核辐射探测-第一章

第一章射线与物质的相互作用RadiationInteractionswithMatter1.1关键词带电粒子与物质的作用方式电离激发轫致辐射能量损失率阻止本领1.1概述1、什么是射线？射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。2、射线与物质相互作用的分类ChargedParticulateRadiationsUnchargedRadiationsHeavychargedparticlesNeutronsFastelectronsX-raysandraysfTdp,,,,e带电粒子与物质相互作用的分类（1）强相互作用（核反应）（涉及到核力作用范畴，要求入射带电粒子能量高）（2）电磁相互作用带电粒子与物质的相互作用（电磁相互作用）带电粒子物质库仑力碰撞弹性非弹性碰撞原子核核外电子EletrostaticInteraction（3）弱相互作用本书所涉及领域内，主要考虑带电粒子与物质通过库仑力发生的相互作用。两个小球的质量分别为m1和m2，沿一直线分别以速度v10和v20运动，两球发生弹性对心碰撞，设碰撞后的速度分别为v1和v2，由于是弹性碰撞，故总动量和总动能保持不变，即1102201122mvmvmvmv2222110220112211112222mvmvmvmv12211020121221122010121222mmmvvvmmmmmmmvvvmmmm讨论若，则动量定理，弹性碰撞m1v10m2v20v1v2020v21mm1022vv22)2(212101220122222vmvmvmE101vv3、弹性碰撞与非弹性碰撞EMVmvMVmv''222221212121E为内能项0E弹性碰撞（即动能守恒）0E非弹性碰撞（即动能不守恒）0E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；0E为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与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，可分为四种，其中前两种是主要的：(a)带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程－－电离损失。(b)带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程－－辐射损失。(c)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞(d)带电粒子与核外电子弹性碰撞(1)电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。激发——使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，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。(2)、辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射—轫致辐射Bremsstrahlung。当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。α粒子质量较大，与原子核碰撞后，运动状态改变不大。尤其β粒子质量较小，与原子核碰撞后运动状态改变显著，因此β粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。医疗诊断设备如CT、CR等使用的x射线(3)、带电粒子与靶原子核的弹性碰撞带电粒子与靶原子核的库仑场作用而发生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。(4)、带电粒子与核外电子的弹性碰撞受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还小，电子的能量状态没有变化。实际上，这是入射粒子与整个靶原子的相互作用。这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的β粒子方需考虑,其它情况下完全可以忽略掉。1.2重带电粒子与物质的相互作用1、重带电粒子与物质相互作用的特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量，同时使介质原子电离或激发；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。InteractionofHeavyChargedParticles2、重带电粒子在物质中的能量损失规律1)能量损失率(SpecificEnergyLoss)指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或物质的阻止本领(StoppingPower)。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”。dxdESradionSSSradiondxdEdxdE碰撞过程是随机的，所以-dE/dx是平均能量损失率。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。ioniondxdESS2)Bethe公式(Betheformula)Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系的经典公式。dxvzeM,,ZN1、经典Bethe公式的推导模型2、结果：求电离能量损失率单位路径上引起的能量损失，也就是要求单位路径上物质获得的能量，也就是单位路径上核外电子所获得的能量。