微观粒子及其探测原理.ppt

1、1,第一章微观粒子及其探测原理,1-1微观粒子的基本性质1-2带电粒子探测的基本原理1-3射线的探测1-4中子的探测1-5高能粒子与介质作用和簇射,2,1-1微观粒子的基本性质,一、构成世界的基本粒子,3,按粒子参与相互作用的情况来分类强子参与强相互作用的粒子，电荷是电子电量的整数倍。重子自旋为1/2和半整数的强子，由三个夸克组成。是费米子，服从费米狄拉克统计规律。如：质子(uud)、中子、各类超子（含有奇异夸克的重子）。介子自旋为整数的强子，由夸克和反夸克组成，是玻色子，服从玻色爱因斯坦统计规律。如：+()，k，轻子不参与强相互作用的，自旋为1/2的粒子，如：电子，子，子，各类中微子，场粒子

2、自旋为1，传递相互作用的粒子，它们是光子，胶子，W、Z中间玻色子。,二、粒子的分类,4,三、原子核及其性质,原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为核子。原子核的核子数因质子和中子的质量都接近一个原子质量单位，故原子核的质量接近A个原子质量单位。核素：有确定的质子数Z和核子数A的原子核。表示符号：如碳原子核简写为：,质子数,中子数,5,同位素：Z相同，N不同的核素，处于元素周期表中同一个位置，有相同的化学性质。例：原子核性质：1.原子核的大小经验公式,6,2.原子核质量3.核物质密度4.原子核的结合能原子核质量总是小于构成它的核子质量之和。定义两者之差m为质量亏损。质量亏损越大，核子结合得越紧

3、密，原子核越稳定。,7,5.比结合能：每种原子核的结合能除以这种原子核的核子数，得到每一个核子的平均结合能，亦称比结合能平均结合能越大，核子结合的越紧密，原子核越稳定。6.原子核反应用方程式表示：a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q或简写成A（a，b）B实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。Q值0的反应，放热反应；Q值0的反应，吸热反应。,8,7.原子核核子的平均结合能曲线,较轻和较重原子核的平均结合能比中等重量原子核的平均结合能小。两个较轻的原子核结合成较重的原子核，发生聚变反应，释

4、放能量。一个较重的原子核分裂成两个中等能量的原子核，发生裂变反应，释放能量。,9,四、电子,质量最轻的稳定粒子。衰变：原子核内质子和中子互相转换的过程1）衰变：含有过多中子的不稳定原子核例实际上是,反电子中微子,10,2）衰变含有过多质子的不稳定原子核例实际上是被束缚的质子,电子中微子,11,3）轨道电子俘获EC质子过多的不稳定核，其中一个质子也可能俘获原子壳层中的某一个电子变成中子。易俘获k层电子，称作k俘获，并伴随x射线发射或俄歇效应发生。例：丰质子核发生衰变和EC是相互竞争过程，各有一定的几率。如：,12,三个过程都涉及三个物体：粒子、中微子和反冲核由于衰变过程中能动量守恒，能量在三体中

5、分配是任意的。所以粒子的动量由零到最大都有，粒子能谱是连续谱。,粒子能谱是连续谱,13,一些纯电子源,14,内转换电子处于激发态的原子核通过把能量交给核外电子退激发，核外电子把获得能量的一部分用以克服结合能，其余作为电子的动能脱离原子。能量从keV到MeV，为单能。,15,俄歇电子俄歇电子能量比粒子和内转换电子能量低。俄歇效应与x射线发射是互相竞争的两个过程。原子内壳层失去一个电子出现一个空穴时，外壳层电子就可能跃迁来填补空穴，同时发射x射线。若不发射x射线而将能量交给另一个壳层电子，使其克服结合能而发射出去，这个过程就是俄歇效应，打出的电子就是俄歇电子。电子加速器如BES、LEP等，加速后的

