康普顿背散射检测炸药

实验名称：康普顿散射一、实验目的1. 掌握康普顿散射的物理模型；2. 通过实验验证散射光子数与散射角之间的关系；3. 验证康普顿散射的丫光子及反冲电子的能量与散射角的关系；4. 学会康普顿散射效应的测量技术。

二、实验设备1. FJ375Nal(TI) 丫探头一个；2. NIM插件箱供电装置；3. FH〜1034A高压，FH1001A线性放大器各一台；4. 多道分析器一台；5. 包含137Cs源、台面主架、导轨、铅屏蔽块及散射用铝棒的康普顿散射平台一个;5. 标准源一套。

实验装置示意图如下所示：W-------- 微机多道1图1康普顿散射实验装置示意图三、实验原理康普顿(A. H. Compton )的X射线散射实验(康普顿散射)从实验上证实了光子是具有能量E - •和动量p = k的粒子，在研究核辐射粒子与物质的相互作用时发挥了重要的作用，在高能物理方面它至今仍是研究基本粒子结构及其相互作用的一个强有力的工具，并且为独立测定普朗克常数提供了一种方法。

1927年康普顿因发现X射线被带电粒子散射而被授予诺贝尔物理学奖。

1. 基本定义康普顿效应是入射丫光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞过程。

这一作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能方向发生变化，如图2所示。

hv 和hv '为入射和散射光子的能量；B 为散射光子 与入射光子方向间的夹角，称散射角；©为反冲电子的反冲角。

2散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系hv '，动量为hv '/c ;反冲电子的动能为E e ，总能量为E ,动量为P 。

它们之间有 F 列关系式：2l l222^m °C2E e = E - m )c = mc - m 0C = = 一2 一 m °c 屮-B 2量和运动方向发图2康普顿效应示意图 入射光子能量为E = hv ，动量为hv/c碰撞后，散射光子的能量为(1) P=mv=(2)相对论能量和动量关系为:E=.. m ：c 4 -…P 2c 2(3)式中B =v/c ，v 为反冲电子速度，m b 是电子静止质量，m 是电子以速度v 运 动时具有的能量。

康普顿背散射检测理论方法概述作者：颜静儒郭凤美王强郑玉来来源：《商情》2019年第50期【摘要】康普顿背散射检测是通过探测康普顿效应的背向散射信息判断被照射物体内部结构的方法。

该方法对原子序数较轻物质的检测尤其有效。

本文阐述了康普顿背散射检测应用的基础理论，为其更好的应用提供了方法依据。

【关键词】康普顿背散射X射线成像系统作为一种主要安检技术手段可以实现在人员密集场所对行包等物品的不开包快速检查。

X射线成像技术已由传统的单能透射发展为双能透射，CT成像，X射线背散射法。

其中，X射线康普顿背散射（CBS）技术可以有效提供表层较低原子序数而密度较高的被檢物的几何形状和空间分布特征。

康普顿背散射检测主要是依据γ或X射线与物质相互作用的康普顿效应，在被检测物体同侧测量不同位置的康普顿散射光子数，从而得到被测物体内部结构，其主要特点有：辐射源与探测器位于被测物体的同侧，可以检测大型物体（图1）;对低原子序数的物质很灵敏，适宜对海洛因、炸药等物品的检测。

但康普顿散射信号较弱，需要合理设计和优化探测装置，提高探测效率。

l 康普顿散射成像原理光子与物质的相互作用主要包括光电效应、康普顿散射效应和电子对效应，三种效应的优势范围见图2所示。

三种效应随吸收体物质以及光子能量而不同。

在光子能量较低时（小于0.511MeV），光子与物质的相互作用主要表现为光电效应、康普顿效应。

从式（1）、（2）可看出，康普顿效应反应截面是物质原子序数Z的一次方，随原子序数变化较小;而光电效应截面随原子序数增大而急速上升。

根据这一特点，可通过探测康普顿散射光子以突显较低原子序数的物质（爆炸物、毒品等）。

参考文献：[1]Singh S， Singh M. Explosives detection systems （EDS） for aviation security[J]. Signal Processing， 2003， 83（1）： 31-55.[2]刘舒，金华.X射线安全检查技术[J].中国人民公安大学学报（自然科学版）， 2008（04）：78-80.[3]王琪，陈志强，邬小平.X射线安全检查技术综述[J].CT理论与应用研究，2004（01）：32-37.[4]赵崑，李荐民.一种基于双能X射线与前向散射的爆炸物检测方法[J].核技术，2004，27（20）：783-786.[5]吴治华.原子核物理实验方法.北京：原子能出版社，1997.60.。

