相互作用子与整个靶原子的相互作用。这种相互作用方式只是在极低能量这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)(100eV)的的粒子方需考虑粒子方需考虑, , 其它情况下完全可以其它情况下完全可以忽略掉。忽略掉。（5）、）、线阻止本领线阻止本领，质量阻止本领质量阻止本领dESdl 线阻止本领线阻止本领 定义定义：dE是是dl距离上距离上损失能量损失能量的数学期望值。的数学期望值。1SdEdl 质量阻止本领质量阻止本领 定义：定义：主要是计算上的优势。主要是计算上的优势。质量碰撞质量碰撞/辐射阻止本领辐射阻止本领质量碰撞阻止本领定义：1

10、ccdESdl 1rrdESdl 质量辐射质量辐射阻止本领定义：阻止本领定义：crSSS阻止本领分类：阻止本领分类： 2, 1, 212c ic iSZSZ 在相同介质中，若在相同介质中，若 相同，则两种重离子的碰相同，则两种重离子的碰撞阻止本领相同，即：撞阻止本领相同，即：对重离子对重离子：质量碰撞质量碰撞/辐射阻止本领（续）辐射阻止本领（续）cSS 这意味着重离子的能量损失机制主要电离、激发；这意味着重离子的能量损失机制主要电离、激发；EM质量碰撞质量碰撞/辐射阻止本领（续）辐射阻止本领（续）对电子对电子：crSSS简化，当简化，当E3MeV, n=700100MeV； 的电子能量称为的电

11、子能量称为临界能量临界能量； 低能电子低能电子(S/)c值较大，高能电子值较大，高能电子(S/)r值较大。值较大。( / )( / )rcSEZSn (/)(/)crSS 近似关系：近似关系：（6）、质量角散射本领）、质量角散射本领定义：描述平行入射的带电粒子束偏定义：描述平行入射的带电粒子束偏离其入射方向的离其入射方向的概率分布概率分布。规律：与原子序数平方成规律：与原子序数平方成正比正比，与入，与入射带电粒子动能平方成射带电粒子动能平方成反比反比。（7）、射程）、射程（7 7） 射程射程投影射程投影射程001( ) /Rx dN xdx dxN 射程射程( (Range) )的定义的定义带

12、电粒子带电粒子沿入射方向沿入射方向所行径的所行径的最大距离最大距离，称为入射粒子称为入射粒子在该物质中在该物质中的的射程射程R。入射粒子在物质中行径的入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长实际轨迹的长度度称作称作路程路程( (Path) )。路程路程 射程射程重带电粒子重带电粒子的的质量大质量大，与物质原子相互作，与物质原子相互作用时，其用时，其运动方向几乎不变运动方向几乎不变。因此，。因此，重带重带电粒子电粒子的的射程与其路程相近射程与其路程相近。重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质相互作用的特点重带电粒子与物质相互作用的特点重带电粒子重带电粒子均为均为带正电荷带

13、正电荷的的离子离子；重带电粒子重带电粒子主要主要通过通过电离损失电离损失而损失而损失能量，同时使介质原子能量，同时使介质原子电离或激发电离或激发； 重带电粒子在介质中的重带电粒子在介质中的运动径迹运动径迹近似近似为为直线直线。 Interaction of Heavy Charged ParticlesBragg曲线与能量歧离曲线与能量歧离BraggBragg曲线：曲线：带电粒子的带电粒子的能量损失率沿能量损失率沿其径迹的变化曲线其径迹的变化曲线。能量歧离能量歧离( (Energy Straggling) )： 单能粒子单能粒子穿穿过一定厚度的物质后，将过一定厚度的物质后，将不再是单能的不再是

14、单能的，而，而发生了发生了能量的离散能量的离散。能量歧离能量歧离是由是由能量能量损失是一个随机过损失是一个随机过程程所决定的。所决定的。射程往往通过实验测定射程往往通过实验测定：探测器探测器源源0/ II15 . 0tmReRt平均射程平均射程外推射程外推射程入射粒子能量高入射粒子能量高，其射程长其射程长；反之则短。；反之则短。在在某种物质中某种物质中，确定的，确定的入射重带电粒子入射重带电粒子的的射程射程与与粒子能量粒子能量之间存在着之间存在着确定的关系确定的关系，常以常以曲线的形式曲线的形式给出。给出。0II0/ II15 . 0 xmReR射程歧离：射程歧离：由于由于带电粒子与物质的带电

