射线与物质的相互作用

1、1射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 堪培拉北京代表处堪培拉北京代表处2射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用u具有一定动能的射线会与物质发生相互作用，叫做致电离辐射。u第一节概述u第二节重带电粒子与物质的相互作用u第三节快电子与物质的相互作用u第四节射线与物质的相互作用u第五节中子与物质的相互作用3第一节概述第一节概述u一致电离辐射的种类u二弹性碰撞和非弹性碰撞u三带电粒子在物质中的慢化4一、致电离辐射的种类一、致电离辐射的种类 带电粒子辐射带电粒子辐射 非带电粒子辐射非带电粒子辐射 快电子：，；快电子：，； 电磁辐射：电磁辐射：、射线；射线； 重带电粒子重带电粒子 中子中子 n；

2、致电离辐射：能量大于10eV量级的射线。我们以后提到的“辐射”或“射线”，均指“致电离辐射”。TdP, e 5二弹性碰撞和非弹性碰撞二弹性碰撞和非弹性碰撞 相互作用过程中，满足能量守恒：EMVmvMVmv2 2 2221212121 当E = 0时，弹性碰撞； 当E 0时，非弹性碰撞； E 0时，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； E 0时，为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发态的核碰撞。 带电粒子通过库仑力与物质发生相互作用。6三带电粒子在物质中的慢化三带电粒子在物质中的慢化载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可以分为四种过程，其中前两个过程是主要的： (1)电

3、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。 入射带电粒子与核外电子的库仑作用，使电子获得能量引起： 电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子，主要发生在最外层电子。电子。 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。电离损失是带电粒子在物质中损失动能的主要方式。7三带电粒子在物质中的慢化三带电粒子在物质中的慢化(2) 辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。 入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射韧致辐射。辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。(3) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 入射粒子不辐射光子，不激发原子核，方向偏转； 入射粒子损

4、失一部分动能，靶核得到反冲。 叫做核碰撞损失，核阻止； 主要对低能重离子入射。8三带电粒子在物质中的慢化三带电粒子在物质中的慢化(4) 带电粒子与靶原子中核外电子弹性碰撞 与电子的库仑作用，使入射粒子方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，但能量转移很小，电子能量状态不发生改变。 100eV以下的粒子才需考虑。910第二节重带电粒子与物质中的相互作用第二节重带电粒子与物质中的相互作用一电离损失率二重带电粒子的射程特点特点：重带电粒子均为带正电荷离子；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；其运动径迹近似为直线。 与核外电子的非弹性碰撞； 与原子核的非弹性碰撞。11一、电离损失率一、电

5、离损失率能量损失率： 入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。radionradiondxdEdxdESSdxdES 有：电离损失率，辐射损失率。对于重带电粒子，也叫线性阻止本领。ioniondxdESS12一、电离损失率一、电离损失率假设：（1）物质原子的电子可以看成是自由的(入射粒子的动能大于大于电子的结合能)。 （2）物质原子的电子可看成是“静止”的。 （3）由于碰撞中入射粒子传给电子的能量比自身能量小得多，可认为在碰撞后入射带电粒子仍按原方向运动。 根据量子理论，并考虑了相对论修正。推导出来的重带电粒子电离能量损失率的精确表达式称为Bathe-Block公式： 13一、电离损失率一

6、、电离损失率Bathe-Block公式： NBvmezdxdEion20424ZCIvmZB2220)1ln(2ln式中：z 为入射带电粒子电荷数； Z 为靶物质原子的原子序数； N 为靶物质单位体积中的原子数； v 为入射带电粒子速度； I 为靶物质平均等效电离电位； m0 为电子静止质量； =v/c 为重粒子速度与真空中光速之比。14一、电离损失率一、电离损失率Bathe公式的几点讨论：例如，1MeV的p与2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S与入射粒子质量无关，只与电荷z及速度v有关。)()(0021vSvSmm221121mESmESmm2、S与入射粒子的电荷平方z2成正比，)(

7、)(02220211vSzzvSmm例如，相同速度的p与，S=4Sp 。15一、电离损失率一、电离损失率3、S与靶物质的电子密度NZ成正比，NZS Z吸收材料原子序数高、材料密度大的材料其阻止本领大。 4、S与v2的关系 v2较小，S 1/v2 ； v2较大，相对论效应，对数项增大，S上升 ； v2很小，电荷交换效应，俘获； v2极小，核阻止作用。16一、电离损失率一、电离损失率图中，b部分代表非相对论状况，c部分代表相对论状况。a部分是入射粒子能量很低时的情况。1718第三节快电子与物质的相互作用第三节快电子与物质的相互作用 特点： 1、运动速度大； 2、电离损失，辐射损失； 3、碰撞中能量