康普顿背散射检测的蒙特卡罗模拟作者：郭凤美颜静儒王强郑玉来来源：《商情》2019年第50期【摘要】利用蒙特卡羅程序Geant4模拟康普顿背散射包裹检测，计算了X射线入射不同材料的康普顿背散射和透射情况，给出了背散射光子的空间分布以及不同塑料闪烁体厚度对探测效率的影响，为康普顿背散射探测装置的优化设计提供了理论依据。

【关键词】康普顿背散射蒙特卡罗X射线康普顿背散射（CBS）技术可以有效提供表层较低原子序数而密度较高的被检物的几何形状和空间分布特征。

康普顿背散射检测技术的主要特点是对低原子序数的物质很灵敏，适宜对海洛因、炸药等物品的检测。

但康普顿散射信号较弱，需要合理设计和优化探测装置，提高探测效率。

为优化设计探测装置，基于Geant4开展了模拟计算。

1 Geant4软件简介Geant4是由欧洲核子中心主导开发的一套用于Monte Carlo模拟的开发程序包。

并且，来自于美国，俄罗斯，日本，加拿大等国家的10多个实验室的100多名科学家都参与了Geant4程序的研制工作。

它包括了实验装置构造、粒子在材料和磁场中的输运以及粒子与物质相互作用的物理过程模型等一整套工具包。

由于它的粒子种类多，物理模型全，能量范围大的特点，使得它的应用领域越来越广泛，包括高能物理，核试验，加速器，医学，生物科学，辐射防护等多个领域。

并且，它是一个免费的软件包，可以免费下载得到Geant4程序包的源代码和技术文档。

2 蒙特卡罗模拟2.1 不同材料（塑料和铁）和不同尺寸的被检测物体的透射和背散射模拟设定入射X射线的能量为140keV点源，垂直入射边长为2、5、10和20cm的正方体样品（塑料和铁）。

测量它们的X射线背散射和透射情况。

模拟装置如图1所示。

在模拟过程中，在被检测物体两侧，采用两个探测平面接收康普顿背散射光子和透射光子。

模拟光子数为10万。

表1列出了不同尺寸被照射物质（边长为2、5、10和20cm）背散射光子数和透射光子数。

康普顿背散射原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊康普顿背散射原理。

这玩意儿啊，就像是一场奇妙的物理舞会！你看啊，光就像一个活泼的小精灵，在物质的舞台上跳跃。

当它撞上那些原子、分子这些“小舞者”的时候，就会发生一些神奇的事情。

康普顿背散射原理说的就是光和物质相互作用的这么一个过程。

咱可以把光想象成一个调皮的小孩子，一路奔跑着。

而那些原子啊分子啊，就是一个个小堡垒。

光这个小孩子撞到小堡垒上，不仅自己的方向会改变，还会把一部分能量传递给小堡垒呢！这就像是小孩子在玩耍时撞到了墙上，自己弹开了，还让墙也晃动了一下。

这可太有意思啦！在我们的生活中，康普顿背散射原理其实也有着不少应用呢。

比如说，在医学上，医生们可以利用它来检测我们身体里的情况。

这就好像是有一双神奇的眼睛，能透过我们的身体看到里面的秘密。

再想想，如果没有这个原理，我们对世界的认识岂不是少了很多精彩？那可不行啊！康普顿背散射原理就像是一把打开未知世界大门的钥匙，让我们能看到更多奇妙的景象。

它是不是很神奇呢？就像一个隐藏在物理世界里的宝藏，等待着我们去发掘。

我们的科学家们一直在努力探索，利用这个原理来创造更多的价值。

它也让我想到，生活中很多看似普通的事情，背后其实都有着深刻的道理和规律。

就像康普顿背散射原理一样，一开始可能觉得很复杂，但只要我们用心去理解，就能发现其中的美妙之处。

所以啊，朋友们，不要小瞧任何一个小小的现象，说不定它背后就隐藏着一个能改变世界的大秘密呢！康普顿背散射原理不就是这样一个例子吗？它虽然是物理学中的一个概念，但却有着无比重要的意义和价值。

