带电粒子的射程

1、2022/7/12粒子探测1第二章 粒子探测的物理基础2-1 带电粒子和物质的相互作用2-2 光子和物质的相互作用2-3 强子和物质的强相互作用2-4 高能粒子和物质作用与簇射2022/7/12粒子探测22-1 带电粒子和物质的相互作用粒子不能被直接观测，只有通过它们与物质的相互作用才能被探测。粒子探测主要是指 记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、动量、飞行方向等）。根据粒子的带电性质分类带电粒子：、p、e、等电磁辐射：x射线、射线中性粒子：n、0、0、等2022/7/12粒子探测3一、带电粒子电离和激发损失能量 1. 电离和激发入射带电粒子与物质原子的电子发生库仑相互作用而损失能

2、量，物质原子的电子获得能量。当电子获得能量足以克服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，同时放出特征X射线或俄歇电子。当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到基态，这就是退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发射出来。2022/7/12粒子探测4激发过程：退激发原子放出低能荧光光子电离过程：产生电子-离子对。入射粒子动量洛仑兹因子一次散射传递给静止电子的最大动能低能时，2me/

3、m01，若mem0，近似有对其他粒子，任意能量，分母中的平方项均可忽略，对相对论粒子，Ekin E，pc E对轻子， 对电子，2022/7/12粒子探测5电离损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致原子电离或激发，是粒子损失动能的主要方式。电离损失通常把某种物质中粒子通过单位长度所损失的能量称为该粒子在这种物质中的能量损失或称为该物质对这种粒子的阻止本领，用 表示。 大，表明这种粒子在该物质中的电离本领大，即该粒子通过单位长度物质损失的能量较多，即该物质对这种粒子的阻止本领大。2. 带电粒子能量的电离损失2022/7/12粒子探测6Energy transfer: I dE Tmax , I:

4、 mean excitation potential II0Z, I0=10eVRelativistic rise: ln 2 term Relativistic rise cancelled at high by “density effect”. Parametrized by Fermi plateauBethe-Bloch formula2022/7/12粒子探测7Particles can only be detected if they deposit energy in matter.How do they lose energy in matter?Interaction of

5、 charge particlesclassical2022/7/12粒子探测8一个有用的常数在入射粒子能量较低时Bethe-Bloch公式 计算时，能损通常使用的单位是 相应dx单位为g/cm2，代表面质量密度为物质密度（单位：g/cm3），ds为长度（单位：cm）。这样选取单位的好处是能损在很大程度上与物质的具体性质无关。 2022/7/12粒子探测9电离损失的分布 在厚度为x的介质中，入射粒子的平均电离损失为 当介质厚度较厚时，电离损失分布接近高斯分布；当介质很薄时，由于相互作用的次数少，能量损失的统计涨落很大，电离损失分布很不对称，在能量大的区域有很长的尾巴朗道分布。 2022/7/1

6、2粒子探测10 朗道分布与最概然能损之间的偏差实际能损最概然能损j=0.2，=(K/2)z2(Z/A)(x/2)MeV，x单位g/cm2能损分布中对应最大概率处的能损薄层吸收体中能量损失的分布2022/7/12粒子探测11 电子入射带电粒子与介质相互作用能量损失过程中因碰撞而击出能量很高的电子，它可以继续与其他介质原子相互作用产生次级电离。电子产生的概率很小，其能谱表达式 要求 ，定义同前。当T4后，能量损失又开始缓慢上升，称作相对论上升。8）随着能量继续增加，由于原子核外电子电荷密度的屏蔽效应，能量损失趋于饱和，物质中沉积的能量接近一个常数，称作费米坪。9）当粒子能量很高时，轫致辐射能量损失

7、开始起重要作用。2022/7/12粒子探测16二、带电粒子通过介质时的多次库仑散射库仑散射当入射粒子与介质原子的最近距离小于原子半径(10-8cm)时，受介质原子核库仑场作用，运动轨迹发生偏转，这种现象称为库仑散射。Rutherford散射公式 对小角度散射截面很大。带电粒子穿过厚的介质时将发生多次小角度库仑散射。这些小角度散射是彼此独立的，粒子穿过整个介质层最终的偏转角是这些小角度散射的总效果。2022/7/12粒子探测17多次库仑散射的分布可以由Molliere理论描述。理论证明对小角度散射其分布近似为高斯分布，较大角度偏转为Rutherford散射。2022/7/12粒子探测18经验公式