6、电子能量可达GeV量级。,16,光电子、x射线、俄歇电子,17,五、重带电粒子,质子H原子核，mp=938MeV=1836me，带1个正电荷。粒子He原子核，由2个质子和2个中子组成，带2个正电荷。衰变A200的原子核可能自发发射粒子例：,18,Bi的衰变及Tl的能级,19,Bi的能谱,20,核裂片重核裂变产生两个裂变碎片。根据动量守恒，每个碎片向相反方向发射，是带多电荷的正离子。如235U吸收一个慢中子裂变产生两个裂片。,21,一个235U原子核吸收一个中子裂变成两个具有大约相等质量的原子核。由平均结合能曲线，新生原子核的平均结合能比235U大。近似认为每个核子的平均结合能增加1MeV，总的

7、结合能增加约200MeV。这是一个C原子燃烧时释放化学能4eV的5000万倍！重离子Z2的离子，核裂片是其中一种，存在于宇宙线中。也可以通过把原子的核外电子直接剥离产生，一般用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。,22,六、射线和x射线,电磁波，静止质量为0，具有波粒二象性。波长比普通光波短很多，波长x波长，粒子性更突出，常称光子。能量动量h普朗克常数，v振动频率，c光速，波长,23,射线产生1.处于激发态的原子核向低能级跃迁时发射射线实验室中使用的大多数辐射源是在放射性母核经、衰变过程中形成的，所以射线常常伴随、射线产生。2.正反粒子湮灭发射射线例如正电子与负电子相遇发生湮灭时，发射两个方

8、向相反的光子，光子能量为0.511MeV。,24,25,生成的12C处于激发态，向低能级跃迁时产生能量为4.44MeV的射线。衰变是原子核本身能态之间跃迁。在衰变中原子核的电荷和质量数保持不变，只是原子核内部的能量状态变低了。,3.伴随核反应产生的射线,26,4.韧致辐射,当快电子与物质相互作用时，因受阻速度改变而辐射电磁辐射的现象，其部分能量转换成韧致辐射形式的电磁辐射。转换成韧致辐射的电子能量的份额随入射电子能量的增加而增加，也随吸收物质的原子序数的增加而增加。韧致辐射谱是连续的。,27,28,特征X射线的产生,处于激发态的原子，内层电子的跃迁使原子恢复到最低能态或基态，同时以发射特征X射

9、线的形式释放能量，该特征X射线的能量等于初态与终态间的能量差。,29,外部辐射激发,入射粒子能量必须大于预期由靶发出的最大X射线能量，X射线谱为连续谱，特征X射线能量是单一的，各向同性发射。,30,用于激发特征X射线的粒子源,31,七、中子,中子性质：电中性，自旋1/2，mn=940MeV，束缚在原子核内的中子是稳定的，自由中子是不稳定的。平均寿命16.9分。中子源反应堆中子源反应堆产生的中子在理想慢化条件下，产生热中子、慢中子、中能中子和快中子。（1）热中子（2）慢中子（3）中能中子（4）快中子,32,典型的裂变反应堆中子通量密度随能量分布,镉对热中子吸收截面很大，截止能量：E0.55eV,

10、33,热中子能量估算其速度2.加速器中子源通过核反应产生中子主要有：(d,n)、(p,n)、(,n)、(,n)最常用的是T(d,n)4He3.同位素中子源放射性同位素放出粒子或光子，与轻核反应产生中子，常用的有：,34,从许多普通放射性核素的直接衰变可以得到具有相当能量的粒子，把发射粒子的同位素与适当的靶物质混和起来，制成小的自给中子源。光致中子源,Q5.17MeV,光子能量10MeV,35,许多超铀重核素具有自发裂变几率，每次裂变时发射几个快中子。最常见的源是252Cf裂变中子源。10g252Cf自发裂变中子产额为：3107中子/秒平均能量为1.5MeV,36,八、放射性衰变的基本规律,指数

11、衰减规律N0：t=0时刻的原子核数目N：t时刻的原子核数目：衰变常数，单位时间每个原子核衰变的几率,37,2.核衰变的时间特性,半衰期T1/2：平均寿命：能级宽度：粒子处在某一状态有一定的时间范围，处在该状态的平均时间称为寿命或称这个能级有一定宽度。,放射性原子核数目衰减到一半所需的时间,放射性原子核数目衰减到1/e所需的时间,38,放射性活度单位时间放射性物质的衰变数单位居里（Ci）：3.71010衰变/s，mCi，Ci贝可勒尔（Bq）：1衰变/s，KBq，MBq1Ci=3.71010Bq,N放射性核数衰变常数A0t=0时刻的放射性活度,3.放射性活度及单位,39,比放射性活度(比活度）放射