让我们一起继续探索这个神奇的物理世界吧，说不定下一个伟大的发现就在等着你我呢！。

康普顿散射【实验目的】1、通过实验来验证康普顿散射的γ光子能量及微分散射截面与散射角的关系。

2、学会康普顿散射效应的测量技术,学习测量微分散射截面的实验技术。

【实验原理】1．康普顿散射康普顿效应是射线与物质相互作用的三种效应之一.康普顿效应是入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的现象。

碰撞时,入射光子把部分能量转移给电子,使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。

当入射光子与电子发生康普顿效应时，如图3.9—1所示,其中hν是入射γ光子的能量，hν′是散射γ光子的能量，θ是散射角，e 是反冲电子,Φ是反冲角。

由于发生康普顿散射的γ光子的能量比电子的束缚能要大得多，所以入射的γ光子与原子中的电子作用时，可以把电子的束缚能忽略，看成是自由电子，并视散射发生以前电子是静止的，动能为0,只有静止能量m 0c 2。

散射后,电子获得速度v ，此时电子的能量2220/1E mc m c β==-，动量为20/1mv m v β=-，其中/v c β=，c 为光速。

用相对论的能量和动量守恒定律就可以得到22200/1m c h m c h νβν'+=-+ 20/cos /1cos /h c m v h c νβνθ'=Φ-+式中，hν／c 是入射γ光子的动量，hν′/c 是散射γ光子的动量。

20sin /sin /1h c m v νθβ'=Φ-由式(3.9－1）、（3.9－2）、（3。

9－3)可得出散射γ光子的能量201(1cos )h h h m c νννθ'=+-此式就表示散射γ光子能量与入射γ光子能量、散射角的关系。

2．康普顿散射的微分截面康普顿散射的微分截面的意义是:一个能量为hv 的入射γ光子与原子中的一个核外电子作用后被散射到θ方向单位立体角里的几率(记作()d d σθΩ，单位:cm 2／单位立体角）为220()()(sin )2r d h h h d h h h σθνννθννν''=+-'Ω 式中r 0=2.818×10—13cm,是电子的经典半径,式(3。

实验名称：康普顿散射一、实验目的1.掌握康普顿散射的物理模型；2.通过实验验证散射光子数与散射角之间的关系；3.验证康普顿散射的γ光子及反冲电子的能量与散射角的关系；4.学会康普顿散射效应的测量技术。

二、实验设备1. FJ375NaI(Tl)γ探头一个；2. NIM插件箱供电装置；3. FH～1034A高压，FH1001A线性放大器各一台；4. 多道分析器一台；5. 包含137Cs源、台面主架、导轨、铅屏蔽块及散射用铝棒的康普顿散射平台一个；5. 标准源一套。

实验装置示意图如下所示:图1 康普顿散射实验装置示意图三、实验原理康普顿（A. H. Compton）的X 射线散射实验（康普顿散射）从实验上证实了光子是具有能量Eω= 的粒子，在研究核辐射粒子与物质的相= 和动量p k互作用时发挥了重要的作用，在高能物理方面它至今仍是研究基本粒子结构及其相互作用的一个强有力的工具，并且为独立测定普朗克常数提供了一种方法。

1927 年康普顿因发现X射线被带电粒子散射而被授予诺贝尔物理学奖。

1.基本定义康普顿效应是入射γ光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞过程。

这一作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发 图2康普顿效应示意图方向发生变化，如图2所示。

hv 和hv '为入射和散射光子的能量；θ为散射光子与入射光子方向间的夹角，称散射角；φ为反冲电子的反冲角。

2散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系入射光子能量为E γ＝hv ，动量为hv/c 。

碰撞后，散射光子的能量为E 'γ＝hv '，动量为hv '/c ；反冲电子的动能为E e ，总能量为E ，动量为P 。

它们之间有下列关系式：E e ＝E －m 0c 2＝mc 2－m 0c 2＝202201c m c m --β （1）P=mv ＝201β-v m （2）相对论能量和动量关系为：E=22420c P c m ++ （3）式中β=v/c ，v 为反冲电子速度，m 0是电子静止质量，m 是电子以速度v 运动时具有的能量。