8、转移大，方向改变大(散射严重)。 快速电子：e ， 。 一能量损失率 二吸收与射程 三正电子与物质的相互作用19一、快电子的能量损失率一、快电子的能量损失率 对于快速电子，考虑相对论效应时的电离损失率：BvmNZedxdEion20422222201122ln)1 (2lnIEvmB22211811快速电子在物质中穿透本领比重带电粒子大得多。20一、快电子的能量损失率一、快电子的能量损失率 快速电子损失能量的方式：电离损失，辐射损失。在单位路程上通过辐射损失的能量叫做辐射损失率：312ln137) 1(4204204cmEEcmeZNZdxdErad 辐射损失的方式是发出韧致辐射。带电粒子穿过

9、物质时受到物质原子核的库仑作用，速度大小和运动方向都发生变化，这时伴随发射电磁波。称之为轫致辐射。 21一、快电子的能量损失率一、快电子的能量损失率 结论：1、辐射损失率与入射粒子质量m的平方成反比。 所以，重带电粒子的辐射损失可以忽略不计；仅对电子才重点考虑。 2、辐射损失率与靶物质NZ2成正比。当电子能量高以及吸收材料原子序数大时，辐射损失更显著。为吸收、屏蔽射线时不宜选用重材料。但为获得强的射线，则用重材料如钨作为靶材料。 3、辐射损失率与入射粒子能量E成正比。22一、快电子的能量损失率一、快电子的能量损失率 快速电子总的能量损失：radiondxdEdxdEdxdE 入射电子能量高，辐

10、射损失起主要作用； 入射电子能量低，电离损失起主要作用。700)()(ZEdxdEdxdEionrad例如：靶物质Pb，Z=82，当Ee9MeV，两者相当。23二、吸收与射程二、吸收与射程 快速电子在物质中有散射现象。 大于90的散射叫做反散射。吸收： 电子束通过一定厚度的物质时，强度减弱的现象。特点： 电子的路程远大于射程； 电子的射程有较大歧离。24二、吸收与射程二、吸收与射程 1、单能电子束的吸收最大吸收厚度R025二、吸收与射程二、吸收与射程 2、 射线的吸收teII0REmax由于放射性同位素源发射的粒子的能量是从零到最大能量连续分布的。其吸收衰减曲线恰好具有近似指数的形式，在半对数

11、坐标中近似为直线。26二、吸收与射程二、吸收与射程 27二、吸收与射程二、吸收与射程 3、射线在铝中的射程典型物质中射线的射程： Ge ：REmax ， (mm, MeV) Al ：R2Emax ， (mm, MeV) Air ：R400Emax ，(cm, MeV) 对比：4MeV 在空气中的射程约为2.5cm。38. 1max407. 0ER 当 0.15MeVEmax0.8MeV 时，MeV),g/cm(2133. 0542. 0maxER当0.8MeVEmax3MeV 时，MeV),g/cm(228二、吸收与射程二、吸收与射程 4、反散射 入射电子在物质中发生大角度偏转，又从入射表面发

12、射出来。定义： 反散射系数，0II E小，大； Z大，大。29三、正电子与物质的相互作用三、正电子与物质的相互作用 对电子与物质相互作用的全部规律都适用于正电子与物质相互作用过程。正电子在吸收体中的径迹类似于负电子的，其能量损失率及射程也与初始能量相同的负电子相同。 正电子在物质中也会发生电离损失、辐射损失。 处于热能的正电子会与吸收物质中的电子发生正电子湮没。20212cmhhchch21keV5112021cmhh3031第四节第四节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 光子不带电； 光子与电子或原子核存在电磁相互作用， 在一次作用中损失全部能量或大部分能量。 射线是能量很高的电磁波

13、，具有波粒二象性。 一光电效应 二康普顿散射 三电子对效应 四 射线的吸收32一、光电效应一、光电效应光电效应特征：ieBhE1、光电子动能等于光子能量与结合能之差：通常，hBi所以，hEe 光子与一个原子作用，把能量全部交给原子，使一个束缚电子从原子中发射出来，光子消失。入射光子与内层电子发生光电效应的几率较大。33一、光电效应一、光电效应2、光电效应伴随有特征x射线和Auger电子。 从内壳层打出电子，原子处于激发态。原子退激过程： 发出特征x射线， 发出Auger电子。3、光电截面ph的主要特征光子与物质原子发生相互作用时发生光电效应的概率用“光电效应截面”来表示，简称“光电截面”。34