8、 进一步简化， 要减少散射本底，应选用原子系数低的材料做放射源衬托、支架和屏蔽室的内层材料。P入射粒子动量, 单位MeV/c；X0介质的辐射长度, x/X0以辐射长度为单位的介质厚度。2022/7/12粒子探测19三、 轫致辐射（Bremsstrahlung）轫致辐射当入射带电粒子与介质原子的最近距离比原子半径10-8cm小，而又比核半径10-13cm大时，在核库仑场中受到库仑散射，使其运动减速，轨迹发生偏转，并伴随弱的电磁辐射。轫致辐射能量损耗 平均能量损失 电子的轫致辐射能损 Emec2/Z1/32022/7/12粒子探测20辐射长度X0：则初始能量为E0的电子穿过厚度为x(g.cm-2)

9、的介质后的平均能量为:当介质厚度x=X0时，电子在介质中因辐射损失而使能量减低到初始能量的1/e，称X0为介质的辐射长度。当介质为化合物或混合物时，有： Xi第i种成分的辐射长度，wi第i种成分的权重因子，重量百分比。经验公式2022/7/12粒子探测21临界能量Ec：电离能损等于轫致辐射能损所对应的入射粒子能量。Rossi定义：快速带电粒子在介质中通过一个辐射长度后仅由电离而损失的能量。 对固体介质 EEc，轫致辐射损失为主 Ec/n时就会产生切伦科夫辐射。产生机理：介质原子或分子的极化与退极化； 电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。产生条件：（1）快速带电粒子做匀速运动，且（2）均匀透

10、明的介质（3）满足 在与粒子运动方向成角的 方向上电磁辐射相干加强，才能观测到。2022/7/12粒子探测25 切伦科夫辐射的特点（1）切伦科夫辐射角（2）阈速度（3）阈动能（4）最大辐射角（5）有连续的可见光2022/7/12粒子探测26五、 穿越辐射穿越辐射当带电粒子能量很高时穿越两种介电常数不同的介质交界面时发生的辐射。带电粒子穿越两种介质时，所携带电荷与其镜像电荷在不同介质中建立的电磁场是不同的，在穿越界面的瞬间出现的电磁场的改变，导致了X光的辐射。常用材料是苯乙烯和类似的介质。穿越辐射能量与入射粒子的因子成正比。典型的发射角辐射光谱从可见光到X光区。2022/7/12粒子探测27穿越

11、辐射的形成区厚度 EP介质中等离子体能量，E穿越辐射光子能量由于饱和效应，最大形成区厚度:粒子能量，正比于E/m。根据穿越辐射总能量的差别可以鉴别相对论性粒子。由于穿越辐射很弱，用多层介质叠起来使用。2022/7/12粒子探测28六、同步辐射（Syncrotron Radiation）同步辐射电子在磁场中偏转时相当于受到加速而发出的辐射称为同步辐射。辐射能量电子在磁场中偏转的轨道曲率半径为，则一个相对性单能电子每转一圈辐射的能量电子的同步辐射比相同动量的重粒子的严重得多。电子和质子的同步辐射能量损失之比为2022/7/12粒子探测29电子的能量越高，同步辐射越显著。具有连续的能谱。在电子回旋的

12、轨道平面内，辐射能量主要是沿切线方向，平均辐射角同步辐射作为新一代光源，具有以下优点：（1）功率大（2）单色性好（3）流强连续可调2022/7/12粒子探测30七、带电粒子的射程能量关系射程带电粒子在某种物质中运动到最后静止所经过的距离，用R表示。 能量大质量小的粒子在电子密度小的吸收物质中的射程长。平均射程使带电粒子计数下降到正好是没有吸收体时的带电粒子计数一半的吸收体厚度，用R0表示。外推射程吸收曲线的下降直线部分延长与X轴相交对应的射程， 用R外推表示。等效射程Rm=R，单位g/cm2， 吸收物质密度2022/7/12粒子探测31 射程歧离：初始能量相同的单个粒子的路径长度的涨落。 在薄

