核辐射物理及探测学期末总结教材课件

1、核辐射物理及探测学 期末考前总结复习第六章 射线与物质的相互作用注意带电粒子与非带电粒子与物质相互作用的区别。 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) 电离损失带电粒子与靶物质原子中轨道电子的非弹性碰撞过程。 (b) 辐射损失带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。(c) 核碰撞损失带电粒子与靶原子核的弹性碰撞。(d) 带电粒子与轨道电子弹性碰撞。 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。 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

2、带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子的形式损失其能量，称为辐射损失。6.2 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。 2、重带电粒子在物质中的能量损失规律1) 能量损失率(Specific Energy Loss) 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(Stopping Power)。 又分为电离能量损失率和辐射能量损失率。 对重带电粒子，辐射能量损失率相对小的多，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。2) Bethe 公式(Be

3、the formula) 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 以及作用物质属性等关系的经典公式。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(2)、 与带电粒子的电荷数z的关系；(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。(3)、 与带电粒子的速度v的关系：非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：(4)、 ，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。 1) 重带电粒子径迹的特征基本是直线质子、径迹粗细不同有分叉能量高，径迹细3

4、、重带电粒子在物质中的射程2) 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。 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。2、不同粒子以相同速度，入射在同一物质中，关于射程的几点讨论：例：p、以相同速度入射在同种物质中， M/z2均为1，它们的射程相等。1、同种粒子以相同速度，入射在不同物质中，如果Z比较接近，常数快电子与物质的相互作用特点：快电子的速度大；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略； 快电子散射严重。 1、快电子的能量损失率必须考虑相对论效应时的电离能量损失和辐射能量损失。讨论：

5、(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。当要吸收、屏蔽射线时，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。(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。电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射。电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。对同种材料，电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的电子，原子序

6、数越高的材料，反散射越严重。反散射的利用与避免A) 对放射源而言，利用反散射可以提高源的产额。B) 对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。3、正电子的湮没正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。高速正电子被慢化，在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出两个光子。正电子的特点是：两个湮没光子的能量相同，各等于511keV两个湮没光子的方向相反，且发射是各向同性的。 射线与物质的相互作用特点：光子通过次级效应与物质的原子或核外电子作用，光子与物质发生作用后，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子； 次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。 射线

7、与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，用截面来表示作用概率的大小。总截面等于各作用截面之和，即：作用截面与吸收物质原子序数的关系总体来说，吸收物质原子序数越大，各相互作用截面越大，其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射变化最小。光电效应康普顿散射电子对效应作用截面与入射光子能量的关系光电效应截面随入射光子能量增加而减小，开始时变化剧烈，后基本成反比。电子对效应截面随入射光子能量增加而增加，只有光子能量大于1.022MeV才能发生。康普顿散射截面开始基本为常数，随入射光子能量增加而减小，减小比光电效应缓慢。次电子能量光电效应： 光电子康普顿散射：反冲电子电子对效应：正负电子对随机

8、变量的运算和组合(A)(B)相互独立的随机变量的“和”、“差”与“积”的数学期望，是各随机变量数学期望的“和”、“差”与“积”，即： 第七章 辐射探测中的概率统计问题(C)相互独立的随机变量的“和”与“差”的方差，是各随机变量方差的“和” ，即： (D)相互独立的遵守泊松分布的随机变量之“和”仍服从泊松分布。但是相互独立的遵守泊松分布的随机变量之“差”，不服从泊松分布。串级随机变量的主要特点：(A) 期望值：(B) 方差：(C) 相对方差： 假如第一级随机变量的数学期望很大，那么就可以忽略第二级随机变量的相对方差对串级随机变量的相对方差的贡献。 (D) 由两个伯努利型随机变量1和2串级而成的随