14、一、光电效应一、光电效应527527204132ZhZhcmthKph当当hvm0c2，即相对论情况即相对论情况其中， =1/137,称为Thomson截面。220238cmeth5ZKph127)()(hhKph35一、光电效应一、光电效应总光电截面ph ：MphLphKphph光电效应主要发生在K壳层上：phKph54吸收边(限)36一、光电效应一、光电效应结论：（1）phZ5。对于选择探测器的探测介质时采用高原子序数材料，一提高探测效率。对防护、屏蔽射线时同样采用高Z材料。（2）光电效应截面随入射光子能量增加而减小。37一、光电效应一、光电效应4、光电子的角分布 入射能量增加，最大截面向

15、小角度方向移动。 在 =0和 =180方向上没有观察到光电子。38二、康普顿散射二、康普顿散射 散射光子，散射角 ； 反冲电子，反冲角 。与原子外层电子的散射， “自由电子”； 光子的一部分能量交给电子，使电子从原子中发射出来，光子的能量和方向发生改变。轨道电子速度远小于光速， “静止电子”。 散射光子还可继续发生Compton散射和光电效应。39二、康普顿散射二、康普顿散射1、能量与角度关系未知数：h，Ee ， ， 。根据能量守恒：220201cmhcmhcos1cos20cmchch根据动量守恒：sin1sin20cmch40二、康普顿散射二、康普顿散射联解得到康普顿移动：)cos1 (2

16、02cmhhh解得：)cos1 (120cmhhh)cos1 (120hcmhhhEe2120tgcmhctg41二、康普顿散射二、康普顿散射2、结论(1) 散射光子和反冲电子的能量是连续的。 大，Ee大，h小； 小，Ee小，h大。(2) 几种特殊情况： =0，h=h ； =，h= (h)min ； 大于150以后， h 200keV，形成反散射峰。42二、康普顿散射二、康普顿散射(3) 散射角与反冲角存在一一对应的关系。(4) 当h m0c2时，Ee h 。43二、康普顿散射二、康普顿散射康普顿散射总截面：dddecce,dddecce,整个原子的康普顿散射总截面：cecZ当h m0c2时，

17、212ln202020cmhhcmrZc45二、康普顿散射二、康普顿散射反冲电子能量分布：eeeedEddddEd与入射光子能量h相差200keV。康普顿边缘：hcmhEe2120eedEddd康普顿坪连续分布。46三、电子对效应三、电子对效应电子对效应的特征： 光子从原子核旁经过，在核的库仑场作用下，光子转化成为正负电子对。1、能量关系 从能量守恒：202cmEEhee202cmh电子对效应发生的条件：)2(0,20cmhEEee电子动能范围：47三、电子对效应三、电子对效应2、电子对效应必须在有原子核参加时才能发生。 在电子的库仑场中也可以发生电子对效应：204cmh3、电子对效应之后伴随

18、正电子湮没。 原子核带走多余的动量，又不带走过多的动能。20212cmhhchch21keV5112021cmhh48三、电子对效应三、电子对效应 如果吸收物质足够大，吸收的总能量为：202cmEEEee正负电子来自何方？ 不是从原子核中释放的； 如果一个湮没光子从吸收物质逃逸，2020cmhcmEEEee 如果两个湮没光子都从吸收物质逃逸，202cmhEEEee 也不是来自原子中的电子轨道； 是射线转化而来，是物质不同形态的转化。h49三、电子对效应三、电子对效应4、截面 当入射光子能量不同时，各种作用截面不同；)ln()(22hZhZp202cmh202cmh 当 h m0c2 时，三种作

19、用都可能发生，入射光子与物质原子作用的总截面为：pcph50小结：小结：（1 1）作用截面与吸收物质原子序数的关系）作用截面与吸收物质原子序数的关系5Zph Zc 2Zp 总体来说，总体来说，吸收物质原子序数越大吸收物质原子序数越大，各相互作用，各相互作用截面越大截面越大，其中其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射康普顿散射变化最小。变化最小。光电效应光电效应康普顿散射康普顿散射电子对效应电子对效应51小结：小结：（2 2）三种相互作用截面与）三种相互作用截面与 能量的关系能量的关系2/ 7)/ 1 (hvph 光电效应截面光电效应截面随随入射光子

