核辐射物理及探测学讲义第(1)章

第二章 放射性核素
衰变中的粒子数和能量守衡
衰变方式可用下式表示：以衰变为例
粒子数守衡：AZXA-4Z-2Y+42He 能量守衡：MXc2=MYc2+EY+mc2+E
用粒子数守衡和能量守衡定律作为判断一 种衰变是否可以发生的先决条件
第二章 放射性核素
衰变类型
• 衰变 原子序数大于82的原素都不稳定,会自发放出粒子或 自发地裂变，最后成为铅（Z=82） 镭是最典型的衰变。衰变钢图如下：
第三章 带电粒子与物质相互作用
一般特征
• 带电粒子与原子核外电子的弹性碰撞 入射带电粒子与原子核外电子的库仑场相互作用，使入 射粒子损失一部分动能，这不足以产生激发和电离。这 可以看作与原子核整体的相互作用。在E<100ev的电子 考虑此种效应
第三章 带电粒子与物质相互作用
一般特征
• 带电粒子与原子核的弹性碰撞 入射带电粒子与原子核库仑力相互作用，使入射粒子损 失的一部分动能转变为原子核的反冲动能，使原子发生 位移造成物质的辐射损伤
原子处于激发状态, 从而形成有一定寿命
的能级．
第一章 原子物理基本概念
能级
第一章 原子物理基本概念
• 特征X射线： 若原子激发发生在内壳层，如K，L…. 使电子离开原子而发射出去，形成内壳 层空穴，瞬时被外壳层电子填充，导致 辐射发生，产生特征X射线。
第一章 原子物理基本概念
• 束缚能： 壳层电子束缚能（或结合能）由于壳层 电子能级能量随主量子数n和轨道量子数 l的增大而增大，并且是负值，轨道电子 的结合能随n和1的增大而减小。对于同 一能级,束缚能随原子序数增大而增加。
• 重带电粒子：辐射损失可以忽略 S S = ()col • 电子：辐射损失和电离损失的相对重要性 S S ZE （ ）rad / ()col 800MeV Z:靶原子的原子序数 E：入射电子的动能

核辐射物理及探测学辐射的定义（R a d i a t i o n）:以玻或运动粒子的形式向周围空间或物质发射并在其中传播的能量（如声辐射、热辐射、电磁辐射、α辐射、β辐射、中子辐射等）的统称。

通常论及的“辐射”概念是狭义的，它不包括无线电波和射频波等低能电磁辐射，也不包括声辐射和热辐射，而仅是指高能电磁辐射（光辐射）和粒子辐射。

这种狭义的“辐射”又称为“射线”。

按照其来源，辐射（射线）可以分为核辐射、原子辐射、宇宙辐射等，又可分为天然辐射、人工辐射等。

按照其荷电情况和粒子性质，辐射（射线）又可分为：带电粒子辐射，如α、p、D、T、±π、±μ、±e等；中性粒子，如n、ν、︒π等；电磁辐射，如γ射线和X射线等。

课程介绍：核辐射物理及探测学是工程物理系本科生的一门主干专业基础课。

本课程要使学生对于核辐射物理学、辐射探测器的原理、性能和应用以及探测辐射的基本理论与方法具有深入明确的了解，并具有创造性地灵活应用的能力。

经过后续实验课的学习，学生在辐射探测实验技术方面将进一步获得充分的训练。

核辐射物理及探测学是一门内容非常丰富与科学实验关系极其密切的课程。

核辐射物理涉及原子核的基本性质、各种辐射的产生、特征，辐射与物质的相互作用及微观世界的统计概率特性等，是核科学及核工程的基础。

辐射探测学是近百年来核科学工作者在实践中发明、发展的探测器与探测方法的归纳和总结。

通过课程学习应当培养学生掌握如何从实际出发分析问题、解决问题，以及如何综合应用基础理论和所学的各种知识的思维方法和能力，本课程中讲授的核辐射物理、辐射探测器与探测方法方面的知识，将为学生将来从事核能与核科学科研、生产、管理等工作打下良好的基础。

本课程主要由三部分组成：（1）核辐射物理学。

（第一章～第六章）这既是辐射探测的物理基础，又是其他专业课的基础。

22学时（2）辐射探侧器件与装置的原理、性能和应用。

（第七章～第十章）26学时（3）探测辐射的理论和方法。

第一章 习题答案1-1 当电子的速度为18105.2-⨯ms 时，它的动能和总能量各为多少？答：总能量()MeV ....c vc m m c E e 924003521511012222=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-==；动能()MeV c vc m T e 413.011122=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--= 1-2.将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？答：α粒子的静止质量()()()u M m M m e 0026.44940.9314,244,224,20=∆+=≈-= α粒子的质量g u m m 2322010128.28186.1295.010026.41-⨯==-=-=βα1-4 kg 1的水从C 00升高到C 0100，质量增加了多少？ 答：kg 1的水从C 00升高到C 0100需做功为J t cm E 510184.41001184.4⨯=⨯⨯=∆=∆。

()kg c E m 1228521065.4100.310184.4-⨯=⨯⨯=∆=∆1-5 已知：()();054325239;050786238239238u .U M u .U M ==()()u .U M;u .U M045582236043944235236235==试计算U-239,U-236最后一个中子的结合能。

答：最后一个中子的结合能()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 774845126023992238922399222==⋅-+=()()()[]MeV .uc .c ,M m ,M ,B n n 54556007027023692235922369222==⋅-+=也可用书中的质量剩余()A ,Z ∆：()()()()MeV ....,n ,,B n 806457250071830747239922389223992=-+=∆-∆+∆=()()()()MeV ....,n ,,B n 545644242071891640236922359223692=-+=∆-∆+∆=其差别是由于数据的新旧和给出的精度不同而引起的。