9、机变量 仍是伯努利型随机变量。若 1 和 2 的正结果发生概率分别为p1和p2，则 正结果发生概率为：(E) 由泊松分布的随机变量1与伯努利型随机变量2串级而成的随机变量 仍遵守泊松分布。设1的平均值为m1,而2的正结果发生概率为p2，则 的平均值为： 对于一个具有N0个放射性核的放射源，在t 时间内发生核衰变数N遵守二项式分布。长寿命核素，其衰变概率很小为有限量在t 时间内总衰变数N遵守泊松分布期望值方差核衰变数的涨落放射性测量的统计误差(1). 探测器输出计数的统计分布脉冲计数器的测量过程可以概括为三个基本过程，其计数值为一个三级串级型随机变量。 源发射粒子数n1射入探测器粒子数n2探测器

10、输出脉冲数n3(2). 探测计数的统计误差粒子计数探测器输出脉冲数服从统计分布规律，当计数的数学期望值m较小时，服从泊松分布。 m较大时，服从高斯分布。而且，m较大时，m与有限次测量的平均值 和任一次测量值 N 相差不大。 N为单次测量值标准偏差 随计数N增大而增大，因此用相对标准偏差来表示测量值的离散程度：计数测量结果的表示：表示一个置信区间，该区间包含真平均值的概率为68.3（置信度）。电离过程的涨落与法诺(Fano) 分布由于各次碰撞电离过程是非独立的，产生的离子对数不能简单用泊松分布来描述，而要对泊松分布进行修正，引入法诺因子FF一般取 (气体)或 0.10.15(半导体) 不同材料法

11、诺因子不同， F由实验测定。把这种分布称为法诺分布。n1代表一个入射粒子束脉冲中包含的粒子数，是一个服从泊松分布的随机变量。每个入射带电粒子在探测器内产生n2个离子对，也是一个随机变量，且服从法诺分布。输出信号 N是n1和n2 的串级型随机变量由于n1服从泊松分布，n2服从法诺分布粒子束脉冲的总电离电荷量的涨落相邻两个脉冲时间间隔T服从指数分布。表明：在短时间内出现第二个脉冲的概率较大。一些常见情况：(1)计数统计误差的传递例如：存在本底时净计数误差的计算：第一次，没有样品，在时间t内测得本底的计数为Nb；第二次，放上样品，在相同时间内测得样品和本底的总计数为Ns。样品的净计数为：其标准偏差为

12、：(2)或例如：计数率的误差：设在 t 时间内记录了N个计数，则计数率为n=N/t，计数率的标准偏差为：其相对标准偏差为：(3)或(4) 平均计数的统计误差对某样品重复测量k次，每次测量时间t相同(等精度测量)，得到k个计数 则在时间t内的平均计数值为：由误差传递公式，平均计数值的方差为：多次重复测量结果表达：平均计数的相对标准偏差：(5) 存在本底时净计数率误差的计算：第一次，在时间tb内测得本底的计数为Nb；第二次，在时间ts内测得样品和本底的总计数为Ns。样品的净计数率为：标准偏差为：相对标准偏差为：(6) 不等精度独立测量值的平均 如果对同一量进行了k次独立测量，各次测量的时间为ti，

13、计数为Ni。这是不等精度测量。这时，简单的求平均不再是求单次“最佳值”的适宜方法。需要进行加权平均，使测量精度高的数据在求平均值时的贡献大，精度低的贡献小。结果表示为：如果k次测量的时间均相等，则测量为等精度测量： 从统计误差而言，无论是一次测量还是多次测量，只要总的计数相同，多次测量的平均计数率相对误差和一次测量的计数率的相对误差是一致的。(7) 测量时间的选择(B) 有本底存在时，需要合理分配样品测量时间ts和本底测量时间tb。(A) 不考虑本底的影响；根据： 在相对标准偏差给定的情况下，所需最小测量时间为：辐射探测器学习要点：探测器的工作机制；探测器的输出回路与输出信号；探测器的主要性能

