核辐射物理与探测学PPT课件

1、Radiation Interactions with Matter射线射线，指的是如，指的是如X射线、射线、 射线、射线、 射线、射线、 射线等，射线等，本质都是本质都是辐射粒子。辐射粒子。射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认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。识微观世界的基本手段。本课程讨论对象为本课程讨论对象为致电离辐射致电离辐射，辐射能量，辐射能量大于大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。即可使探测介质的原子发生电离的能量。 第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用Charged Particulate RadiationsU

2、ncharged RadiationsHeavy charged particlesNeutronsFast electronsX-rays and raysfTdp, e 第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用EMVmvMVmv 222221212121E 为内能项为内能项0 E0 E0 E0 E第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用载能带电粒子在靶物质中的载能带电粒子在靶物质中的慢化过程慢化过程，可分为，可分为四种四种，其中前两种是主要的：其中前两种是主要的：(a) 电离损失带电粒子与靶物质原子中核外电子的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

3、程。非弹性碰撞过程。(b) 辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。(c) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞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带电粒子与核外电子弹性碰撞第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用入射带电粒子与靶原子的核外电子通过入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用库仑作用，使电，使电子获得能量而引起子获得能量而引起原子的原子的电离电离或或激发激发。电离电离核外层电子克服核外层电子克服束缚成为束缚成为自由电子自由电子，原子，原子成为正离子。成为正离子。激发激发使核外层电子由低使核外层电子由低

4、能级跃迁到高能级而使原子能级跃迁到高能级而使原子处于处于激发状态激发状态，退激发光。，退激发光。第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用带电粒子带电粒子与与靶原子核的库仑场靶原子核的库仑场作用而发生弹性散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射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能总动能不变不变，即入射粒子，即入射粒子既不既不辐射光子，辐射光子，也不也不激发或电离激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变运动方向改

5、变。第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用这种由入射带电粒子与靶原子核发生这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞弹性碰撞引起引起入射粒子的能量损失入射粒子的能量损失称之为称之为核碰撞能量损失核碰撞能量损失，把原，把原子核对入射粒子的阻止作用称为子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止核阻止。核碰撞能量损失核碰撞能量损失只是在入射带电粒子只是在入射带电粒子能量很低能量很低或或低低速重离子速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要入射时，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。的。但对电子却是引起反散射的

6、主要过程。受受核外电子核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为样为满足能量和动量守恒满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，入射粒子要损失一点动能，但这种但这种能量的转移很小能量的转移很小，比比原子中电子的原子中电子的最低激发能还最低激发能还小小，电子的能量状态没有变化。，电子的能量状态没有变化。这种相互作用方式只是在极低能量这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的的粒子粒子（电子）才需考虑（电子）才需考虑, 其它情况下完全可以忽略掉。其它情况下完全可以忽略掉。第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第六章第六章 射线与物

7、质的相互作用射线与物质的相互作用dxdES radionSSS radiondxdEdxdE ioniondxdESS 6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用,M Zefxfyfr vbx222)(rzerezef em ,0 t P tfP dtfP06.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用,M Zeem ,0fxfyfr vbx dtfPPyy0 xxPfdt32sinrbzerbfffy dtrbzePPy32dtdxv vdxdt 3232rdxvbzevdxr

8、bzePPy06.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用 2/3222)(bxdxvbzeP2/122)(bxr dxbx322)(1 22233coscos dttbbtdttbdx2cos tbbxcos/22 tbxtg 22cos12 tdtb22b 6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用bvzeP22 220420222bvmezmPEb dxbdbN Z dV)2(dxdbbZN dxdbbvmeNZzENZdxdbbdEbdbbb 204242)(6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用 maxm

9、inmaxmin20424)()(bbbbdbbbiondbdxbvmeNZzdEdE maxmin20424bbionbdbvmeNZzdxdE minmax2042ln4bbvmeNZzmaxbminbmaxbminb6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用minb220422bvmezEb min202bbvm 202minvmzeb 6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用202vmmaxb220422bvmezEb maxbbI 2/102max2 Imvzeb6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用

10、maxbminbNBvmezIvmvmNZezdxdEion20422/120204242ln4 2/1202ln IvmZB IvmZB202ln6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用 minmax2042ln4bbvmeNZzdxdEionNBvmezdxdEion20424 2222201ln2lncvcvIvmZB6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用NBvmezdxdESionion20424 2zSion 21vSion E1 NZSion 6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用6.2 6.2

11、 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用dEdxdEdEdEdxdxREER 00000)/(1dENBezvmRE 0042204221MvE MvdvdE dvBvNezMmRv 00342046.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用探测器探测器源源0/ II15 . 0tmReRt0II6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用0/ II15 . 0tmReR6.2 6.2 重带电粒子与