12、性样品中某种放射性核素的活度与样品质量（或体积）之比，即单位质量的放射性样品内该核素的活度。其单位是KBq.g-1、MBq.g-1等。浓度对放射性溶液和气体常用放射性浓度来表示其中所含有的某放射性核素的量，其含意是单位体积溶液或气体中所含的该核素的活度。其单位是Bq.L-1、Bq.m-3、KBq.L-1等。,40,如知道某放射源活度和半衰期，可推知其原子核数及其质量。例题：实验用的1Ci的60Co源，求其质量。已知其T1/2=5.27年解：其所含原子核数其质量可见一般放射源质量甚微，却含有大量原子核，足以保证衰变规律的良好统计性。,41,4.射线强度,定义放射源在单位时间内放出某种射线的粒子个

13、数为射线强度。若某放射源每一次衰变只放出一个粒子，则该射线强度就等于该放射源活度。若某放射源每一次衰变放出几个粒子，则该射线强度就不等于该放射源活度。如：60Co一次衰变放出一个粒子，则射线的强度就是放射源活度，同时60Co一次衰变级联放出2个粒子，则射线的强度为放射源活度的2倍。,42,5.辐射剂量,描述辐射场的量。射线通过辐射场内的物体时，与物体发生相互作用，把能量沉积在物体中。吸收剂量：描述辐射场内受照物体吸收能量的剂量单位。定义：1公斤物体质量吸收1焦耳的能量为1Gy。1Gy1J/kg，或1Gy6.241012MeV/kg，老单位是rad，为1g物质吸收100尔格的能量。故1Gy100

14、rad。等效剂量：辐射引起的生物效应及其严重程度不仅取决于能量沉积，还取决于辐射的种类。定义：,WR与辐射类型及能量有关的因子，单位1Sv=1J/kg,43,辐射权重因子,44,1-2带电粒子探测的基本原理,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,45,一、带电粒子与物质的相互作用,1.电离和激发入射带电粒子与物质原子的轨道电子发生库仑相互作用而损失能量，轨道电子获得能量。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

15、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。,46,Particlescanonlybedetectediftheydepositenergyinmatter.Howdotheyloseenergyinmatter?,Interactionofchargeparticles,classical,47,2.带电粒子能量的电

16、离损失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。Bethe-Bloch公式,单位体积吸收物质的电子数目，即吸收物质的电子密度。,阻止系数，对重带电粒子和电子B不同。,电子的静止质量,ze、v是入射粒子的电荷和速度,48,Energytransfer:IdETmax,I:meanexcitationpotentialI

17、I0Z,I0=10eVRelativisticrise:ln2termRelativisticrisecancelledathighby“densityeffect”.ParametrizedbyFermiplateau,Bethe-Blochformula,49,一个有用的常数,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，相应的单位为，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。,50,小结1）公式不包含入射粒子质量，即电离损失与入射粒子质量无关。电荷和速度相同的粒子在同

18、一种物质中电离损失相同。2）电离损失与入射粒子的电荷数z2成正比。3）电离损失与粒子速度有关，在区间，目前尚无令人满意的理论解释，只能依赖唯象拟合公式。4）对于能量很低的粒子，当其运动速度与原子中电子的速度相当时，公式不再适用。当粒子运动速度（为精细结构常数）时，能损正比于5）对，Bethe-Bloch公式均可适用。在非相对论性速度时，与v2成反比。,51,6）随着入射粒子能量的增加，电离损失很快减小，当1，电离损失达到一个很宽范围的极小值区域。这个极小值区域最低点在34附近，且与介质无关。大多数相对论性粒子的能量损失与这个最低点的值很接近。称最小值处的能量损失为最小电离，把能量损失为最小值的

19、粒子称为最小电离粒子(MinimumIonizingParticles或MIP)。7）在4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。,52,能量歧离单能带电粒子束穿过一定厚度的吸收体之后发生能量离散。这种能量分布的宽度是能量歧离的量度，它随沿粒子径迹的距离而变。,53,射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在射线径迹的末端，电离密度最大，这是由于此时电子能量已显著降低，速度减慢,与靶物质原子作用几率加