15、粒子与物质的相互作用是一个随机过相互作用是一个随机过程程，因此单能粒子的射，因此单能粒子的射程也是有程也是有涨落的涨落的，称为，称为射程歧离射程歧离。对对图中曲线图中曲线进行进行微分微分，得到一峰状分布，得到一峰状分布，其宽度其宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离射程歧离。快电子的吸收与射程快电子的吸收与射程电子的运动径迹是电子的运动径迹是曲折的曲折的。电子的电子的射程射程和和路程路程相差很大。相差很大。电子的电子的射程射程比比路程路程小得多。小得多。1) 1) 单能电子单能电子的吸收与的吸收与粒子粒子吸收的差别吸收的差别由于由于单能电子单能电子和和粒子

16、粒子易易受散射，其吸收衰减规律受散射，其吸收衰减规律不同于不同于粒子粒子。但均存在。但均存在最大射程最大射程 Rmax。射程往往通过实验测定射程往往通过实验测定：探测器探测器源源0/ II15 . 0tmReRt0II11ttmaxRmaxR e对对 粒子粒子，当吸收介质的厚度远小于，当吸收介质的厚度远小于 时，时， 粒子的粒子的吸收衰减曲线吸收衰减曲线近似服从近似服从指数规律指数规律：max RteItI 0)( 为吸收体的为吸收体的吸收系数吸收系数t 为为吸收体的吸收体的厚度厚度mmtmeItI 0)( m为吸收体的为吸收体的质量吸收系数质量吸收系数tm 为为吸收体的吸收体的质量厚度质量厚

17、度 ttm / m 射线在射线在铝铝中的中的射程：射程：1.38max0.407RE max0.15MeV0.8MeVE 当当 时，时，max0.5420.133REmax0.8MeV3MeVE 当当 时，时，其它典型物质中其它典型物质中 射线的射程：射线的射程： Ge ：RE max ， (mm, MeV) Al ：R2E max ， (mm, MeV) Air ：R400E max ，(cm, MeV) 对比：对比：4MeV 在空气中的射程约为在空气中的射程约为2.5cm。2) 2) 电子的电子的散射散射与与反散射反散射 电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运电子与靶物质原子核库仑场作用

18、时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为动方向，而不辐射能量的过程称为。由。由于电子质量小，因而于电子质量小，因而散射的角度可以很大散射的角度可以很大，而且，而且会发生会发生多次散射多次散射，最后偏离原来的运动方向，电，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生子沿其入射方向发生大角度偏转大角度偏转，称为，称为。定义定义反散射系数反散射系数：00III 探测器探测器0IICuAlC对对同种材料同种材料，入射电子，入射电子能量越低能量越低，反散射反散射越严重越严重；对对同样能量同样能量的入射电子，的入射电子，原子序数越高原子序数越高的材料，的材料，反散射反散射越严重越严重。对低能电子在高原子

19、序数的厚样。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品物质上的反散射系数可达5050。从实验曲线看出：从实验曲线看出：反散射反散射的的利用利用与与避免避免1) 1) 对对放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高源的产额源的产额。2) 2) 对对探测器探测器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的测量偏差测量偏差。0II给源加一个给源加一个高高Z厚衬底厚衬底。使用使用低低Z材料材料作探测器作探测器的入射窗和探测器。的入射窗和探测器。探测器探测器I 定义：带电粒子在定义：带电粒子在单位路程上所产生的离子对数单位路程上所产生的离子对数称为比电离，称为比电离，以

20、以S表示表示 。 带电粒子入射到靶物质中后，在单位路程上能量损失与粒子的速度，所带电粒子入射到靶物质中后，在单位路程上能量损失与粒子的速度，所带电荷数有关，所以单位路程上产生的电子。离子对数目也与粒子的速度带电荷数有关，所以单位路程上产生的电子。离子对数目也与粒子的速度和所带电荷有关。和所带电荷有关。相对电离密度与剩余路程的函数关系相对电离密度与剩余路程的函数关系（8）、比电离）、比电离 速度相同时速度相同时,电荷多的电荷多的S大。大。 同一种粒子同一种粒子,速度小速度小,S大大,但当但当速度接近为速度接近为0时时,S剧降为剧降为0。与核外电子的作用与核外电子的作用单位距离上单位距离上粒子作用