12、物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用Rv221MvE 222McEcMEv 22McEkckvv 6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用EMckcRkvRvRT22 EMRTa7102 . 1 6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用)(318. 05 . 10cmER EMeV73 iiiiccdxdENWdxdEN11 iiiiccRAnMR)/(6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用100101 AARR 010011RAAR 6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用

13、kiiieffAnA180. 316%2214%780 A330/10226. 1cmg airRAR14102 . 3 6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用)()(2vFzMvR )()(22vRzMzMvRbabbaa baMRzMRz 226.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用-dEEddxavg 0EdE0EdEEnergyRange1R2RE dEI0EtEd6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用EEEod裂变碎片是核裂变所产生的，具有裂变碎片是核裂变所产生的，具有很大很大质量质量、很大很大电

14、荷电荷及及相当高相当高能量能量的重带电粒子。的重带电粒子。2zSion dxdE6.2 6.2 重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子与物质的相互作用第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用2422022202222(ln(ln2)(2 11)2(1)1(1)(11) )8ionm v EdEe NZdxm vI cv/ radiondxdEdxdEdxdE 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用入射带电粒子与靶原子的核外电子通过入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用库仑作用，使电子获得能量而引起使电子获得能量而引起原子的原子的电离电离或或激发激发。222

15、NZmEzdxdErad 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用带电粒子带电粒子穿过物质时受物质穿过物质时受物质原子核原子核的的库仑作用库仑作用，其其速速度度和和运动方向运动方向发生变化，发生变化，会伴随发射会伴随发射电磁波，电磁波，即即轫致轫致辐射辐射222NZmEzdxdESradrad 21mSrad ESrad 2NZSrad 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用 342ln4137)1(204204cmEcmeZNEZdxdErad 700/ZEdxdEdxdEionrad 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用6.

16、3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用探测器探测器源源0/ II15 . 0tmReRt0II11ttmaxRmaxR e 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用)(maxERRm 2/cmg6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用nmEER412)( Enln0954. 0265. 1 MeVEMeV301. 0 MeVEMeV201 106530)( EERm6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用max R0( )xI tI e 0()mmxmI tI exm 为吸收体的为吸收体的质量厚度质量厚度 ttm /

17、 m6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用1.38max0.407RE max0.15MeV0.8MeVE max0.5420.133RE max0.8MeV3MeVE Ge ：RE max ， (mm, MeV) Al ：R2E max ， (mm, MeV) Air ：R400E max ，(cm, MeV) 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用00III 探测器探测器0II6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用CuAlC6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用0II探测器探测器I6.3 6.3 快电子

18、与物质的相互作用快电子与物质的相互作用6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用2221cmcmhhee chch21 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用MeVcmhhe511. 0221 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用cnrPe2 ner22/cmeree c)(1052.419 sAZP 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用NBvmezdxdEion20424 6.3 6.3 快电子与物质的相互作用快电子与物质的相互作用 700/ZE

19、dxdEdxdEionrad XMeVE511. 0 第六章第六章 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用pcph 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用ireEEhv iehvE ieE 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用kph 45 k为为k层光电截面层光电截面6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用20cmh 27552042113227 hZZhcmthk72214507225132kthm cZhZh20cmh 245051.51kthm cZhZh22

20、2083themcKeVh100 ,LK 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用5Zph ph hv 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用+ 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用)( (1) 在在 0 和和 180 方向方向没有光电子没有光电子飞出；飞出；6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用hvE 201 cmmvPe /hchvP 20220201cmcmcmEEe 420222cmcPE cv / 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用由由动量守恒动量守恒eEvhhv coscoseh

21、vhvPcc sinsinehvPc )cos1()cos1(202 EcmEEe)cos1(120 cmhvhvE2012Ectgtgm c 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用hvvh (2) 散射角散射角 180 时，时，散射光子能量最小散射光子能量最小，而，而反冲电反冲电子能量最大子能量最大。20min21cmhvhvvh hvcmhvEe2120max, (3) 散射角散射角 在在0 180 之间连续变化；反冲角之间连续变化；反冲角 在在90 0 相应变化。相应变化。6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用200,38rthhvec 20cmhv 2020cmer 20cmhv 212ln202020,cmhvhvcmrec 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用hvhvZZecc2ln, 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 ddec)(, 20cmhv cos11cos1cos112cos1cos1112222220,rddec2020cmer 6.4 射线射线与物质的相互作用与物质的相互作用 ddec)(, ddec)(, ddec)(, dddsin ddsin2 d