核辐射探测第一章 核辐射及其探测原理1.1核辐射基本特性辐射和X 辐射都是电磁辐射。

辐射是核跃迁或粒子湮灭过程中发出的电磁辐射。

X 辐射是核外电子从高能级跃迁过程中产生的电磁辐射。

1.2探测带电粒子的物理性质探测原理：利用带电粒子在物质中对物质原子产生的电离或激发效应或快速轻带电粒子穿过物质时的电磁辐射效应。

带电粒子与物质的作用方式：带电粒子与核外电子的非弹性碰撞——电离与激发；带电粒子与原子核的非弹性碰撞——轫致辐射（带电粒子的速度和运动方向改变产生的电磁辐射）或切连科夫辐射(特定条件下物质产生定向极化而随之发出的电磁辐射)；带电粒子与原子核的弹性碰撞——弹性散射。

带电粒子的能量损失方式：电离损失和辐射损失。

EZ dx dE ion 2)(∝- 辐射长度om x 是电子在物质中由于辐射损失而使其能量减少到原来能量的1/e 时的物质度。

电子的电离损失率和辐射损失率之比：800.1600)()()(22Z E c m z c m E dx dE dx dE ee C ion rad =+≈-- 当电子电离损失率与辐射损失率一样时Z c E 800= 带电粒子与物质作用后不再作为自由粒子而存在的现象叫吸收，其中带电粒子从进入物质到被吸收，沿入射方向所穿过的最大距离叫射程。

对正电子的探测一般是通过探测湮没γ光子间接进行的。

1.3 X 和γ射线的探测原理：利用他们在物质中的光电效应，康普顿散射，电子对产生等产生的次级电子引起物质的电离和激发探测。

光电效应：光子被原子吸收后发射轨道电子的现象。

内层电子（K ）容易些，低能高Z康普顿散射：γ光子与轨道电子相互作用使得γ光子只改变方向而不损失能量。

2c m h e≈ν 外层电子发生概率大。

中能中Z 电子对效应：γ光子与原子核发生电磁相互作用，γ光子消失而产生一个电子和一个正电子（电子对）的现象。

22c m hv e≥且要原子核参加。

高能高Z 1.4中子探测方法两步：1.中子和核的某种相互作用产生带电粒子或γ光子；2.利用这些带电粒子或γ光子的次级带电粒子引起的电离或激发进行探测。

思考题第一章：1、如何用玻粒二象性及相对论关系论述原子核为什么必须由质子－中子组成？2、元素、核素、同位素等的定义有何差别？3、在有关原子核的结合能的概念中，结合能、比结合能、质量亏损、质量过剩之间有什么关系？4、原子核的核力半径与电荷半径其区别在哪里？5、α粒子的核子作用势和中子的核子作用势有什么差别？其库仑势垒的高度各为多少？6、试画出角动量量子数分别为1，2，3时的轨道角动量及其分量的示意图。

7、质子、中子和电子的自旋都为1/2，且已知N-14核的自旋为0，试证明原子核不可能由电子和质子组成，但可以由质子和中子组成。

8、什么是玻色子和费米子，哪一种须遵循泡利不相容原理？光子、中子、质子、电子及α粒子个属于哪一类？第二章：1、放射性衰变服从指数规律，说明衰变常数?的物理意义。

还有哪些参数来描述衰变的快慢，它们的关系是什么？2、多代连续放射性建立暂时平衡和永久平衡的条件是什么？在达到平衡时有什么主要的特点？3、试分析确定远期年代中地质放射性鉴年法的原理。

4、99Mo-99mTc母牛为什么构成暂时平衡系，分析其中tm的物理意义和实用上的重要性。

第三章：1、α衰变与β衰变的衰变能的定义是什么？2、如何由α粒子能量来确定子核的激发态的能级分布？3、如何解释β粒子的连续的能量分布？β衰变的费米理论的核心是什么？试分析在本章3.2例子的β衰变中跃迁的类型。

4、在核激发态的能级跃迁中存在哪两个竞争过程？发生内转换效应的后续过程是什么？内转换系数如何定义？5、如何由电磁辐射的多极性得到γ跃迁的选择定则？。

6、什么是无反冲共振吸收？作为穆斯堡尔核素应满足哪些条件，为什么？第四章：1、核反应过程中服从哪些守恒定则？宇称是否守恒？2、什么是放能核反应和吸能核反应？在吸能核反应中如何求阈能，采用质心系有什么优点？3、什么是Q方程？4、试述核反应截面的定义，并指出截面、微分截面、分截面、总截面及激发曲线之间的关系。

5、核反应的复合核模型的基本要点是什么？如何解释核反应的共振现象和(n,γ)反应的1/v规律？第五章：1、发生自发裂变的条件是什么？裂变能的定义是什么？2、如何来描述重核自发裂变和α衰变的概率的大小？3、由中子引起的诱发裂变中如何区分易裂变核素和非易裂变核素？如何计算阈能核裂变的阈能？4、慢中子的诱发裂变截面（即慢中子与易裂变核的核反应）的1/v规律是什么意义？并指出σ0和v0的物理意义及大小。

辐射探测学复习要点辐射探测学复习要点第⼀章辐射与物质的相互作⽤（含中⼦探测⼀章）1.什么是射线？由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒⼦或光⼦束流。