21、所产生的粒子作用所产生的粒子速粒子速度快，作用时间短，比电度快，作用时间短，比电离小；末端前，速度慢作离小；末端前，速度慢作用时间长，有极大值；此用时间长，有极大值；此后，能量耗尽，比电离快后，能量耗尽，比电离快速衰减到速衰减到0 0。比比电电离离距离距离空气中各点的比空气中各点的比电离变化电离变化定义：表示带电粒子在某一长度径迹上消耗的能量与该径迹长度之比。 与射线的运动速度和电荷量有关。电荷较高而移动较慢的粒子具有较高的LET。（9 9）、）、传能线密度（传能线密度（LET)LET) 意义：主要用于放射治疗时射线的选择。 射线的LET越高，对组织的损伤也就越大，在放疗时可以有目的的选择高L

22、ET的射线。带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用Interaction Characteristics:主要为主要为电离能量损失电离能量损失单位路径上有单位路径上有多次作用多次作用单位路径上会单位路径上会产生产生许多离子对许多离子对和和较大的能量转移较大的能量转移每次碰撞每次碰撞损失能量少损失能量少运动径迹运动径迹近似为近似为直线直线在所有材料中的在所有材料中的射程均很短射程均很短NBvmezdxdEion20424 Interaction Characteristics:电离能量损失电离能量损失和和辐射能量损失辐射能量损失单位路径上单位路径上较少相互作用较少相互作用单位路径上单位

23、路径上产生产生较少的离子对较少的离子对和和较小的能量转移较小的能量转移每次碰撞每次碰撞损失能量大损失能量大路径路径不是直线，散射大不是直线，散射大 700/ZEdxdEdxdEionrad 1、中子的中子的分类分类包括冷中子、热包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。中子、超热中子、共振中子。热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为能量为0.0253eV，中子速度，中子速度2.2103m/s.中子的性质中子的性质mn1.008335u939.535300MeV/c2sn1/2, 费米子费米子0 0，中性粒子，中性粒子 n1.913042 N发生发生 衰

24、变的半衰期衰变的半衰期T1/2=10.30min1. 1. 中子的散射中子的散射 1) 弹性散射弹性散射 (n,n)222222sincos)( mMmMmTTnn 中子与物质的相互作用实质上是中子与物质中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。的靶核的相互作用。出射粒子仍为出射粒子仍为中子中子、剩余核仍为、剩余核仍为靶核靶核。出射中子的动能：出射中子的动能：反冲核的动能：反冲核的动能： 22cos)(4nMTmMmMT 当反冲核为当反冲核为质子质子(氢核氢核)时，时，Mm，上式变为：，上式变为：当当 = 0 时，时，反冲质子反冲质子能量最大，能量最大，Tp = Tn 2cosn

25、pTT 反冲质子反冲质子在在实验室座标系实验室座标系中的中的能量分布能量分布的的概率密概率密度函数度函数为：为：npTTP1)( 即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其反冲反冲质子质子的的能量分布能量分布是一个是一个矩形矩形，最大能量为，最大能量为Tn，最小为，最小为零零。这个关系可用于。这个关系可用于快中子能谱快中子能谱测量。测量。2) 非弹性散射非弹性散射 (n,n ) 入射中子的能量损失不仅使靶核得到入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲反冲，且，且使靶核处于使靶核处于激发态激发态。处于激发态的靶核退激时。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个放

26、出一个或几个特征特征 光子光子，在，在核分析技术核分析技术中有中有重要的应用。重要的应用。2. 2. 中子的俘获中子的俘获1) 中子的中子的辐射俘获辐射俘获 (n, ) 中子射入靶核后与靶核形成一个中子射入靶核后与靶核形成一个复合核复合核，而后，而后复合复合核核通过发射一个或几个通过发射一个或几个特征特征 光子光子跃迁到基态。这些跃迁到基态。这些特征特征 光子光子不同于不同于 (n,n ) 的特征的特征 光子。由于这些光子。由于这些 光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发中子感生瞬发 射线射线”，同样在核分析技术中有重，同样在