康普顿散射实验报告一. 实验目得1、学会康普顿散射效应得测董技术；2、验证康普顿散射得丫光子能量及微分截面与散射角得关系。

二. 实验原理1 •康普顿散射康普顿效应就是射线与物质相互作用得三种效应之一。

康普顿效应就是入射光子与物质原子中得核外电子产生非弹性碰撞而被散射得现象。

碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子得能量与运动方向发生变化。

当入射光子与电子发生康普顿效应时，如图1所示，其中〃y就是入射丫光子得能量9hv f就是散射y光子得能量，&就是散射角就是反冲电子，0就是反冲角。

由于发生康普顿散射得/光子得能量比电子得束缚能要大得多，所以入射得y光子与原子中得电子作用时，可以把电子得束缚能忽略，瞧成就是自由电子，并视散射发生以前电子就是静止得，动能为0,只有静止能量nhc2o散射后，电子获得速度匕此时电子得能量E = nic1 = n\}c2 / J1-0’,动量为〃沖=n\}v! J1_0，，其中J3 = v/c, c 为光速。

用相对论得能量与动董守恒定律就可以得到n\}c2 + hv = / Jl-0，+ hv f(1)hv/c = 7??0vcos ① / Jl-0，+ hv' cos 6/c(2) 式中"y /c就是入射Y光子得动量,hv f /c就是散射Y光子得动董。

hv9 sin0/c = w o vsin ① / Jl-0‘(3) 由式(1)、(2)、(3)可得出散射y光子得能量心 _______ ⑷1 +丄Z(l —COS&)叫L此式就表示散射/光子能量与入射y光子能量、散射角得关系。

2 •康普顿散射得微分截面康普顿散射得微分裁面得意狡就是：一个能量为力1/得入射y光子与原子中得一个核外电子作用后被散射到0方向单位立体角里得几率(记作也色，单位:cm2/单位立体角)为da（O）/• Itv'yJiv ltv f・ o 心----- =丄（——）'（―-+ ——一siir 0）----- （5） dO 2 hv Itv9 hv 式中门二2、818X10 13cm,就是电子得经典半径，式（5）通常称为“克来茵一仁科”公式，此式所描述得就就是微分截面与入射y光子能量及散射角得关系。

康普顿散射【实验目的】1、通过实验来验证康普顿散射的γ光子能量及微分散射截面与散射角的关系。

2、学会康普顿散射效应的测量技术，学习测量微分散射截面的实验技术。

【实验原理】1．康普顿散射康普顿效应是射线与物质相互作用的三种效应之一。

康普顿效应是入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的现象。

碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。

当入射光子与电子发生康普顿效应时，如图3.9-1所示，其中hν是入射γ光子的能量，hν′是散射γ光子的能量，θ是散射角，e 是反冲电子，Φ是反冲角。

由于发生康普顿散射的γ光子的能量比电子的束缚能要大得多，所以入射的γ光子与原子中的电子作用时，可以把电子的束缚能忽略，看成是自由电子，并视散射发生以前电子是静止的，动能为0，只有静止能量m 0c 2。

散射后，电子获得速度v ，此时电子的能量2220/1E mc m c β==-，动量为20/1mv m v β=-，其中/v c β=，c 为光速。

用相对论的能量和动量守恒定律就可以得到22200/1m c h m c h νβν'+=-+ 20/cos /1cos /h c m v h c νβνθ'=Φ-+式中，hν／c 是入射γ光子的动量，hν′/c 是散射γ光子的动量。

20sin /sin /1h c m v νθβ'=Φ-由式（3.9－1）、（3.9－2）、（3.9－3）可得出散射γ光子的能量201(1cos )h h h m c νννθ'=+-此式就表示散射γ光子能量与入射γ光子能量、散射角的关系。

2．康普顿散射的微分截面康普顿散射的微分截面的意义是：一个能量为hv 的入射γ光子与原子中的一个核外电子作用后被散射到θ方向单位立体角里的几率（记作()d d σθΩ，单位：cm 2／单位立体角）为 220()()(sin )2r d h h h d h h h σθνννθννν''=+-'Ω式中r 0=2.818×10-13cm ，是电子的经典半径，式(3.9－5)通 常称为“克来茵一仁科”公式，此式所描述的就是微分截面与入射γ光子能量及散射角的关系。

康普顿效应：测量被散射光子能量随散射角的变化实验目的：1. 记录被散体散射的不同散射角下的X 射线能谱2. 测定被散射光子能量随散射角的变化3. 比较实验测量值和从能量和动量守恒关系中得出的计算值实验原理：当X 射线经过物质时，部分会被散射。