2.射线与物质作⽤的分类有哪些？重带电粒⼦、快电⼦、电磁辐射（γ射线与X射线）、中⼦与物质的相互作⽤3.电离损失、辐射损失、能量损失率、能量歧离、射程与射程歧离、阻⽌时间、反散射、正电⼦湮没、γ光⼦与物质的三种作⽤电离损失：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。

辐射损失：快电⼦除电离损失外，辐射损失不可忽略；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辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射⽽损失的能量。

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。

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”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（对⼀组粒⼦⽽⾔），⽽发⽣了能量的离散。

电⼦的射程⽐路程⼩得多。

射程：带电粒⼦在物质中不断的损失能量，待能量耗尽就停留在物质中，它沿初始运动⽅向所⾏径的最⼤距离称作射程，R。

实际轨迹叫做路程P。

射程歧离(Range Straggling)：由于带电粒⼦与物质相互作⽤是⼀个随机过程，因⽽与能量歧离⼀样，单能粒⼦的射程也是涨落的，这叫做能量歧离。

能量的损失过程是随机的。

阻⽌时间：将带电粒⼦阻⽌在吸收体内所需要的时间可由射程与平均速度来估算。

与射程成正⽐，与平均速度成反⽐。

反散射：由于电⼦质量⼩，散射的⾓度可以很⼤，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。

正电⼦湮没放出光⼦的过程称为湮没辐射γ光⼦与物质的三种作⽤：光电效应（吸收）、康普顿效应（散射）、电⼦对效应（产⽣）电离损失、辐射损失：P1384.中⼦与物质的相互作⽤，中⼦探测的特点、基本⽅法和基本原理中⼦本⾝不带电，主要是与原⼦核发⽣作⽤，与γ射线⼀样，在物质中也不能直接引起电离，主要靠和原⼦核反应中产⽣的次级电离粒⼦⽽使物质电离。

第一章：核辐射的基本知识第一节放射性现象放射性现象对于我们早已不陌生，岩石里、食物内、空气中，到处都存在放射性。

放射性现象就是不稳定的核素自发地放出粒子或γ射线，或在轨道电子俘获后放出X射线，或产生自发裂变的过程。

我们知道，原子由原子核和其外围绕的电子组成，原子核由质子及中子组成，质子与电子的数目相等，使原子呈中性。

通常用A Z X表示核素，X为元素的化学符号；A为质量数，等于质子和中子质量的总和，Z为原子序数，等于质子的数目。

例如氢有三个核素：氢、氖、氖，分别记作11H，21H，31H，它们是同位素。

同位素是质子数相同，而中子数不相同的核素。

从构成万物的一百多种元素来看，已经发现了2000多种核素，其中280多种核素是稳定的。

在不稳定的核素中有60多种是天然放射性核素，其中主要在Z＞83的元素里，而余下的为人工放射性核素。

天然放射性核素发生核衰变时，会放出α、β、γ射线，人工放射性核素还可以辐射出质子或中子等。

天然放射性核素自发地衰变，一般不受温度、压力的影响，并且按指数规律变化，若某时刻t时的放射性原子核数目为N（t）,则其与初始N0时具有的放射性原子核数目N。

之间有下面的关系：N（t）= N0e-λt（1-1）λ称为衰变常数，和原子核的性质有关，不同的原子核有不同的λ，衰变常数的物理意义是单位时间内一个原子核发生衰变的概率。

它反映的是衰变的速度，λ愈大，则衰变率愈大，衰变速度愈快。

通常用半衰期T1/2来表示衰变的速度或元素的寿命。

半衰期就是放射性元素原有的原子衰变一半所需要的时间。

例如238U的半衰期T1/2= 4．51*109a,从若原有1000万个原子，则经过4．51*109a后将剩下一半，约 500万个，再经过4．51*109a又剩下一半．约为 250万个；而不是经过一个半衰期剩下了一半，再经过一个半衰期的时间另一半就衰变完了。

实际上，历时10个半衰期，原有的原子还剩下于分之一左右。

K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics, P.2,3
4 /193
（3）重要的常量
• 阿伏伽德罗常数——联系了宏观与微观 › NA=6.02214199×1023/mol • 普朗克常量——能量、角动量的量子化，不确定度关系 › h = 6.62606876×10-34J· s = 4.13566727×10-22MeV· s › ħ =1.054571596×10-34J· s = 6.58211889×10-22MeV· s • 真空中的光速——越微观，越高速，必须考虑相对论效应 › c =2.99792458×108m/s • 基本电荷——质子、电子、原子核的电荷量 › e =1.602176462×10-19C • 真空中介电常数 › ε0 =8.854187817×10-12F/m
• 粒子性：particles of light
– 1900：Planck，黑体辐射 – 1905：Einstein，光电效应
– de Broglie 1924年提出实物（静质量非0）粒子也具有波 粒二象性。
de Broglie wavelength:
h p
9 /193
物质波的实验证实
C60分子的 干涉图像
有关核物理的理论与实验工作对20世纪的物理学发展起到了重要的作用。 核物理所涉及技术的应用范围和影响，超过了其它任何学科。
……. No other field of science comes readily to mind in which theory encompasses so broad a spectrum, from the most microscopic to the cosmic, nor is there another field in which direct application of basic research contain the potential for the ultimate limits of good and evil. K. S. Krane, Introductory Nuclear Physics, P.2

核辐射物理及探测学习题集第⼀章习题1-1 当电⼦的速度为2.5×108m ·s -1时, 它的动能和总能量各为多少MeV? 1-2 将α粒⼦的速度加速⾄光速的0.95时, α粒⼦的质量为多少u? 合多少g?1-3 t=25℃, p=1.013×105Pa 时, S+O 2→SO 2的反应热q=296.9kJ ·mol -1, 试计算⽣成1molSO 2时体系的质量亏损。