27、核分析技术中有重要的应用。要的应用。复合核的形成。复合核的形成。 当发生当发生(n, )反应后，反应后，新形成的核素新形成的核素是是放射性的放射性的，就是，就是常说的常说的“活化活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的注量率区分中子的能量范围。中子流的注量率区分中子的能量范围。2) 发射带电粒子的中子核反应发射带电粒子的中子核反应 如如(n, )，(n,p)等，这些反应在中子探测中等，这些反应在中子探测中应用很多，成为应用很多，成为探测中子的主要手段探测中子的主要手段。 如如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高，等，这些反应的阈能较高，在在

28、810MeV以上，只有特快中子才能发生。以上，只有特快中子才能发生。3) 裂变反应裂变反应 (n,f)4) 多粒子发射多粒子发射中子探测的特点：中子探测的特点：1) 中子为中子为中性粒子中性粒子，不能不能直接引起探测介质的直接引起探测介质的电离、激发。电离、激发。2) 在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生相互作用产生可被探测的次级粒子的物质相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射辐射体体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如 ，p，f

29、 等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。3) 中子与中子与辐射体辐射体有较大的有较大的作用截面作用截面，以获得较，以获得较大的中子探测效率。大的中子探测效率。1. 1. 核反应法核反应法主要的核反应有：主要的核反应有：MeVLiBn792. 2710 MeVHeLin786. 436 MeVHpHen764. 033 228010113841m 2280106936m 228010105327m 反应截面反应截面与与中子能量中子能量的关系：的关系：nTvvv1100 1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减规律，即随中子能量增加，反应截面减小，因此核反应法

30、适用于小，因此核反应法适用于慢中子慢中子的测量，尤其的测量，尤其是热中子的测量。是热中子的测量。反应均为反应均为放热反应放热反应，反应能，反应能Q在生成核与出射粒在生成核与出射粒子之间分配。由于反应能子之间分配。由于反应能Q比较大比较大，又主要用于，又主要用于慢中子探测，即：慢中子探测，即：nTQ 故故出射粒子能量出射粒子能量难以反映难以反映慢中子的能量慢中子的能量，因此，因此，核反应法常用于中子核反应法常用于中子的测量。这时，的测量。这时，Q大大易于甄别去除易于甄别去除 本底信号。本底信号。探测介质中含有上述核素探测介质中含有上述核素的的气体探测器气体探测器、闪烁探闪烁探测器测器，或，或上述

31、材料作为外辐射体上述材料作为外辐射体的的半导体探测器半导体探测器均可用均可用核反应法核反应法进行中子探测。进行中子探测。2. 2. 核反冲法核反冲法中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。 主要发生在主要发生在上，常用上，常用作为作为。反冲质子反冲质子使探测介质电离、激发而产生输使探测介质电离、激发而产生输出信号。出信号。反冲质子能量反冲质子能量：反冲质子数反冲质子数： 2cosnpTT SpN 反冲质子的能谱反冲质子的能谱为为矩形分布矩形分布。此法主要用于。此法主要用于快中子快中子的探测，尤其是快中子的探测，尤其是快中子能量能量的测量。因的测量。因此，探测介质中富含此

32、，探测介质中富含含氢物质含氢物质的探测器，如的探测器，如含含氢正比管氢正比管、有机闪烁体有机闪烁体等适用于核反冲法测量等适用于核反冲法测量快中子能谱。快中子能谱。3. 3. 核裂变法核裂变法中子与中子与发生发生核裂变核裂变产生产生裂变碎片裂变碎片，裂变碎，裂变碎片是片是巨大的带正电荷的粒子巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出，能使探测器输出信号。通过测量碎片数，可求得中子注量率。信号。通过测量碎片数，可求得中子注量率。裂变碎片裂变碎片的的总动能为总动能为150170MeV，形成的形成的脉脉冲幅度冲幅度比比 本底本底脉冲幅度脉冲幅度大得多大得多，可用于可用于强强 辐辐射场射场内中子的测量内中子的