dxdESionBethe公式的推导1)物质原子的电子可看成是自由的。(入射粒子的动能远大于电子的结合能)2)物质原子的电子可看成是静止的。(入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度)3)碰撞后入射粒子仍按原方向运动。(碰撞中入射粒子传给电子的能量比其自身能量小得多,入射粒子方向几乎不变)公式推导的简化条件：zeM,fxfyfrvbx重带电粒子与单个电子的碰撞情况：电子受到的库仑力：222)(rzerezefem,0该作用过程的时间为：~在时间内，带电粒子传给电子的动量为：tPtfP整个作用过程中，传给电子的总动量为：dtfP0zeM,em,0fxfyfrvbx在x方向，电子获得的动量为：因此，有：dtfPPyydtfPxx032sinrbzerbfffydtrbzePPy32dtdxvvdxdt3232rdxvbzevdxrbzePPy02/3222)(bxdxvbzeP由于：2/122)(bxr所以：dxbx322)(122233coscosdttbbtdttbdx2costbbxcos/22tbxtg令：则：22cos12tdtb22bzeM,em,0fxfyfrvbx碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：bvzeP22dxbdbzeM,ZNvbvzeP22碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：碰撞参数为b时，单个电子所得的动能为：220420222bvmezmPEb碰撞参数为b的电子数为：dxbdbVZN)π2(dxdbbZN在dx距离内,碰撞参数为b的电子得到的总动能为：dxdbbvmeNZzENZdxdbbdEbdbbb2042~π4π2)(单个电子所得的动能与碰撞参数b之间的关系讨论。在dx距离内,物质中所有电子得到的总动能(也就是入射粒子在dx距离内损失的动能)为：maxminmaxmin2042~π4)()(bbbbdbbbiondbdxbvmeNZzdEdEmaxmin2042π4bbionbdbvmeNZzdxdEminmax2042lnπ4bbvmeNZz显然，maxbminb不能为“，也不能为“0”，否则(-dE/dx)将为，是不合理的！maxbminb和该如何取值呢？可以容易知道，对应电子获得最大能量的情况，按经典碰撞理论，重粒子与电子对心碰撞时，电子将获得最大动能，约为minb202vm220422bvmezEb根据：min202bbvm202minvmzeb对应电子获得最小能量的情况，可以由电子在原子中的结合能来考虑。入射粒子传给电子的能量必须大于其激发能级值，才能使其激发或电离，否则将不起作用。也就是说，电子只能从入射粒子处接受大于其激发能级的能量。maxbI220422bvmezEb根据：maxbbI2/102max2Imvzeb代入maxbminb和，可得到电离能量损失率为：minmax2042lnπ4bbvmeNZzdxdEion对：NZBvmezIvmvmNZezdxdEion20422/1202042π42lnπ42/1202lnIvmB按量子理论推导出的公式(非相对论)也可以表示为只是：IvmB202ln考虑相对论与其他修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率的精确表达式，称为Bethe-Block公式：NZBvmezdxdEion2042π42222201ln2lncvcvIvmB其中：入射粒子电荷数入射粒子速度靶物质单位体积的原子数靶物质原子的原子序数靶物质平均等效电离电位m0为电子静止质量3)Bethe公式的讨论NZBvmezdxdESionion2042π4(2)、与带电粒子的电荷z的关系；2zSion(1)、与带电粒子的质量M无关，而仅与其速度v和电荷数z有关。ionS(3)、与带电粒子的速度v的关系：ionS非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：21vSionE1(4)、，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。NZSion思考题（电离损失）：1、相同速度的质子和氘核在同一物质中具有相同的能量损失率。2、相同速度的α粒子和质子在同一物质中的能量损失率相同。3、相同速度的α粒子和质子在同一物质中的能量损失率相差4倍。4、相同速度的质子和氘核具有相同的能量损失率。NZBvmezdxdESionion2042π4作业：1、带电粒子与物质的作用方式？2、p41-1,3、p42-2第一问4、预习第二节复习•1、带电粒子与物质相互作用有哪几种作用形式？•2、能量损失率又叫做（）的（）。•3、能量损失率主要考虑（）和（）损失率。重带电粒子的能量损失率重点考虑（）损失率。•4、重带电粒子的能量损失率与重带电粒子的（）和（）有关，与它的（）无关；与物质的（）和（）有关。1.2•1.2关键词能量歧离重带电粒子射程、单能电子射程和β射线射程射程歧离辐射能量损失率4)Bragg曲线与能量歧离Bragg曲线：带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。NZBvmezdxdESionion2042π4能量歧离(EnergyStraggling)：单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散。能量歧离是由能量损失是一个随机过程所决定的。原来是单能的带电粒子束在不同穿透距离的能量分布3、重带电粒子在物质中的射程1)射程(Range)的定义带电粒子沿入射方向所行径