1-4 1kg 的⽔从0℃升温⾄100℃, 质量增加了多少? 1-5 试计算239U, 236U 最后⼀个中⼦的结合能。

已知：()MeV 307.47238,92=?；()MeV 572.50239,92=?；()MeV 916.40235,92=?；()MeV 442.42236,92=?。

1-6 当质⼦在球形核⾥均匀分布时，原⼦核的库仑能为RZ Z e E c 024)1(53πε-=Z 为核电荷数，R 为核半径，0r 取m 15105.1-?。

试计算C 13和N 13核的库仑能之差。

1-7 已知：()MeV 125.313,6=?；()MeV 346.513,7=?。

计算C 13和N 13核的结合能之差； 1-8 利⽤结合能半经验公式，计算236U, 239U 最后⼀个中⼦的结合能, 并把结果与1-5题的结果进⾏⽐较1-9 计算K 42原⼦核每⼀个核⼦的平均结合能？1-10利⽤结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进⾏⽐较, 说明质量公式的应⽤范围。

u Cu M 929756.63)(64=；u Ag M 905091.106)(107=；u Ce M 905484.139)(140=；u U M 050786.238)(238=；1-10利⽤结合能半经验公式计算64Cu, 107Ag, 140Ce, 238U 核的质量, 并把计算值与下列实验值进⾏⽐较, 说明质量公式的应⽤范围。

核辐射物理与探测学课后习题第一章原子核的基本性质1-1 当电子的速度为18105.2-?ms 时，它的动能和总能量各为多少？1-2 将α粒子的速度加速至光速的0.95时，α粒子的质量为多少？ 1-5 已知()()92,23847.309,92,23950.574MeV MeV ?=?= ()()92,23540.921,92,23642.446MeV MeV ?=?=试计算239U ，236U 最后一个中子的结合能。

1-8 利用结合能半经验公式，计算U U 239236,最后一个中子的结合能，并与1－5式的结果进行比较。

第二章原子核的放射性2.1经多少半衰期以后，放射性核素的活度可以减少至原来的3%,1%,0.5%,0.01%?2.7 人体内含%18的C 和%2.0%的K 。

已知天然条件下C C 1214与的原子数之比为12102.1，C 14的573021=T 年；K 40的天然丰度为%0118.0，其半衰期a T 911026.1?=。

求体重为Kg 75的人体内的总放射性活度。

2-8 已知Sr 90按下式衰变：Zr Y Sr h a 9064,901.28,90??→→?--ββ(稳定) 试计算纯Sr 90放置多常时间，其放射性活度刚好与Y 90的相等。

2-11 31000cm 海水含有g 4.0K 和g 6108.1-?U 。

假定后者与其子体达平衡，试计算31000cm 海水的放射性活度。

第三章原子核的衰变3.1 实验测得Ra 226的α能谱精细结构由()%95785.41MeV T =α和()%5602.42MeV T =α两种α粒子组成，试计算如下内容并作出Ra 226衰变网图（简图）（1）子体Rn 222核的反冲能；（2）Ra 226的衰变能；（3）激发态Rn 222发射的γ光子的能量。

3.2 比较下列核衰变过程的衰变能和库仑位垒高度：Th He U 2304234+→；Rn C U 22212234+→；Po O U 21816234+→。

3.993
Ra-224
5.677
Rn-220
6.282
Po-216
6.774
Pb-212
Bi-212
6.051 0.337
Po-212
8.785 0.663
Tl-208
γ 射线
几率
能量(MeV)
0.197
0.06
0.030
0.241
--
--
--
--
0.470
0.239
0.337 0.293
2.620 0.583
1535 C 7 s1536 B 7 a
7
放射性衰变种类
２. β衰变
衰变； 1535 C 7 s1536 B 7 a
β 8%
↘ 1.17 MeV ↘
↘ ↘
Cs 137
55
30 年
0.51 MeV
↘ 92 %
↓γ 0.661 MeV
↘
↓
基态
137 56
Ba
8
放射性衰变种类
２. β衰变
衰变:原子核内，一个质子转变成一个中子，放出
一个正电子
Z AX Z A 1Y
1247S i 1237A l
9
放射性衰变种类
3. K俘获 K-capture 或称轨道电子俘获 EC
原子核俘获一个轨道电子，核内一个质子变成中子
A Z
X
eZ A1Y
2565Fe e2555Mn
镎系
neptunium series Np- 237
13
14
15
天然放射性元素射线谱
1.铀系
核素 α 射线
γ 射线
(MeV)

化学生物与材料科学学院
彭道锋
+ 怎样区分
Rn-222; Rn-220 ?
化学生物与材料科学学院
彭道锋
2.放射性平衡 与1克铀平衡时镭是多少？
N Ra
U NU Ra
226 N Ra 23 6.023 10 U NU 226 23 6.023 10 Ra Ra 4.91 10 226 23 6.023 10 1.37 1011 3.4 107 克
18 23 6 . 023 10
238
彭道锋
化学生物与材料科学学院
活度
单位时间内的衰变次数，是放射性物质“量”的单位。它表示物 质的放射性强度。 贝可（Bq）:每秒发生一次衰变的放射性物质的活度。 曾用单位：居里。 1Ci = 3.7×1010 Bq 质量(W)与活度(A)的关系： A=λ N N=WNA/M W=NM/NA=AM/λ NA=AMT1/2/0.693 NA N为原子核数，NA阿佛加德罗常数, M为原子量 1 mCi 的短寿 32P 3.510-9g 14.282d 1 mCi 的长寿 238U 3 kg 4.468109 a
Y
55 26
Fe e Mn
55 25
化学生物与材料科学学院
彭道锋
3. K俘获 例：
K-capture
40 19 ↙ ↘
K
↘ β ↘
1.26 * 109 年 1.32 MeV 89 % ↘
e 11 %
↙
↙ ↓γ 1.461 MeV ↓ 基态
基态
40 20
40 18
Ar
Ca
彭道锋
化学生物与材料科学学院
化学生物与材料科学学院 彭道锋