13、吸收体中的能量损失 吸收体厚度2022/7/12粒子探测32能量相同的同一种重粒子在给定的物质中具有基本相同的固定射程。粒子径迹2022/7/12粒子探测33射程与粒子能量关系（经验公式） 在标准状态空气中 质子 粒子 粒子在其他介质中的射程，近似有 电子（0.5MeVE5MeV)在铝中的射程：2022/7/12粒子探测34高能子的射程能量为1TeV的子在铁中的射程达265m。能量大于10GeV的子在岩石(Z=11,A=22)中的射程2022/7/12粒子探测352022/7/12粒子探测362022/7/12粒子探测37小结带电粒子与物质原子的相互作用主要是与物质原子的核外电子的非弹性碰撞，

14、导致物质原子的电离或激发，是带电粒子通过物质时损失能量的主要方式。利用电离或激发效应来记录入射粒子是绝大多数探测器的物理基础。它们的差别在于记录方式不同，大致分为三类：（1）收集电离电荷的探测器主要收集电离效应产生的大量正负离子，记录它们的电荷所形成的电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当的工作电压，形成电场以有效收集电荷。如气体探测器、半导体探测器。2022/7/12粒子探测38（2）收集荧光的探测器，被带电粒子激发的原子退激时发出荧光。由于荧光很弱，需要通过一定的转换放大，即把光脉冲转换成较大的电脉冲光电倍增管。如闪烁计数器等。（3）利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探测器。如核乳胶、

15、云室、气泡室、火花室等。（4）收集切伦科夫辐射的探测器，切伦科夫探测器。（5）收集记录穿越辐射的探测器，穿越辐射探测器。韧致辐射和同步辐射是附加产物，对高能电子探测器必须考虑它们的影响。2022/7/12粒子探测39射线与物质的相互作用主要有三个过程：光电效应、ComptonWu效应和电子对产生。产生的次级带电粒子被探测器记录，射线被间接探测。射线穿过物质时其强度按指数衰减规律衰减。 I0入射光子束强度，为物质 对光子 的吸收衰减系数，x为物质厚度。 若=/，t=x 质量厚度， 为光子的质量衰减长度 或光子的平均自由程，则 2-2 光子和物质的相互作用2022/7/12粒子探测40发生作用光子

16、数（s1 cm2）靶物质原子数（cm2） 入射光子数（s1 cm2）射线与物质发生三重相互作用都具有一定的几率，用截面表示。定义： 表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生作用的几率，单位靶恩（b） 1b=10-24cm2 吸收衰减系数与光子的各种相互作用过程的截面有关。i为第i种过程的作用截面，A为原子量，NA为阿伏加德罗常数2022/7/12粒子探测41一、光电效应光电效应低能光子被介质原子吸收而放出电子的效应。光电子能量 hv为入射光子能量，Ei为第i壳层电子的结合能原子退激发时发射特征X射线或俄歇电子。入射光子原子光电子hv俄歇电子LK原子核2022/7/12粒子探测42X射线谱 L

17、限K限吸收限吸收限光子能量光电质量衰减系数X射线谱X射线吸收限2022/7/12粒子探测43射线与物质原子发生光电效应的总截面 1）重元素的光电效应比轻元素强得多；2）低能射线比高能射线强得多；3）当射线能量接近电子的结合能时，光电效应截面最大。光子与原子内层电子作用.2022/7/12粒子探测44二、康普顿吴有训效应光子与原子外层电子作用,可看作在自由电子上的散射。Compton wavelength2022/7/12粒子探测45 根据能动量守恒散射光子能量反冲电子能量入射光子核外电子出射电子E出射光子2022/7/12粒子探测46反冲角和散射角之间关系 2022/7/12粒子探测47Com

18、pton-Wu效应的散射截面Compton wavelength 对有Z个电子的原子，其散射截面 2022/7/12粒子探测48Compton-Wu散射反冲电子能谱2022/7/12粒子探测49三、电子对效应电子对效应： 光子从原子核旁经过，当光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射光子能量。对一定能量的入射光子电子对效应产生的正负电子的动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从02mec2都有可能，动能分配是任意的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。入射光子原子核正负电子对EE+E-e+e-2022/