14、指标；探测器的典型应用。Pulse amplitude (log scale)第八章 气体探测器电离室工作机制：入射带电粒子(或非带电粒子的次级效应产生的带电粒子)使气体电离产成电子离子对，电子离子对在外加电场中漂移，感应电荷在回路中流过，从而在输出回路产生信号。输出信号：电荷、电流、电压。是理想的电荷源。是近似理想的电流源（条件：V(t) tc ( tc为载流子收集时间 )时，为电压脉冲型工作状态：辐射在灵敏体积内产生的电子空穴对数 由于h与Cd有关，而结电容随偏压而变化，因此当所加偏压不稳定时，将会使 h 发生附加的涨落；为解决该矛盾，PN结半导体探测器通常采用电荷灵敏前置放大器。则输出脉

15、冲幅度为：输出回路的时间常数为：主要性能1) 能量分辨率（线宽表示）(1) 输出脉冲幅度的统计涨落 E1(2) 噪声引起的展宽 E2电子学噪声主要由第一级FET构成，包括：零电容噪声和噪声斜率。(3) 窗厚度的影响 E3(4) 电子与空穴陷落的影响 E42） 分辨时间与时间分辨本领：3） 能量线性很好，与入射粒子类型和能量基本无关4） 辐照寿命辐照寿命是半导体探测器的一个致命的弱点。随使用时间的增加，载流子寿命变短。 耗尽层厚度为12mm。 对强穿透能力的辐射而言，探测效率受很大的局限。P-N结半导体探测器存在的矛盾：锂漂移探测器1) 空间电荷分布、电场分布及电位分布I区为完全补偿区，呈电中性

16、为均匀电场；I区为耗尽层，电阻率可达1010cm；I区厚度可达1020mm，为灵敏体积。2) 工作条件 为了降低探测器和FET的噪声，同时为降低探测器的表面漏电流，探测器和FET都置于真空低温的容器内，工作于液氮温度(77K)。 对Ge(Li)探测器，须保持在低温下； 对Si(Li)探测器，可在常温下保存。高纯锗探测器1) P区存在空间电荷，HPGe半导体探测器是PN结型探测器。2) P区为非均匀电场。3) P区为灵敏体积，其厚度与外加电压有关，一般工作于全耗尽状态。4) HPGe半导体探测器可在常温下保存，低温下工作。5) 注意其空间电荷分布、电场分布及电位分布性能其中：Si(Li)和Ge(

17、Li)平面型探测器用于低能(X)射线的探测，其能量分辨率常以55Fe的衰变产物55Mn的KX能量5.95keV为标准，一般指标约：1) 能量分辨率：为载流子数的涨落。为漏电流和噪声； 为载流子由于陷阱效应带来的涨落，通过适当提高偏置电压减小。 HPGe，Ge(Li)同轴型探测器用于射线探测，常以60Co能量为1.332MeV的射线为标准，一般指标约：2) 探测效率一般以3英寸3英寸的NaI(Tl)晶体为100，用相对效率来表示。以85cm3的HPGe为例，探测效率为19。3) 峰康比P = 全能峰峰值/康普顿平台的峰值与FWHM以及体积有关，可达6008004) 能量线性：非常好5) 时间特性

18、：电流脉冲宽度约10-910-8s.1) HPGe和Ge(Li)用于组成谱仪：锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32) 应用2) Si(Li)探测器 由于Si的Z14，对一般能量的射线，其光电截面仅为锗的1/50，因此，其主要应用为： 低能量的射线和X射线测量， 在可得到较高的光电截面的同时，Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸； 粒子或其他外部入射的电子的探测，由于其原子序数较低，可减少反散射。探测器的工作机制及输出信号产生的物理过程气体探测器中的电子离子对闪烁探测器中被 PMT的D1收集的电子半导体探测器中的电子空穴对产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器)300e