激发——使核外层电子由低 使核外层电子由低 激发 能级跃迁到高能级而使原子 激发状态， 处于激发状态 退激发光。 处于激发状态，退激发光。
当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰 入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰 发生 以使靶物质原子电离 激发的方式而 电离或 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 电离损失。 损失其能量，我们称它为电离损失。
m1 − m2 2m2 v1 = v10 + v20 m1 + m2 m1 + m2 2m1 m2 − m1 v2 = v20 + v10 m1 + m2 m1 + m2
3、弹性碰撞与非弹性碰撞 1 1 1 1 2 2 '2 '2 mv + MV = mv + MV + ∆E 2 2 2 2 ∆ E 为内能项 ∆E = 0 弹性碰撞（即动能守恒） 弹性碰撞（即动能守恒） ∆E ≠ 0 非弹性碰撞（即动能不守恒） 非弹性碰撞（即动能不守恒）
第一类非弹性碰撞， ∆E > 0 为第一类非弹性碰撞，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；
∆E < 0 为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ二类非弹性碰撞，
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。
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， 载能带电粒子在靶物质中的慢化过程， 慢化过程 可分为四种 其中前两种是主要的： 四种， 可分为四种，其中前两种是主要的：
1.2 重带电粒子与物质的相互作用
Interaction of Heavy Charged Particles

第一章辐射与物质的相互作用与物质相互作用:1.带电粒子与靶原子核的核外电子非弹性碰撞(电离,激发)2.带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞(辐射损失)3.带电粒子与靶原子核弹性碰撞(核阻止)4.带电粒子与核外电子弹性碰撞电离损失能量:入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞使靶物质原子电离或激发而损失的能量(电离:核外层电子客服束缚成为自由电子,原子成为正离子激发:使核外电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态)辐射损失能量:入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞以辐射光子损失能量轫致辐射:入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用使带电粒子的速度和方向改变,并伴随发射电磁辐射阻止本领:单位路径上的能量损失S=-dE/dx=S ion+S rad重:S=S ion=(1/4πε0)2(4πz2e4/m0v)2NBBethe公式结论:1.电离能了损失率和入射带电粒子速度有关,质量无关2.和电荷数平方z2正比3.S ion随粒子E/n变化曲线:a段:入射粒子能量E较低时, S ion与z2成正比,曲线上升b段(0.03MeV-3000MeV):相对论项作用不显著, S ion与E成反比,曲线下降c段:能量较高时,相对论修正项起作用, S ion与B成正比,曲线上升4.高Z 和ρ物质阻止本领高布拉格曲线:随穿透距离增大而上升,接近径迹末端,由于拾取电荷而下降。