33、测量。热中子可引起的核裂变热中子可引起的核裂变核：核：233U，235U，239Pu。如如235U的热中子截面为的热中子截面为580b。对慢中子满足。对慢中子满足1/v 规律，仅适用于热中子的注量率测量。规律，仅适用于热中子的注量率测量。一些重核只有当中子能量大于某一一些重核只有当中子能量大于某一阈能阈能才能才能发生发生核裂变核裂变，可用此判断中子的能量。，可用此判断中子的能量。4. 4. 活化法活化法选用一些选用一些核素核素具有较高的具有较高的活化截面活化截面，活化，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。后放射性核素也具有较易测量的放射性。如：如： InInn116115vSnIn1161

34、16 测量测量 粒子的发射率粒子的发射率可确定中子的可确定中子的注量率注量率。一。一般，般，热中子热中子的的活化截面活化截面较高，此法适用于较高，此法适用于热中热中子的注量率子的注量率的测量。的测量。3.43.4探测学中探测学中 射线含义射线含义电磁辐射电磁辐射 X特征特征 射线：射线：湮没辐射：湮没辐射：核能级跃迁核能级跃迁正电子湮没产生正电子湮没产生MeVE511. 0 特征特征X射线：射线：原子能级跃迁原子能级跃迁轫致辐射：轫致辐射：带电粒子速度或运动带电粒子速度或运动方向改变产生方向改变产生特点：特点： 光子光子是通过是通过次级效应次级效应( (一种一种“单次性单次性”的的随机事件随机

35、事件) )与物质的原子或原子核外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，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光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生同时产生次电子次电子； 次级效应次级效应主要的方式有主要的方式有三种三种，即，即光电效光电效应应、康普顿效应康普顿效应和和电子对效应。电子对效应。 射线射线与物质发生不同的相互作用都具有一与物质发生不同的相互作用都具有一定的定的概率概率，仍用，仍用截面截面这个物理量来表示作这个物理量来表示作用概率的大小。而且，用概率的大小。而且，总截面总截面等于等于各作用各作用截面之和截面之和，即：，即：pcph

36、 总截面总截面光电效应截面光电效应截面康普顿效应截面康普顿效应截面电子对效应截面电子对效应截面1 1、光电效应、光电效应Photoelectric EffectPhotoelectric Effect 射线射线( (光子光子) )与物质原子中与物质原子中束缚电子束缚电子作用，把作用，把全部能量全部能量转移给某个转移给某个束缚电子束缚电子，使之，使之发射出去发射出去( (称为称为光电子光电子photoelectron) )，而，而光子本身消失光子本身消失的的过程，称为过程，称为光电效应光电效应。 光电效应光电效应是是光子光子与与原子整体原子整体相互作用，而相互作用，而不不是是与与自由电子自由电子

37、发生相互作用。因此，光电效应发生相互作用。因此，光电效应主要发生在原子中结合的主要发生在原子中结合的最紧的最紧的 K层电子上。层电子上。 光电效应发生后光电效应发生后，由于原子，由于原子内层电子出现空内层电子出现空位位，将发生发出，将发生发出特征特征X X射线射线或或俄歇电子俄歇电子的过程。的过程。1) 1) 光电子的能量光电子的能量ireEEhv 由由能量守恒能量守恒：iehvE ieE 因此，因此，光电子能量光电子能量为：为：光电效应光电效应是是光子光子与与原子整体原子整体的相互作用，的相互作用，而而不是不是与与自由电子自由电子的相互作用。否则的相互作用。否则不能不能同时同时满足满足能量能

38、量和和动量守恒动量守恒。2) 2) 光电截面光电截面入射光子入射光子与与物质原子物质原子发生发生光电效应光电效应的的截面截面称之为称之为光电截面光电截面。kph 45 k为为k层光电截面层光电截面理论上可给出的光电效应截面公式。理论上可给出的光电效应截面公式。20cmh 对：对：，即非相对论情况，即非相对论情况 27552042113227 hZZhcmthk，经典电子散射截面，又，经典电子散射截面，又称称ThomsonThomson截面截面。 20cmh 对：对：，即相对论情况，即相对论情况 hZZhcmthk15 . 155204220238 cmeth KeVh100 对：对：与与吸收限