20、能量增入射光子能量增加而减小，开始加而减小，开始时变化剧烈，后时变化剧烈，后基本成反比。基本成反比。)(Khv )/ 1 (hvph )(20cmhv hvp )52(2020cmhvcm hvpln )505 (2020cmhvcm 电子对效应截面电子对效应截面随入射光子能量随入射光子能量增加而增加，只增加而增加，只有光子能量大于有光子能量大于1.022MeV1.022MeV才能发才能发生。生。thhvc 0hvhvcln )(20cmhv 康普顿散射截面康普顿散射截面开始基本为常数，开始基本为常数，随入射光子能量随入射光子能量增加而减小，减增加而减小，减小比光电效应缓小比光电效应缓慢。慢。

21、)(20cmhv 52小结：小结：（2 2）三种相互作用与）三种相互作用与 能量的关系能量的关系53小结：小结：hBhEie)cos1 (120hcmhEe(3)次电子能量光电效应： 康普顿散射效应： 电子对效应： 202cmhEEEee54小结：小结：（4 4）三种相互作用的生成物）三种相互作用的生成物光电效应：光电子；特征X射线，俄歇电子。康普顿效应：散射光子，反冲电子。电子对效应：正、负电子，湮没光子。（5 5）三种相互作用的相对重要性）三种相互作用的相对重要性 低能、高Z，光电效应占优势； 高能、高Z，电子对效应占优势； 中能、低Z，康普顿散射占优势。55小结：小结：5657第五节中子

22、与物质的相互作用第五节中子与物质的相互作用中子的分类： 慢 中 子：E1keV，其中：热中子E0.0253eV； 中能中子：E1100keV； 快 中 子：E0.120MeV；慢中子(En100keV)与核发生相互作用： 转移给核的动能较大，反应截面很小，测反冲核。中子主要通过核反应或弹性散射产生重带电粒子。58中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用 1、中子在核能释放过程中起着关键的作用； 2、中子技术在应用领域有很大发展； 3、中子不带电，与原子核发生相互作用不受库仑位垒的阻挡。中子与物质的相互作用是与原子核的相互作用。中子探测的基本方法： 核反应、核反冲、核裂变、活化。中子探测的特殊地

23、位：59一、核反应法一、核反应法 利用中子产生的发射带电粒子核反应，记录带电粒子引起的电离现象就可以探测中子。主要探测中子的强度，也可探测快中子的能谱。 能利用的发射带电粒子核反应需要反应截面较大。1、MeV(93.9%)31. 2MeV(6.1%)792. 2*7710LiLiBnMeV478. 07*7LiLi 天然硼中10B的含量为19.8%，易浓缩，应用最广。b)93837(060一、核反应法一、核反应法 反应能最大，有利于区分中子与信号。 天然锂中6Li的含量为7.5%，高浓缩锂价格昂贵。2、MeV786. 436HLinb)4940(0 反应截面最大； 反应能最小，不利于区分中子和

24、信号； 天然氦中3He的含量很低，只有1.4104 %。 3、MeV764. 033pHHenb)75333(061一、核反应法一、核反应法4、MeV627. 01414pCNnb9 . 10 反应能和反应截面都小， 用作对含氢正比计数器进行能量刻度。 Elog21log三种截面与能量的关系： vE11得到截面的1/v定律： 62二、核反冲法二、核反冲法在弹性散射中： 中子的能量和方向发生改变； 原子核获得一定的动能，不改变内部状态，叫做反冲核。 反冲核是运动的带电粒子。 通过记录带电粒子来探测中子，叫做核反冲法。 核反冲法主要用于快中子探测。EEnN单位时间单位面积内的反冲核数目：dNsMME上式：中子通量密度，散射截面，靶原子密度，靶厚度。63二、核反冲法二、核反冲法当中子能量E30MeV时，22cos)(4nnMmMMmEE 常选用石蜡、聚乙烯、水等材料作为中子慢化剂； 选用轻核作为中子探测器和靶材料，如塑料闪烁体、有机液体闪烁体等。2cosEEp反冲质子法： 由动量守恒关系，在一次反冲中，反冲角度范围：90064二、核反冲法二、核反冲法当 = 0时，EEp反冲核的选择：1、轻核反冲