同样能量的入射带电粒子经过一定距离后,各个粒子损失的能量不会完全相同,是随机性的,发生了能量离散,即能量歧离. 射程歧离:单能离子的射程也是涨落的为何峰值上升?因为部分粒子已经停止运动,相当于通道变窄,剩余粒子能量集中,导致峰值上升.沿x方向,能量降低,离散程度变大,峰值降低.射程R带电粒子沿入射方向所行径的最大距离路程:实际轨迹长度解释各种粒子的轨迹:重带电粒子质量大,其与物质原子的轨道电子相互作用基本不会导致运动方向有偏差,径迹几乎是直线:由于次级电离,曲线会有分叉:质子和α粒子粗细差别:能量提高,径迹变细.电子的径迹不是直线,散射大. 射程R正比于m/z21.v同两种粒子同物质R1/R2=m1/m2*（z2/z1）22.v同一种粒子两物质R a/R b=√A a/√A b *(ρb/ρa)α粒子空气射程R0=0.318Eα1.5R=3.2*10-4√A/ρ*R air比电离:带电粒子在穿透单位距离介质时产生的离子对的平均数δ射线:带电粒子在穿透介质时产生的电子-离子对中的具有足够能量可以进一步电离的电子电子S rad/S ion=EZ/800快电子S rad正比于z2E/m2*NZ2屏蔽电子材料:当要吸收、屏蔽β射线时,不宜选用重材料:当要获得强的X射线时,选用重材料做靶.电子反散射及效应:电子由原入射方向的反方向反射回来,从入射表面射出.对于放射源,反散射可以提高产额:对于探测器,会产生测量偏差. When反散射严重:对于同种材料,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,反散射越严重光电效应:光子把全部能量转移给某个束缚电子,使其发射出去而光子本身消失的过程.是光子和整个原子的作用结果,主要集中在内层电子,还会有俄歇电子或特征X射线.(为何不与自由电子-因为入射光子有部分能量传递给原子,使其发生反冲,否则能量不守恒)采用高Z材料可提高探测效率,有效阻挡γ射线:γ光子能量越高,光电效应截面σph 越小. 入射光子能量低时,光电子趋于垂直方向发射:入射光子能量高时,光电子趋于向前发射.康普顿效应:γ射线和核外电子非弹性碰撞,入射光子一部分能量传递给电子,使之脱离原子成为反冲电子,光子受到散射,运动方向和速度改变,成为散射光子. 散射角θ=180时即入射光子和电子对心碰撞,散射光子沿入射光子反方向射出,反冲电子沿入射方向射出-反散射.能量高的入射光子有强烈的向前散射趋势,低的向前向后散射概率相当.康普顿坪:单能入射光子所产生反冲电子的能量为连续分布,在能量较低处反冲电子数随能量变化小,呈平台状:康普顿边缘:在最大能量处,电子数目最多,呈尖锐的边界.峰值Ee=hν-200keV电子对效应:当入射光子能量较高,从原子核旁边经过时,在库伦场作用下转换成一个正电子和一个负电子.电子对效应出现条件:hν>2m0c2=1.022MeV 电子和正电子沿入射光子方向的前向角度发射,能力越高,角度越前倾. 湮没辐射:正电子湮没放出光子的过程.实验上观测到511kev的湮没辐射为正电子的产生标志单双逃逸峰:发生电子对效应后,正电子湮没放出的两个511keV的γ光子可能会射出探测器,使得γ射线在探测器中沉积的能量减小.低能高Z光电,中能低Z康普顿,高能高Z电子对.线形衰减系数μ=σγN 质量衰减系数μm=μ/ρ质量厚度x m=ρx平均自由程: 表示光子每经过一次相互作用之前,在物质中所穿行的平均厚度λ=1/μ 宽束N=N0Be-μd窄束I(x)=I0e-μx半减弱厚度:射线在物质中强度减弱一半时的厚度D1/2= λ ln2第二章气体探测器信息载流子:气体(电子离子对w=30eV,F=0.2-0.5)闪烁体(第一打拿极收集到的光电子w=300ev,F=1)半导体(电子空穴对w=3ev,F=0.1 )平均电离能:带电粒子在气体中产生一对离子对所平均消耗的能量电子和离子相对运动速度:电子漂移速度为离子1000倍,约106cm/s雪崩:电子在气体中碰撞电离的过程. 条件:足够强的电场和电离产生的自由电子非自持放电:雪崩只发生一次自持放电:通过光子作用和二次电子发射,雪崩持续发展R0C0<<1/n脉冲(电子T-<<R0C0n<<T+、离子R0C0n>>T+)、R0C0>>1/n累计(电流、脉冲束)1.仅当正离子漂移时外回路才有离子电流i+(t)2.正离子从初始位置漂移到负极过程,流过外回路电荷量不是离子自身的电荷量e,而是在正极感应电荷量q1 电子电流i-(t)同理本征电流i(t)=i+(t)+i-(t) q1+q2=e电离室构成:高压极,收集极,保护极和负载电阻工作气体:充满电离室内部的工作介质,应选用电子吸附系数小的气体.圆柱型电子脉冲原理:利用圆柱形电场的特点来减少Q-对入射粒子位置的依赖关系,达到利用”电子脉冲”来测量能量的目的.能量分辨率η=ΔE/E*100%=Δh/h*100%=2.36ΔE能谱半高宽FWHM=ηE=2.36=2.36σ探测效率:入射到脉冲探测器灵敏体积内辐射粒子被记录下的百分比总输出电荷量Q=N*e=E/W*e脉冲电离室饱和特性曲线:饱和区斜率成因:灵敏体积增加,对复合的抑制,对扩散的抑制饱和电压V1-对应90%饱和区的脉冲幅度放电电压V2工作电压V=V1+(V2-V1)/3 坪特性曲线:描绘电离室计数率和工作电压关系成因:甄别阈不同电压小于V1时在符合区,但不是每个粒子都能形成一个电子离子对.