39、吸收限有关，在吸收限有关，在吸收限 ,LK 处出现阶跃而成锯齿状。处出现阶跃而成锯齿状。光电效应截面光电效应截面小结小结：对于对于选择探测器选择探测器的的材料材料的提示：的提示：对对防护、屏蔽防护、屏蔽 射线射线的提示：的提示：(1) (1) 与吸收材料与吸收材料Z的关系的关系5Zph 光子能量越高光子能量越高，光电效应截面越小光电效应截面越小。(2) (2) 与射线能量的关系与射线能量的关系ph hv 采用采用高原子序数的材料，高原子序数的材料，可可提高探测效率提高探测效率。采用采用高高Z Z材料材料可以有效阻挡可以有效阻挡 射线射线。+3) 3) 光电子的角分布光电子的角分布光电子的角分布

40、光电子的角分布代表进入平均角度为代表进入平均角度为 方向的方向的单位立体角内单位立体角内的的光电子数的比例。光电子数的比例。相对相对于于入射入射 光子方向光子方向的角度。的角度。 在在不同出射方向不同出射方向光电子的光电子的产额产额是不同的，这种截是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是面对于空间的微分，也就是微分截面微分截面。)( 光电子角分布的特点光电子角分布的特点：(1) (1) 在在 0 0 和和 180180 方向方向没有光电没有光电子子飞出；飞出；(2) (2) 光电子在光电子在哪一哪一角度出现最大概率角度出现最大概率与与入入射光子能量有关射光子能量有关；当入射光子；当入射光子能量

41、低能量低时，时，光电子趋于光电子趋于垂直方向发射垂直方向发射，当光子，当光子能量较能量较高高时，光电子趋于时，光电子趋于向前发射向前发射。2 2、康普顿效应、康普顿效应 Compton EffectCompton Effect 康普顿效应康普顿效应是是 射线射线( (光子光子) )与与核外电子核外电子的的非弹性碰撞非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量一部分能量转移给转移给电电子子，使它脱离原子成为，使它脱离原子成为反冲电子反冲电子，而光子受到散射，其，而光子受到散射，其运动方向运动方向和和能量能量都都发生变化，发生变化，称为称为散射光子。散射光子。

42、康普顿散射康普顿散射可近似为可近似为光子光子与与自由电子自由电子发生相互作发生相互作用（用（弹性碰撞弹性碰撞）。康普顿效应主要发生在原子中结合）。康普顿效应主要发生在原子中结合的的最松的最松的外外层电子上。层电子上。 1) 1) 反冲电子反冲电子与与散射光子散射光子的的能量能量与与散射散射角角及及入射光子入射光子能量能量之间的关系之间的关系hvE 光子的能量：光子的能量：201 cmmvPe /hchvP 电子的动能：电子的动能：光子的动量：光子的动量：20220201cmcmcmEEe 电子的动量：电子的动量：相对论关系：相对论关系：420222cmcPE cv/ 由由能量守恒能量守恒由由动

43、量守恒动量守恒eEvhhv coscosehvhvPcc sinsinehvPc 可得到：可得到：)cos1()cos1(202 EcmEEe)cos1(120 cmhvhvE2012Ectgtgm c 散射光子能量：散射光子能量：反冲电子能量：反冲电子能量：反冲角：反冲角：小结：小结：(1) (1) 散射角散射角 0 0 时，时，hvvh 表明：表明：入射光子从电子旁边掠过，未受到散入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。射，光子未发生变化。(2) (2) 散射角散射角 180180 时，时，散射光子能量散射光子能量最小最小，而，而反冲电子能量最大反冲电子能量最大。20min21

44、cmhvhvvh hvcmhvEe2120max, (3) (3) 散射角散射角 在在0 0 180180 之间连续变之间连续变化；反冲角化；反冲角 在在9090 0 0 相应变化。相应变化。2) 2) 康普顿散射截面康普顿散射截面入射光子入射光子与与单个电子单个电子发生发生康普顿效应康普顿效应的的截截面面称之为称之为康普顿散射截面康普顿散射截面。200,38rthhvec 近似与光子能量成反比。近似与光子能量成反比。20cmhv 2020cmer 20cmhv 212ln202020,cmhvhvcmrec 近似与入射光子能量无关，为常数。近似与入射光子能量无关，为常数。对对整个原子整个原子