19、V(闪烁探测器)3eV(半导体探测器)探测器的信息载流子电离室：电子-正离子对的生成；离子对在电场中的漂移；感应电荷的流动；输出电流信号和电压信号。 正比计数器：非自持放电-碰撞电离与雪崩过程；光子反馈与离子反馈及多原子分子气体；气体放大系数。GM管：自持放电-电子雪崩的传播及正离子鞘的形成；自熄过程；有机管与卤素管的工作机制的特点。 闪烁探测器：发光机制；闪烁体的发光衰减时间常数；光子的收集-光电转换-光电子被D1收集-电子倍增-电子在最后打拿极与阳极间运动产生信号。 半导体探测器：空间电荷形成的电场；电子-空穴对的形成；PN结及PIN结的形成及工作原理。 1）电荷量： （电离室、半导体探测

20、器） （正比计数器） （闪烁探测器） （GM管） 探测器的输出信号2）电流信号气体和半导体探测器的电流信号的一般表达式： 正比计数器： 闪烁探测器： 3）电压信号： 等效电路与输出回路时间常数 一般表达式 （1）电流工作状态-反映粒子束流的平均电离效应，条件： 输出直流电流 电压 （2）脉冲工作状态-反映单个入射粒子的电离效应，条件： 电流脉冲工作状态： tc为载流子收集时间，电压脉冲形状与电流脉冲相似电压脉冲工作状态： 电压脉冲为电流脉冲在电容上的积分，且有 （3）脉冲束工作状态-反映粒子束脉冲的总电离效应，辐射源为脉冲束源。条件探测器的工作状态电离室正比计数器闪烁探测器半导体探测器1）统计

21、涨落部分各种探测器的能量分辨率 对于电离室谱仪，放大器输出的脉冲幅度为： 其中，A为放大器的放大倍数，是一个连续型随机变量。则：2) 放大器放大倍数涨落的影响 放大器的噪声对输出脉冲幅度涨落的影响是叠加的关系，即：电离室输出脉冲幅度放大器噪声折合到输入端的信号幅度幅度平均值为：其相对均方涨落：其中 ，为放大器的信噪比.3) 放大器噪声的影响 综合考虑统计涨落、放大器放大倍数A的涨落、放大器噪声的影响，则电离室谱仪放大器输出信号的相对均方涨落为： 要使分析器道宽影响不超过1/100，FWHM内须不少于67道。 幅度分析器的道宽对能量分辨率也有影响： 能量分辨率为：能量分辨率的表示百分数表示线宽表

22、示(单位为keV)考虑影响能量分辨率的各种因素时，谱仪的总分辨率： 放射性样品的活度测量相对法测量简便，但条件苛刻：必须有一个与被测样品相同的已知活度的标准源，且测量条件必须相同。绝对测量法复杂，需要考虑很多影响测量的因素，但绝对测量法是活度测量的基本方法。1) 小立体角法2) 4计数法第十二章 辐射测量方法射线能谱的测定单能能谱的分析1) 单晶谱仪主过程：全能峰光电效应所有的累计效应；康普顿平台、边沿及多次康普顿散射；单、双逃逸峰。2) 单能射线的能谱其他过程：和峰效应；I(或Ge)逃逸峰；边缘效应(次电子能量未完全损失在灵敏体积内)。屏蔽和结构材料对谱的影响：散射及反散射峰；湮没峰；特征X

23、射线。24Na的衰变纲图AB24Na的NaI能谱ABA+B SEBDEB58Co的衰变纲图ABC58Co的NaI能谱ABC800+511Ann. Rad.各种谱仪装置1) 单晶谱仪。探测器放大器多道分析器计算机2) 全吸收反康普顿谱仪。主探测器符合环前置放大反符合带门控的多道前置放大控制信号测量信号3) 康普顿谱仪(双晶谱仪)。放大器放大器符合电路带门控的多道主探测器辅探测器测量信号门控信号4) 电子对谱仪(三晶谱仪)辅I辅II放大器放大器放大器符合带门控的多道测量信号门控信号中子与物质的相互作用1. 中子的散射 1) 弹性散射 (n,n) 中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。反冲核的动能：2)