核数据处理原理1

核辐射探测原理什么是核辐射和核辐射探测？所谓核辐射是指在各种核跃迁中，从原子核中释放出来中子、质子、α粒子、β粒子、X射线、γ射线等。由于它们本身具有波粒二象性，所以也将它们称为粒子或射线。而核辐射探测主要是用各种类型和规格的核辐射探测器记录粒子数目，测定放射源的活度，确定粒子的质量、电荷、寿命、能量以及动量等。在核辐射探测原理中，最基本的是利用带电粒子在物质中对物质原子产生的电离和激发效应或快速轻带电粒子穿过物质时的电磁效应。X射线和γ射线在物质中没有直接电离和激发效应，因此，不能直接被探测到。只有利用它们在物质中的光电效应、康普顿散射和电子对产生效应等产生的次级电子再引起的电离和激发才能探测到。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康普顿效应电子对效应一、光电效应光子通过物质时和物质原子相互作用，光子被原子吸收后发射轨道电子的现象，称为光电效应，也称光电吸收。光电效应发出来的电子叫做光电子。图书1.5光电效应、特征X射线和俄歇电的发射示意图光电子可以从原子的K、L、M等各壳层中发射出来。在光电效应过程中，因为动量守恒要求，除入射光子和光电外，还必需有第三者参加，即原子核，严格的讲是发射光电子之后余下的整个原子。所以自由电子不能产生光电效应，而且原子的内层电子由于受到原子核的强束缚更容易满足动量守恒而更容易发射光电子。一般的说，如果入射光子的能量超过K层电子结合能，那么，大约80%的光电吸收发生在K层电子上。1、光电子的能量入射光电子的能量（E0=hν)一部分用来克服电子在原子核中的结合能，另一部分转化为光电子的动能。icBhEi=K,L,M….式中Bi为第i壳层的电子的结合能，式中，h为普朗克常量（h=6.582*10-22)；原子发射光电子，从内壳层打出电子，便处于激发状态。退激有两种形式，一种是外层电子向内层跃迁伴随着放射特征X射线，其能量为两个壳层结合能之差（以K层为例，EKX=BK-BL）另一种是原子的激发能直接交给外壳层的其它电子，使外壳层电子从原子中发射出来，即发射俄歇电子，其能量也仅以K层为例：()eKLZKLZEBBB光电子的角分布与入射光子的能量有关。实验上没有观察到00方向的光电子，这也证明了光电效应过程中的能量和动量守恒要求有第三者参加。实验和理论计算还证明在1800没有光电子。在光子能量很低时，光电子在900方向发射的概率最大，随着光子能量的增加，光电子发射方向逐渐趋向前方。2、光电子的角度分布二、康普顿散射康普顿散射是发生在入射光子与物质原子核外的轨道电子之间的非弹性碰撞。入射γ光子被电子散射后，不仅改变其运动方向而且损失能量。散射情况因入射γ光子能量不同而不同。在低能范围内（hνmec2),γ光子与轨道电子作用使得γ光子只改变运动方向而不损失能量，这种散射称为汤姆逊散射。入射γ光子的能量hν接近或超过mec2时的散射称为康普顿散射。康普顿散射发生在束缚得最松的外层电子上的概率大，外层电子的结合能同入射γ光子的能量hν相比，可以忽略，同时外层电子轨道运动速度也远远小于光速，因此，康普顿散射可以认为是γ光子与静止状态的“自由电子”之间的弹性碰撞。利用相对论的能量和动量公式及康普顿散射中能量和动量守恒，可以写出下列方程：cos'sin0cos'cos')1(2chvcmchvcmchvhvcmheee(1.61式)由(1.61式)可知，当hν一定时，θ与ψ之间有一一对应的关系。散射光子的能量hv’、康普顿电子的能量Ece及θ与ψ之间的关系式分别为：2)1()cos1()cos1()('222tgcmhvctghvcmhvhvhvEeece显然散射后光子的波长与入射光子之差为：)cos1(''cmhe系数h/mec2=λc=0.24*10-9cm是所谓的康普顿波长。散射后光子的波长变长。康普顿散射示意图当θ=00时，ψ=900，hv’=hv,Ece=0,相应于光子从电旁边掠过而未受到散射。当θ=1800时，ψ=00，即γ光子与电子对心碰撞，入射光子被反弹回来，反冲电子沿光子入射方向飞出，这种情况称为反散射。反散射光子的能量最小：)/2(1)'(2cmhvhvhve反冲电子的能量达到最大：)2/(12maxhvcmhvEee根据(1.63式)，通过测Eemax就可以确定入射光子γ的能量。(1.63式)三、电子对产生效应当γ光子能量大于1.02Mev时，γ光子经过阻止介质的原子核时，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（简称正电子对），这就是电子对产生效应。入射光子原子核正负电子对EE+E-电子对产生效应必须有第三者——原子核参加，才能满足能量守恒和动量守恒定律。电子对产生效应的能量分配如下：22cmEEhveee显然，对于一定能量的入射光子，电对产生效应的正电子和负电子的动能之和为常量。但是，电子和正电子之的能量分配是任意的，它的动能0~（hν-2mec2)之间都是可能的。由于动量守恒关系，电子和正电子的发射几乎都是沿着光子的入射方向前倾的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越是前倾。电子对产生效应中产生的正电子和电子与物质相互作用同前面介绍的一样，负电子最终被吸收，但正电子在其中绝大部分动能损失而与周围物质达到热平衡时将与物质中的一个电子发生漂灭,放出两个能量均为0.511Mev的γ光子。正电子的湮没正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出光子。或者，它与一个电子结合成正电子素，即电子——正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。正电子的特点是：正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射。正电子湮没时放出的光子称为湮没光子。正电子湮没时一般放出两个光子，放出三个光子的概率仅为放出两个光子概率的0.37％。从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，两个湮没光子的总能量应等于正、负电子的静止质量。即：2221cmcmhhee从动量守恒出发：湮没前正、负电子的总动量为零，则，湮没后两个湮没光子的总动量也应为零。即：chch21因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。MeVcmhhe511.0221而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的。PairAnnihilationPositron511keV511keVE=mc2TwophotonstravelinexactlyoppositedirectionsElectron正电子在材料中发生湮没的概率：cnrPe2n材料中的电子密度，单位1/cm3；电子的经典半径，er22/cmereec光速)(1052.419sAZP,Z,A为材料的密度、原子序数和原子量。正电子寿命=1/P，固体中=10-10s，气体中=10-7s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。三种效应相互竞争，可能同时存在。图1.10按光子能量和原子序数表示的三种相互作用占优势的区域•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。入射光子原子光电子hv入射光子核外电子出射电子E出射光子入射光子原子核正负电子对EE+E-核辐射测量方法γ射线仪器谱的形成机制γ射线的探测器必须有两个特殊的功能。首先，转换介质的作用，入射γ射线在探测器中有适当的相互作用几率产生一个或更多的快电子；第二，它对于这些次级电子来说必须起普通探测器的作用，能够记录这些次级电子在探测器中损失的能量。