【清华大学工物系课件】电离辐射探测-工程硕士课程(2)-射线与物质的相互作用解读

of60清华大学工程物理系工程硕士课程辐射探测学IonizationRadiationDetection(2)授课教师：李玉兰2009.9.21～2009.11.9（7次）of882§2.射线与物质的相互作用RadiationInteractionswithMatter§2.1概论§2.2重带电粒子与物质的相互作用§2.3快电子与物质的相互作用§2.4γ射线与物质的相互作用§2.5中子与物质的相互作用√of883§2.1概论1.什么是射线？射线，指的是如X射线、γ射线、α射线、β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。辐射一般是无法直接感知的，只有当它们穿过物质并和物质发生相互作用时才会留下些许信息（辐射的种类、能量、强度等）。也才会有探测器。of884...概论2.射线与物质相互作用的分类带电粒子辐射非带电粒子辐射快电子电磁辐射（X、γ）重带电粒子中子of885...概论3.弹性碰撞与非弹性碰撞22'2'211112222mvMVmvMVEE内能项0E弹性碰撞（动能守恒）0E非弹性碰撞（动能不守恒）0E第一类非弹性碰撞比如，入射粒子与处于基态的原子发生碰撞，使之激发或者电离。0E第二类非弹性碰撞比如，入射粒子与处于激发态的原子发生碰撞，使之退激。of886...概论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：①电离损失－带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程。②辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。③带电粒子与靶原子核的弹性碰撞。④带电粒子与核外电子弹性碰撞。其中，前两种是主要的：电离损失、辐射损失of887...概论(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力作用，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。of888...概论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。of889...概论(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。对于β粒子来说，辐射损失是其能量损失的重要方式。对于重带电粒子α来说，辐射损失的能量份额不大。此外，质子、α粒子还有可能使原子核激发，从基态→激发态，但是概率很小，可以不考虑。of8810§2.1概论§2.2重带电粒子与物质的相互作用§2.3快电子与物质的相互作用§2.4γ射线与物质的相互作用§2.5中子与物质的相互作用√of8811§2.2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主要特点①重带电粒子均为荷正电的粒子。②重带电粒子主要通过电离损失的方式来损失能量，使介质原子电离或者激发。③重带电粒子在介质中的运动轨迹近似为直线。of88122.重带电粒子在物质中能量的损失规律（1）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(StoppingPower)。dESdx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”。ionradSSSionraddEdEdxdxof8813...重带电粒子在物质中能量的损失规律|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。ioniondESSdxof8814•（2）Bethe公式–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。1/224224022004π24πlniondEzeNZmvzeNBdxmvImv1/2202lnmvBZI只是：202lnmvBZIBethe按量子理论推导出的公式(非相对论)也可如此表示此公式由经典角度导出of8815...重带电粒子在物质中能量的损失规律|Bethe公式考虑相对论与其它修正因子，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：24204πiondEzeNBdxmv入射粒子电荷数入射粒子速度靶物质单位体积的原子数m0为电子静止质量2220222lnln1mvvvBZIcc其中：靶物质原子的原子序数靶物质平均等效电离电位相对论项壳层项：当入射粒子的速度小于内层电子的速度时起作用of8816Bethe公式的含义3)Bethe公式的讨论24204πioniondEzeSNBdxmv(2)、与带电粒子的电荷z为2次方的关系；2ionSz(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(4)、，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。ionSNZ非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：21ionSv1E重离子治癌，质子刀，“90%的能量沉积在病灶”of8817电离能量损失率随粒子的值的变化24204πiondEzeNBdxmvof8818of88194)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。of8820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。of8821三.粒子径迹的特征重带电粒子在物质中径迹的特征是什么？