仅少数可达到计数阈值h,V0上升至饱和电压后电子离子对N基本不变分辨时间(死时间):能分辨开两个相继入射粒子间的最小时间间隔时滞:入射粒子的入射时刻和输出脉冲产生的时间差累计电离室工作状态要求输出信号的相对均方涨落V I2≈1/nT<<1 V V2≈1/2R0C0n<<1 饱和特性曲线斜率:灵敏体积增大,复合的抑制,漏电流灵敏度η=输出电流或电压值/射粒子流强度(采用多级平行电极系统可提高) why曲线后部分离:部分电子离子对复合,未达到饱和电压,引起输出电流信号偏小正比计数器是一种非自持放电的气体探测器,利用碰撞电荷讲入射粒子直接产生的电离效应进行放大,使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大输出电荷信号主要由正离子漂移贡献r处场强E(r)=V0/rlnb/a V T=ET*alnb/a 只有V0>V T才工作于正比工作区,否则电离室区气体放大倍数A=n(a)/n(r0)A仅于V0V T有关,与入射粒子位置无关气体放大过程(电子雪崩)当电子到打距极丝一定距离r0后,通过碰撞电离过程电子数目不断增加电子与气体分子碰撞过程中碰撞电离,碰撞激发(气体退激发射子外光子,阴极打出次级电子,次级电子碰撞电离) 光子反馈:次级电子在电场加速下发生碰撞电离A t=A/1-γA 光子反馈很快;加入少量多原子分子气体M可以强烈吸收气体分子退激发出的紫外光子变成M*,后来又分解为小分子(超前离解) 气体放大过程中正离子作用:1.停止电子倍增2.再次触发电子倍增(离子反馈)输出信号:1.电流脉冲形状一定,与入射粒子位置无关,电压脉冲为定前沿脉冲2.响应时间快3.R0C0>>T+时,获得最大输出脉冲幅度ANe/C0分辨时间/死时间τD与脉冲宽度正比,τD内产生的脉冲不会被记录造成计数损失,死时间可扩展. m=n/1-nτD m真实n测量时滞:初始电子由产生处漂移到阳极时间时间分辨本领:正比计数器对时间测量的精度正比计数器坪特性曲线斜率:由于负电性气体、末端与管壁效应等,有部分幅度较小的脉冲随工作电压升高而越来越多地被记录下来GM放电过程:1.初始电离和碰撞电离:电子加速发生碰撞电离形成电子潮-雪崩 2.放电传播(光子反馈):Ar*放出紫外光子打到阴极上打出次级电子 3.正离子鞘向阴极漂移,形成离子电流4.离子反馈:正离子在阴极表面电荷中和缺点GM死时间长,仅计数A t=A/1-γA自持放电:阴极新产生电子向阳极漂移引起新的雪崩,从而在外回路形成第二个脉冲,周而复始.-实现自熄:改变工作高压,增加猝熄气体-有机(阻断光子,离子反馈;工作机制:1.电子加速发生碰撞电离形成电子潮-雪崩过程 2.Ar*放出紫外光子被有机气体分子吸收3. 正离子鞘向阴极漂移实现电荷交换4.有机气体离子在阴极电荷中和),卤素(工作机制:1.电离过程靠Ne的亚稳态原子的中介作用形成电子潮2.Ne*退激发出光子在阴极打出电子,或被Br2吸收打出新点子3.正离子鞘Br+向阴极漂移4.Br+在阴极表面与电子中和超前解离)GM管和正比计数器区别:GM输出信号幅度和能量无关,只能计数,死时间非扩展型死时间校正:m=n(mτD+1)GM坪特性曲线坪斜成因:随工作电压增高,正离子鞘电荷量增加,负电性气体电子释放增加,灵敏体积增大,尖端放电增加死时间t d:电子再次在阳极附近雪崩的时间复原时间t e:从死时间到正离子被阴极收集,输出脉冲恢复正常的时间分辨时间t f:从0到第二个脉冲超过甄别阈的时间GM计数管离子对收集数N与工作电压关系图:1.复合区(电压上升,复合减少,曲线上升)2.饱和区(电荷全被收集)3.正比区N=N0M(碰撞电离产生气体放大,总电荷量正比于原电荷量)4.有限正比区N>>N0(M过大,过渡区)5.盖格区(随电压升高形成自持放电,总电离电荷与原电离无关,几条曲线重合)第三章闪烁体探测器优点:1.探测效率高,可测量不带电粒子,对于中子和γ光子可测得能谱2.时间特性好,可实现ns的时间分辨工作过程：射线沉积能量,电离产生荧光,荧光转换为光电子,光电子倍增,信号流经外回路闪烁体探测器组成:闪烁体,光电倍增管,高压电源,低压电源,分压器和前置放大器分类:无机闪烁体(无机盐晶体,玻璃体,纯晶体),有机闪烁体(有机晶体,有机液体闪烁体,塑料闪烁体)气体闪烁体(氩、氙)无机闪烁体发光机制:入射带电粒子可以产生电子空穴对,也可以产生激子(相互转化) 有机闪烁体发光机制:由分子自身激发和跃迁产生激发和发光气体闪烁体发光机制:入射粒子径迹周围部分气体被激发,返回基态时发射出光子产生电子空穴对需要三倍禁带宽度能量光能产额Y ph=n ph/E=4.3*104/MeV 闪烁效率C ph=E ph/E=13%闪烁光子传输和收集通道:反射层,光学耦合剂,光导反射层:把光子反射到窗:镜面反射和漫反射耦合剂(折射系数较大的透明介质,周围介质折射系数n1,闪烁体n0,全反射的临界角θc=sin-1n1/n0):排除空气,减少由全反射造成的闪烁光子损失光导:具有一定形状的光学透明固体材料,连接闪烁体和光电倍增管,有效地把光传输到光电转换器件上:具有较高折射系数,与闪烁体和光电转换器光学接触好. 光电倍增管PMT:把光信号转换为电信号并放大;由入射窗,光阴极,聚焦电极,电子倍增极(打拿极,次级电子产额δ=发射的次级电子数/入射的初级电子数),阳极和密封玻璃外壳组成.光谱效应:光阴极受到光照射后发射光电子的几率为波长的函数量子效率Q k(λ)=发射电子数/入射光子数光阴极的光照灵敏度S k=i k/F S a=i a/F S a=g c*M*S k第一打拿极的电子收集系数g c=第一打拿极收集到的光电子数/光阴极发出的光电子数PMT的电流放大倍数M=阳极收集到的电子数/第一打拿极收集到的电子数飞行时间(渡越时间)te:一个光电子从光阴极到达阳极的平均时间渡越时间离散Δte为te的分布函数的半宽度闪光照射到光阴极时,阳极输出信号可能不同-原因:1.