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§3.0粒子源天然粒子源：放射源、宇宙线加速器粒子源：静电加速器串列静电加速器直线加速器回旋加速器同步回旋加速器对撞机次级束流线与储存环第三章粒子源与粒子的测量后续课程：《辐射物理基础》《加速器物理基础》§3.1射线与物质的相互作用1．带电粒子与物质相互作用：主要是与核外电子发生库仑相互作用探测对象：带电粒子，中性粒子；稳定粒子，非稳定粒子；重粒子；轻粒子观测量：粒子种类；强度；能量；角分布；自旋等带电粒子在阻止介质中，由于与核外电子的非弹性碰撞使原子发生激发或电离而损失自己的能量，称电离损失。研究结果表明：只要不是能量低的很重的带电粒子（比α粒子重），电离损失或电子阻止是带电粒子穿过阻止介质时能量损失的主要方式。（1）质子、α粒子等重带电粒子与物质相互作用：一个速度为υ、电荷ze的带电粒子穿过由原子序数Z的元素组成的纯阻止介质时，由于与介质原子核外电子发生非弹性碰撞，经过单位路程后的能量损失或称阻止本领为：()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=−222020421ln2ln4ddββυυπImmZNezxE式中m0为电子静止质量，β＝υ/c，c为光速，N为阻止介质中单位体积的原子数目，I为介质原子的平均电离电势，代表该原子中各壳层电子的激发和电离能之平均值。方括号中第二、三两项是相对论修正项，其结果是使－dE/dx随带电粒子速度增加而减少到一极小值之后，又重新随速度增加而增加。这就是著名的贝特－布洛赫（Bethe-Block）公式。EmzxE2~dd−入射带电粒子能量E和在阻止介质中能量损失ΔE的乘积与mz2成正比,与E成反比。射程：()∫−=00dddExEER能量损失歧离与射程歧离：()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−−=2221exp1ααπEENENα为分布宽度[]21222ZNtzeπα=2．γ射线与物质的相互作用：γ射线和X射线分别起源于原子核能量变化过程和原子核外电子能量状态变化过程。γ射线与物质相互作用主要有三种机制，即光电效应、康普顿散射和电子⎯正电子对产生。deIIμ−=0总衰减系数μ可以分解为相对于光电效应、康普顿散射及电子对产生效应的三部分衰减系数，即k++=στμμμ693.02ln21==xμμμμ1dd00==∫∫∞−∞−xexxeRxx§3.2核辐射探测器通过核辐射与物质相互作用提供有关核辐射信息并对其进行分析处理的实验仪器。1．气体探测器：电离室、正比室和雪崩室。它们的共同特点是通过收集射线穿过工作气体时产生的电子⎯正离子对来获得核辐射的信息R&DatPKU1999年RE1/2prototype，2002年9月G.Iaselli：“Iamgladtohearthatthetestwentwell.ThePUgroupcertainlydeservecongratulationforthegoodjob”.LowPressureMulti-WireProportionalChamber2．闪烁探测器核辐射与物质相互作用会使阻止介质原子被激发，当这些被激发原子退激回到其基态时会发射光脉冲即称作闪烁。基于这种现象来探测核辐射的器件称作闪烁探测器。Prototypingandtesting3．半导体探测器：半导体探测器也是基于核辐射在阻止介质中产生的电离效应。在像Si和Ge半导体材料中，核辐射产生一对电子⎯空穴的平均能量损失仅(3～5)eV，与之相比，在气体中相应物理量约30eV，而在闪烁探测器中，为在光电倍增管的第一倍增电极上接收一个光电子，核辐射需在闪烁体中平均损失约300eV。主要缺点是：灵敏体积不能太大（102cm3）限制了它在探测高能核辐射和需要大探测立体角场合的应用。它对核辐射造成的损伤灵敏，在每平方厘米灵敏面积累积接收1012快中子或108重离子后，探测器性能会明显变坏而且不能自行恢复，因而限制了它的使用寿命。PSD：HAMAMATSU离子注入型硅探测器，灵敏面积为45mm×45mm，厚度为325±15μm，阳极的四个角上读出位置信号，从探测器背面的金层取出能量信号。全耗尽电压为80V，最大可达100V，暗电流为100nA，最大可达500nA，全耗尽时电容为780pF。前放用AmptekA250组装。经测试，位置分辨率约2mm。Hamamatsu-S5378Hamamatsu-S6933stripHamamatsu-S5378PSDSuperTelescopeII:PPAC+TSSD+SSD+CsIRIPSsetupDetectorsetupfortransferreactionScin.F3PPACCollimator20x20能量测量时间测量动量测量粒子分辨符合测量电子学、数据获取、计算机