20、大,单位距离内形成的离子对增多。射线的射程长短取决于电子能量的大小。,射线与物质的作用,54,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，电离损失分布很宽，不对称，在能量大的区域有很长的尾巴朗道分布。因为有能量很高的电子产生。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。,55,3.韧致辐射（Bremsstrahlung）,韧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

21、迹发生偏转，并伴随弱的电磁辐射。韧致辐射能量损耗当Emec2时当E137mec2Z-1/3时,56,辐射长度X0：则初始能量为E0的电子穿过厚度为x(g.cm-2)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。,57,临界能量Ec：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称为该介质的临界能量。对电子EEc，韧致辐射损失为主EEc，电离损失为主韧致辐射的能量损失与入射粒子质量M2成反比重带电粒子质量比电子大很多，

22、通过原子核附近时，偏转较小，加速度较小，所以韧致辐射损失较小。其在介质中的韧致辐射是速度相同的电子的倍。韧致辐射的能量损失与介质的原子系数Z2成正比实际工作中为了减少电子的韧致辐射本底，选用Z小的物质，如塑料、铝等材料做放射源的托片核支架。韧致辐射的发射角朝前方向,58,几种常用介质的辐射长度和临界能量,59,4.切伦科夫辐射Cherenkovradiation,切伦科夫辐射快速带电粒子穿过均匀透明的介质，其速度大于光在该介质中的相速度vc/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）

23、均匀透明的介质（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。,60,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,61,5.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，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。典型的发射角辐射光谱从可见光到X光区。,62,穿越辐射的形成区厚度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:穿越辐射总能量正比于入射粒子能量，

24、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。,63,6.同步辐射（SyncrotronRadiation）,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,64,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,65,射线即

25、氦核组成的粒子流，由2个质子和2个中子组成，故带有2个正电荷，质量数为4，比电子质量大约8000倍。粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故射线由外照射对机体不会产生严重危害。但若放射性核素进入人体内时，由于其电离密度较大，造成的损伤非常严重。此外，放射性治疗中用快中子或负介子照射组织时，在组织中将产生粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。,射线与物质的作用,66,快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能加速器还可将带电重粒子加速，使其具有很强的穿透能力。例如，质子、氦核、负介子等可在人体数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用。关于负介子的研究近年来特别受到放射治疗

26、领域的关注。负介子属于亚原子粒子,其质量为电子的276倍,电荷同电子。由同步回旋加速器将质子加速到极高能量(500-700MeV)轰击石墨或铅靶时产生负介子。当其穿入人体组织被碳、氧、氢等原子核捕获，释放粒子、中子和质子，产生高密度电离作用，杀死癌细胞。,带电重粒子与物质的作用,67,二、射程,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/cm

27、2，吸收物质密度,68,射程歧离：初始能量相同的单个粒子的路径长度的涨落。在薄吸收体中的能量损失,吸收体厚度,69,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,70,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4MeVE11MeV，精度1%;11MeVE15MeV，精度4%实验表明不同物质的近于常数射程表达为动能和质量的函数,71,72,73,三、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

28、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。,74,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。,75,经验公式Es常数能量要减少散射本底，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、v入射粒子动量和速度Z、t、X0介质的原子系数、厚度和辐射长度。,76,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，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

29、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。,77,（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、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

30、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。,78,1-3射线的探测,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。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,79,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,发生作用光子数（s1cm2）,靶物质原子数（cm2）,入射光子数（s

31、1cm2）,80,一、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。,81,光电子的角分布,光电子的角分布与入射X光子能量有关,能量低大角度分散能量高小角度集中（电离方向）,82,X射线谱,X射线谱,X射线吸收限,83,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.,84,二、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。,Comptonw

32、avelength,85,根据能动量守恒,散射光子能量反冲电子能量,86,反冲角和散射角之间关系,87,Compton-Wu效应的散射截面,Comptonwavelength,88,Compton-Wu散射反冲电子能谱,89,(3).散射光子和反冲电子的角分布,90,三、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