光阴极的灵敏度在不同位置不同2.光阴极不同位置产生的光电子被第一打拿极收集的效率不同解决:1.改进光阴极均匀性 2.改进光电子收集均匀性 3.利用光导把光电子分散在整个光阴极输出信号:闪烁体发出闪烁光子数n ph=Y ph E 第一打拿极收集到光电子数n e=n ph T 阳极收集到电子数n A=n e M 输出电荷量Q=n A e=Y ph TMe电压脉冲型工作状态R0C0>>τ优:脉冲幅度大缺:脉冲前沿后沿慢电流脉冲型工作状态R0C0<<τ优: 脉冲前沿后沿快缺:脉冲幅度小小尺寸闪烁体:仅吸收次级电子的能量,大尺寸闪烁体:吸收全部次级电子、次级电磁辐射能量中尺寸闪烁体:吸收次级电子能量,可能吸收次级电磁辐射能量;康普顿边沿与全能峰之间连续部分-多次康普顿散射造成-康普顿效应产生的散射光子又发生康普顿效应;单逃逸峰-正电子湮没辐射时产生的两个511keV的湮没光子一个逃逸而另一个被吸收,双逃逸峰-两个光子都逃逸;全能峰-对应γ射线能量的单一能峰第四章半导体探测器本征半导体:理想的纯净半导体,价带填满电子,导带无电子禁带宽度硅300K-1.115ev 0K-1.165ev锗300K-0.665ev 0K-0.746ev 电子空穴密度硅n=p=2*1010/cm3锗n=p=2.4*1013/cm3半导体探测器分类:均匀型,PN结型,PIN结型,高纯锗HPG,化合物半导体,雪崩半导体,位置灵敏半导体半导体探测器的优点:1.非常好的位置分辨率 2.很高的能量分辨率3.很宽的线形范围4.非常快的响应时间Si:适合带电粒子测量,射程短Ge:纯度高,可以做成较大的探测器:可用于γ能谱测量掺有施主杂质的半导体中多数载流子是电子,叫做N型半导体:掺有受主杂质的半导体中多数载流子是空穴,叫P型半导体补偿效应:当p>n,N型转换为P型半导体p=n时完全补偿平均电离能特点:1.近似与入射粒子种类和能量无关,根据电子空穴对可推入射粒子能量 2.入射粒子电离产生的电子与空穴数目相等 3.半导体平均电离能约3eV,远小于气体平均电离能30eV 陷落和复合使载流子减少半导体探测器材料特性:长载流子寿命(保证载流子可被收集),高电阻率(漏电流小,结电容小)PN型半导体:适合测量α粒子这类短射程粒子,不适合测量穿透力强的射线势垒高度V0=eN d W2/2ε宽度W=(2εV0/eN d)1/2=(2εV0ρnμn)1/2PIN半导体:温度升高,Li+漂移变快;Li+形成PN结,Li+与受主杂质中和,实现自动补偿形成I区(完全补偿区,耗尽层,灵敏体积),形成PIN结why半导体PN结可作为灵敏区？1.在PN结区可移动的载流子基本被耗尽,只留下电离了的正负电中心,具有高电阻率 2.PN结上加一定负偏压,耗尽区扩展,可达全耗尽,死层极薄,外加电压几乎全部加到PN结上,形成高电场 3.漏电流小,具有高信噪比高纯锗:一面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质形成N区,并形成PN结,另一面蒸金属形成P+作为入射窗,两端引出电极第五章辐射探测中的统计学f(t)=me-mt t=1/m σt2=1/m2第六章核辐射测量方法符合事件:两个或以上在时间上相关的事件真符合:用符合电路选择同时事件反符合:用反符合电路来消除同时事件,当一个测量道没有输入信号时,另一道的信号才能从符合装置输出符合道计数率nc=Aεβεγ偶然符合:在偶然情况下同时达到符合电路的非关联事件引起的符合(偶然计数n rc=2τs n1n2) 电子学分辨时间τe=FWHM/2符合计数n c=n co+n rc 真偶符合比R=n co/n rc=1/2τs A电压工作状态脉冲幅度⎺h=Ne/C0 E=Κ1⎺h+K2=Gx+E0 G0增益E0零截α能量分辨率FWHMs=2.36√FEαW0探测器选择α:金硅面垒半导体探测器、屏栅电离室、带窗正比计数器β:半导体探测器、磁谱仪γ:单晶γ谱仪全能峰E f=Eγ单Es= Eγ-511keV双E d= Eγ-1022keVy(i)=y(I p)exp[-(i-I p)2/2σ2] η=FWHM/I p FWHM=2.36σ峰康比p=全能峰的峰值/康普顿平台的峰值半导体峰总比f p/T=特征峰面积/谱总面积第七章中子探测反应堆周期T:反应堆内中子密度变化e倍所需时间平均每代时间τ:上一代中子的产生到被吸收后又产生新一代中子的平均时间K=堆内一代裂变中子总数/堆内上一代裂变中子总数T=τ/K-1反应堆功率测量系统功能:为反应堆提供工况控制信息(控制方面),为反应堆的安全保护系统提供安全保护信号(安全方面)中子测量方法:核反冲法,核反应法,核裂变法,活化法中子能谱测量方法：核反应法,核反冲法,飞行时间法中子探测器原理:通过中子与核相互作用产生可被探测的次级粒子并记录这些刺激粒子探测过程:1.中子和辐射体发生相互作用产生带电粒子或感生放射性2.在某种探测仪表记录这些带电粒子或放射性中子探测器种类:1.气体探测器(BF3正比计数管,涂硼正比计数管,长计数管,平行板电离室,圆柱形电离室,γ补偿电离室,长中子电离室)2.固体探测器(硫化锌快中子屏,硫化锌慢中子屏,含锂闪烁体,有机闪烁体)堆芯外仪表:核仪表系统(2个源量程测量通道2个中间量程测量通道4个功率量程测量通道),提供信号,提供控制信号,监测功能堆芯内仪表:堆芯裂变电离室,涂硼室,γ温度计.自给能探测器堆芯中子注量率测量系统:驱动装置,组选择器,路选择器,中子探头。