19、7/12粒子探测50 电子对效应与湮灭辐射2022/7/12粒子探测51电子对湮灭 电子对效应产生的正负电子在吸收物质中通过电离损失和韧致辐射损失能量。正电子很快被慢化。正电子与物质的电子相互作用转化为两个光子的现象称作电子对湮灭。发生湮灭时，能动量守恒。正负电子动能为0，所以两个湮灭光子的总能量等于正负电子的静止质量 湮灭前正负电子总动量为0， 湮灭后两个光子总动量也为0 。电子对效应的截面2022/7/12粒子探测52光电效应、康普顿效应是光子与核外电子的作用结果，电子对效应是光子与原子核电磁场的作用结果。三种效应相互竞争，可能同时存在。三种效应的相对重要性 对低能射线和原子序数高的物质光

20、电效应占优势； 对中能射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势； 对高能射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。小结2022/7/12粒子探测53在三种效应中，每个光子都是在一次作用中就损失其全部能量或相当大部分能量，并发射出电子。正是这些电子使得探测射线成为可能。光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量单一，因此探测射线应选用Z尽可能大的材料做探测器。2022/7/12粒子探测54五、X ()射线的吸收 当线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度逐渐减弱。2022/7/12粒子探测55射线的吸收吸收系数2022/7/12粒子探测56高能强子通过介质与原子核发生弹

21、性散射和非弹性散射。能量在GeV以上的质子质子散射总截面趋于常数50mb。1mb=10-27cm2在低能区随能量不同，弹性散射和非弹性散射截面有较大变化。p52 表2.3.1核作用长度I核碰撞长度T2-3 强子与物质的强相互作用一、强相互作用2022/7/12粒子探测57强子截面与能量相关，对不同的强相互作用粒子也不同。计算吸收长度和相互作用程度时，一般假设非弹性散射截面和总截面不随能量变化，也不因粒子种类而改变。Z6的物质的吸收长度和相互作用长度都大于辐射长度X0计算发生强相互作用几率 设N是每个核子的相互作用截面，则单位面质量密度发生一次相互作用的几率为： g-1cm2=NNA 若已知原子

22、截面A，则 g-1cm2=ANA/A2022/7/12粒子探测58中子与物质相互作用主要是中子与原子核的强相互作用，即核反应。探测中子就是探测中子与原子核发生核反应产生的次级粒子。中子不带电，不受库仑斥力影响，容易进入原子核发生核反应。通过探测中子与物质相互作用的次级产物来探测中子。不同能量中子的探测原理和探测器不同。二、中子与物质的强相互作用 2022/7/12粒子探测591、核反冲法核反冲法是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。这减少的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，该核称作反冲核。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子记录。记录了反冲核

23、，就探测到中子。该方法主要用于探测快中子。由能动量守恒，对En0的反应，放热反应； Q值0的反应，吸热反应。2022/7/12粒子探测62目前应用最多的三种核反应： 都是放热反应，反应放出的能量变成次级粒子的动能。0是热中子的反应截面，都很大。不同动能中子在239Pu中的总反应截面2022/7/12粒子探测63实际应用最广的是 反应。因为硼材料比较容易得到，气态可选用BF3气体，固态有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B 含量较高，易浓缩。中子与 10B 反应有两个过程： p56-57 表2.3.2给出一些常用材料的中子反应截面。2022/7/12粒子探测643、核裂变法核裂变法就是通过记录中子与

24、重核作用产生的裂变碎片来探测中子的方法。探测不同能量的中子选用不同的裂变材料 对热中子和慢中子选235U(=528b)，239Pu (=743b) ，233U (=531b)。裂变时放出能量很大，大约是200 MeV，两个裂变碎片共带走170MeV的能量。入射中子能量远小于它，故该法不能测量中子能量，主要测量中子通量。核裂变法特点是放出反应能很大，所以本底对测量没有影响，可以在强本底下测量中子。许多重核只有在入射中子能量大于某个阈值后才能发生裂变。利用一系列不同阈能的裂变元素来判断中子的能量，这种探测器称为阈探测器。2022/7/12粒子探测65常用裂变阈探测器材料特性裂变材料热中子裂变截面（mb)阈能（MeV）3MeV时裂变截面（mb)半衰期（y)232Th231Pa234U236U238U237Np209Bi0.2100.6 Ec时，粒子以辐射损失能量为主 E 1000 GeV)Electromagnetic Shower辐射长度Xo：高能电子由于韧致辐射损失能量，其平均能量减小到原初能量的1/e时所通过介质的平均厚度。近似有2022/7/12粒子探测72电磁簇射能量沉积的平均纵向发展分布可用amma分布描述 簇射极大值位置电磁簇射的横向发展 用莫里埃（M