m7.0具有相同速度的质子和α粒子在水中的计算径迹片断δ射线：是指带电粒子在穿透介质时产生的电子-离子对中的电子具有足够的能量而可引起进一步电离的电子。比电离(specificIonization)：是指带电粒子在穿透单位距离介质时产生的离子对的平均数。①基本是直线②质子、α粗细有别③有分叉？④能量提高，会变细？of88223、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的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程R。入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程(Path)。路程射程重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。of8823射程往往通过实验测定：探测器源0/II10.5tmReRt平均射程外推射程入射粒子能量高，其射程长；反之则短。在某种物质中，确定的入射重带电粒子的射程与粒子能量之间存在着确定的关系，常以曲线的形式给出。0IIof88240/II10.5tmReR射程歧离：由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单能粒子的射程也是有涨落的，称为射程歧离。对图中曲线进行微分，得到一峰状分布，其宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离。of8825阻止时间：将带电粒子阻止在吸收体内所需的时间。阻止时间T＝粒子射程R粒子的平均速度v对非相对论粒子(质量M，动能E)：212EMv222EEvcMMc22EvkvkcMcof882622RRRMcTvkvkcE取k＝0.671.210aMTRE单位：秒单位：米单位：u单位：MeV重带电粒子在固体或液体中的阻止时间为~fs，在气体中是~nsof88272)粒子在空气中的射程1.500.318()REcmE为粒子能量，单位为MeV。公式适用范围：3~7MeV3)Bragg－Kleemanrule:11iicicidEdEWNdxNdxNc及（dE/dx)C表示化合物（或混合物）的原子密度和能量损失率；Ni及（dE/dx)i表示第i种成分元素的原子密度和能量损失率；Wi第i种成分的原子份额of8828110001RARA101001ARRAA为相应物质的原子量；为相应物质的密度。相同能量的同一种粒子在不同吸收物质中射程之间的关系可用半经验公式描述：多种元素组成的物质的原子量怎么计算？定比定律(/)cciiiiMRnARMc为化合物的分子量Ni为化合物分子中第i种元素的原子数of8829对由多种元素组成的化合物或混合物，其等效原子量为：1keffiiiAnA化合物或混合物中，第i种元素的原子百分数。对空气：078%1422%163.80A3301.22610/gcm已知粒子在空气中的射程，可以求得粒子在其他物质中的射程：413.210airARRof88304)同一吸收物质中不同重带电粒子的射程之间的关系。2()()MRvFvz粒子初速度的单值函数，对于同样的v值，不同粒子取相同的数值。22()()ababbaMzRvRvMz22abRzRzMM定比定律入射粒子的属性of88314、重带电粒子在薄吸收体中的能量损失带电粒子在薄吸收体中的能量损失可计算为：avgdEEtdx简单测厚仪原理：0EtE0EtEEnergyRange1R2REtEI0EtEtof88325、裂变碎片的能量损失裂变碎片是核裂变所产生的，具有很大质量、很大电荷及相当高能量的重带电粒子。2ionSzdEdx很大，射程很短随着它在吸收体内损耗能量而减小，与、质子不同。原因：在损耗能量降低速度的同时也俘获电子使自身的z不断减小。24204πiondEzeNBdxmvof8833§2.1概论§2.2重带电粒子与物质的相互作用§2.3快电子与物质的相互作用§2.4γ射线与物质的相互作用§2.5中子与物质的相互作用√of88342.3快电子与物质的相互作用快电子与物质相互作用的特点：快电子的速度大；重带电粒子相对速度小；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；快电子散射严重。重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。InteractionofFastElectronsof88351、快电子的能量损失率对快电子，必须考虑相对论效应时的电离能量损失和辐射能量损失。4222222022202π1ln(ln2)(211)(1)(11)2(1)8iondEeNZmvEdxmvIionraddEdEdEdxdxdx电子电离能量损失率的Bethe公式：of8836辐射能量损失：带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速度和运动方向发生变化，会伴随发射电磁波，即轫致辐射。辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量。222raddEzENZdxm量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：入射粒子的电荷、能量及质量吸收物质的原子序数和单位体积的原子数of8837222radraddEzESNZdxm讨论：(1)：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。21mSrad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，则应选用重材料作靶。(2)：辐射损失率与带电粒子的能量E成正比。即辐射损失率随粒子动能的增加而增加。ESrad(3)：辐射损失率与吸收物质的NZ2成正比。所以当吸收材料原子序数大、密度大时，辐射损失大。2NZSradof8838424200(1)244ln1373raddENEZZeEdxmcmc