按照经典物理的观念，在散射过程中，辐射光子频率不会改变。

然而，1923年，美国物理学家A. H. Compton 发现一些X 射线的频率减小了。

为了解释这个现象，需要根据量子物理的观念来处理整个散射过程，同时X 射线将被视为实体粒子。

此外，考虑到X 射线能量范围对应的是外层原子电子壳层，可以近似认为散射电子可自由移动。

散射时，光子频率为ν1，能量E 1=h ν1，与静止的质量为m 0的自由电子相撞，光子以θ角度被散射出去，电子以速度v 沿与入射光子ϕ角的方向出射，如图1所示。

在这碰撞过程中，两经典粒子间被视为弹性碰撞，借此来推导能量和动量信息。

图1 康普顿散射示意图因为光子没有静止质量，根据相对论，能量守恒公式为：22102h m c h νν⋅+⋅=⋅+(1)其中c 为真空中光速，动量分量守恒使得：12cos cos h h v c cννθϕ⋅⋅=⋅+⋅且20sin sin h v cνθϕ⋅=⋅+⋅ (2)从公式(1)和(2)中可推出散射辐射光子能量：121201(1cos )E E E m c θ=+⋅−⋅ (3)在本实验中，我们将用有机玻璃散体重复康普顿的研究，用X 射线能量探测器来记录该图谱，并将结果与公式(3)比较。

实验仪器及实验平台搭建：（注意：以下操作均戴手套进行！！！）1）实验仪器：X 光机（带Mo 阳极X 光管和测角仪）、X 射线能量探测器、康普顿效应附件、CASSY 传感器、多道分析仪、CASSY 实验软件、BNC 电缆（1m ）及PC 机 2）实验平台的搭建：图2给出了实验平台搭建示意图图2 测量初始(上图)和被散射后(下图)X 射线光子束能量与散射角关系的实验平台示意图。

人体扫描安检作者：暂无来源：《检察风云》 2012年第23期文／阿碧我们在机场需要先通过安检才能登机，此时总是有位安检人员手持一个长柄状的探测棒，贴着我们的身体上下左右扫描一遍。

许多人并不适应这样的贴身安检，甚至有人感觉自己的身体受到了侵犯。

对航空公司来说，这样的安检也并不完全可靠。

2009年，有恐怖分子把炸药藏在裤衩内躲过了安检，差一点酿成了空难惨祸。

为了让乘客更容易接受身体安检，各国机场开始采用人体扫描仪，可以在不接触身体的情况下对乘客进行全身扫描，乘客能够更容易接受这种非接触式的扫描方式。

更重要的是，这种扫描方式不留扫描死角，确保人体任何部位都能被扫描到，把危险品藏在裤衩里躲过安检的方式酏行不通了。

●1人体扫描仪随着国家安全与反恐形势的恶化，对人员的安检日益成为安检工作的薄弱环节。

长期以来广泛使用的金属安检门根本无法应对爆炸物、非金属刀具、液体危险品等各类非金属危险品和武器的威胁，使得一段时期以来人员安检方面安全漏洞严重，迫使西方民航机场这个对安检要求很高的场所采取强制进行人工搜身检查。

这样不仅严重侵犯了人们的隐私，有辱人格，而且也降低了安检速度，并且由于难以可靠检查隐私部位；从而依然存有安全漏洞。

2009年底发生的美国民航未遂炸机事件中，恐怖分子正是企图利用藏在裤衩里的爆炸物制造炸机恐怖袭击，所幸由于恐怖分子制造爆炸装置时的技术失误导致炸弹未能正常引爆。

为应对越来越严峻的恐怖袭击威胁，西方国家从此加速推广已经在机场试用多年的人体成像安检设备，其中以人体扫描仪为主。

这类扫描仪可以探测到人们随身携带的除纺织品之外的所有物品，探测速度很决且不留死角，比传统的贴身搜检更加有效。

目前，比较成熟的人体扫描技术主要有两种，一种是背散射扫描，一种是毫米波扫描。

还有—种太赫兹扫描技术在研发和测试中，性能还不太稳定。

背散射扫描背散射扫描是一种×射线扫描技术，它能够透过被遮挡的物体来发现隐藏的物品，例如透过人体的衣服产生高分辨率的人体图像。