45、的康普顿散射的的康普顿散射的总截面总截面hvhvZZecc2ln, Z 大大，康普顿散射截面，康普顿散射截面大大；入射粒子能量入射粒子能量大大，康普顿散射截面，康普顿散射截面小小。康普顿散射截面与入射光子能量的关系比康普顿散射截面与入射光子能量的关系比光电效应要缓和。光电效应要缓和。其中其中康普顿散射的康普顿散射的微分截面微分截面 ddec)(, 20cmhv 表示表示散射光子散射光子落在某落在某 方向方向单位立体角单位立体角内的内的概率概率。 cos11cos1cos112cos1cos1112222220,rddec2020cmer 可由可由KleinKleinNihsinaNihsina

46、公式给出：公式给出：微分截面有时也用微分截面有时也用 表示表示 ddec)(, ddec)(, 那么，那么， 和和 什么关系？什么关系？ ddec)(, dddsin ddsin2 ddddececsin2)()(, ddec)(sin21, ddddecec)(sin2)(, 3) 3) 反冲电子的反冲电子的角分布角分布和和能量分布能量分布为为反冲电子反冲电子落在落在 方向方向单位立体角内单位立体角内的的概率。概率。( )eedd ,( )( )sinsinc eeedddddd 为为反冲电子反冲电子落在落在 方向方向单位反冲角内单位反冲角内的的概率。概率。( )edd ( )( )2 si

47、neeedddd 为为反冲电子反冲电子落在落在Ee处处单位能量间隔单位能量间隔的概的概率。率。( )eeddE ( )( )eeeeddddEddE 反冲电子反冲电子的的能量分布能量分布，即，即反冲电子的能谱反冲电子的能谱。小结：小结：(1) (1) 任何一种任何一种单能单能 射线射线产生的产生的反冲电子的动反冲电子的动能能都是都是连续分布连续分布的。且存在的。且存在最大反冲电子动能最大反冲电子动能。(2) (2) 在在最大反冲电子动能处最大反冲电子动能处，反冲电子数目，反冲电子数目最多最多，在在能量较小处能量较小处，存在一个，存在一个坪坪。3 3、电子对效应、电子对效应 Pair Produ

48、ctionPair Production 电子对效应电子对效应是当是当入射入射 射线射线( (光子光子) )能量能量较高较高( (1.022MeV1.022MeV) )时，当它从时，当它从原子核旁原子核旁经过时，在经过时，在核核库仑场库仑场的作用下，的作用下，入射光子入射光子转化为转化为一个正电子一个正电子和和一个电子一个电子的过程。的过程。 电子对效应电子对效应除涉及除涉及入射光子入射光子与与电子对电子对以外，必以外，必须有第三者须有第三者原子核的参与，否则不能同时满原子核的参与，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能

49、量必须大于1.022MeV1.022MeV。1) 1) 正负电子的能量正负电子的能量202cmEEhvee 由由能量守恒能量守恒：202cmhvEEee 因此，因此，正负电子的总动能正负电子的总动能为：为：总动能是在总动能是在电子电子和和正电子正电子之间随机分配之间随机分配的，都可以从的，都可以从 取值。取值。)2(020cmhv 由由动量守恒动量守恒，电子和正电子应沿着入射光，电子和正电子应沿着入射光子方向的子方向的前向角度前向角度发射。发射。2) 2) 正负电子的运动方向正负电子的运动方向 而且，而且，入射光子的能量越高入射光子的能量越高，正负电子的正负电子的发射方向越是前倾发射方向越是前

50、倾。3) 3) 电子对效应的截面电子对效应的截面 EZp2 202cmhv 当：当： 时：时：电子对效应截面电子对效应截面随随Z的的增加而增加增加而增加，也也随入射粒子的能量随入射粒子的能量的的增加而增加增加而增加。当：当： 稍大于稍大于 时：时：hv202cm EZpln2 4) 4) 电子对效应的后续过程电子对效应的后续过程正电子的湮没。正电子的湮没。0.511MeV 0.511MeV 的湮没辐射的湮没辐射正电子湮没正电子湮没 衰变衰变电子对效应电子对效应分析分析 能谱时，若发现：能谱时，若发现：4 4、其他作用过程、其他作用过程(1)(1) 相干散射相干散射RayleighRayleigh散射散射，是，是低能光子低能光子与与束缚电子束缚电子间的间的弹性散射。弹性散