33、电子的发射方向越前倾。,91,电子对效应与湮灭辐射,92,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,93,A.相干散射,四、X()线与物质作用的其他过程,射线与物质相互作用而产生干涉(衍射)的散射过程叫相干散射。比如X线对镍晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象.相干散射是唯一不产生电离的过程。,光子与原子核作用发生核反应

34、的过程。比如释放中子、质子、粒子和光子等。,B.光核作用,94,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,95,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，因此射线探测器的物质应选用Z尽可能大的材料。,96,五、X()射线的吸收,当

35、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。,97,射线的吸收吸收系数,98,A、单能线在物质中的衰减规律,(1)窄束线在物质中的衰减规律,光子数表示则满足,光子数减少但频率不变！,（=0.2cm-1),100,(2)宽束线在物质中的衰减规律,积累因子:某物质元中光子计数率与未碰撞物质的光子计数率之比B。,Ns:物质元散射光子计数率Nn:入射光子计数率,B是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量,宽束线的衰减规律,B可以通过泰勒级数展开近似计算求得：,101,1-4中子的探测,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

36、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。不同能量中子的探测原理核探测器不同。中子能量的区分：（1）热中子（2）慢中子（3）中能中子（4）快中子,102,中子不带电，通过物质时，只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用。但慢中子或热中子进入原子核易被俘获，而快中子与原子核主要发生弹性碰撞。在中子与质子(氢核)的一次碰撞中,中子的部分能量传给质子,产生反冲质子,这种带正电重粒子在组织中速度很快下降,引起高密度电离作用。中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生射线。此外,中

37、子与物质的原子核作用还会产生核反应,在反应过程中释放带电重粒子、光子或产生放射性核素。,中子与物质的作用,103,一、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，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En30MeV的中子，反冲核获得的动能,M原子核质量反冲角,104,若以质量数代替质量，则mn=1,M=A由此可见，反冲核越小获得的能量越大。当0，A1时，E反冲En，最大。反冲质子法选用含氢物质做辐射体

38、，此时反冲核就是质子。实际中常用石蜡、水等含氢物质作为中子慢化剂。核反冲法探测中子时应选择轻核物质做靶材料。如氢、甲烷等气体，有机玻璃、有机晶体、塑料等固体。核反冲可以测量快中子能量。当一定时，E反冲正比于En。实际中测量沿入射中子束方向张角为10度的反冲质子，此时探测器接收到的质子数较多，反冲质子的能量粗略地等于入射中子能量。,105,二、核反应法,核反应法主要用于测量慢中子通量。个别情况下也可测量快中子能谱。中子通量：单位时间通过单位面积的中子数。中子与原子核反应作用数目与中子通量成正比。原子核反应用方程式表示：a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q或简写成A（a，b）

39、B实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。Q值0的反应，放热反应；Q值0的反应，吸热反应。,106,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。截面变化的速度反比定律中子能量小于1KeV的很大范围内，反应截面与中子速度成反比。,107,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：,108,三、核裂变法,核裂变法就是通过记录中子与重核作用产生的裂

40、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200MeV，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。,109,常用裂变阈探测器材料特性,110,四、活化法,活化法是中子辐照样品，使之发生核反应，生成具有一

41、定寿命的放射性核素，放射性核素通过发射射线或射线回到稳定核。这种俘获中子，辐射射线或射线的过程称为辐射俘获，亦称活化。例用115In做激活材料，受中子照射后，新生成的核素一般都不稳定，116In就是放射性的，测量经中子辐照后材料的放射性，就可以知道中子强度。活化法有广泛应用，很多、放射性核素就是利用这种方法在反应堆中照射生成的。,111,活化分析方法是通过分析样品俘获中子后产生的放射性来实现对样品成分的非破坏性分析。活化法具体操作过程设活化靶为薄片，单位时间单位面积1cm2靶物质俘获中子数每个原子的有效俘获截面，d靶厚N单位体积1cm3中靶原子数，中子通量中子辐照靶时，一方面靶中放射性核不断增加，另一方面生成的放射性核按一定的半衰期衰变。只要中子辐照时间远大于激活放射性的半衰期，则放射性增长将达到平衡饱和状态。此时饱和放射性等于单位时间内生成的放射性核数，等于中子被俘获数。测量单位面积1cm2靶发射的饱和放射性数As，就可知中子