带电粒子电离和激发损失能量教学课件

第二章粒子探测的物理基础§21带电粒子和物质的相互作用§2-2光子和物质的相互作用§2-3强子和物质的强相互作用§24高能粒子和物质作用与簇射粒子探测2-1带电粒子和物质的相互作用粒子不能被直接观测,只有通过它们与物质的相互作用才能被探测。粒子探测主要是指记录粒子数目,测定其强度,确定粒子的性质(能量、动量、飞行方向等)。口根据粒子的带电性质分类带电粒子:α、p、e、π、k+、μ等电磁辐射:x射线、?射线中性粒子K0、等粒子探测带电粒子电离和激发损失能量1.电离和激发口入射带电粒子与物质原子的电子发生库仑相互作用而损失能量,物质原子的电子获得能量。当电子获得能量足以克服原子核的束缚,则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳层电子被电离后,该壳层留下空穴,外层电子跃迁来填补,同时放出特征X射线或俄歇电子当电子获得能量较少,不足以克服原子核的束缚成为自由电子,将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激发态的原子不稳定,作短暂停留后,将从激发态跃迁回到基态,这就是退激。退激时,释放的能量以荧光的形式发射出来2018/10/6粒子探测激发过程:q2+atom→>atom+q→atom+y退激发原子放出低能荧光光子>电离过程:产生电子-离子对。入射粒子动量P=mV=me洛仑兹因子y=E/m,c一次散射传递给静止电子的最大动能2mcBym1+2m2/m+(m/m)2m2+m2+2mE/c2低能时,2m/m0<,若m<m,近似有Tmx=2mc2f2y2对其他粒子,任意能量,分母中的平方项均可忽略,m=7E对相对论粒子,EmE,p≈EEMm=E+mac/2m对u轻子,EAm=E+11对电子,T粒子探测2带电粒子能量的电离损失口电离损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞,导致原子电离或激发,是粒子损失动能的主要方式口电离损失通常把某种物质中粒子通过单位长度所损失的能量称为该粒子在这种物质中的能量损失或称为该物质对这种粒子的阻止本领,用-()表示大,表明这种粒子在该物质中的电离本领大,即该粒子通过单位长度物质损失的能量较多,即该物质对这种粒子的阻止本领大。粒子探测Bethe-BlochformulaEnergylossbylonisationonlyBethe-Blochformula4/wvAemec2112m2CydE/dxin[Mevgicma非Z/A=1rticles(m2mFermiplateaudE/dxdependsonlyonB,independentofmIZ1A-0.5FirstapproximationcharactenzedbyZ/A82y2electrondensity100100010000/dE.11relativisticrisepy≈3-4kinematicalterm"minimumionizingparticles,MIPsEnergytransfer:/SdE>Tmar,I:meanexcitationpotential/-loZ,Io=1OeVIny2Relativisticrisecancelledathighyby"densityeffect,Parametrizedby8>FermiplateauInteractionofchargeparticlesParticlescanonlybedetectediftheydepositenergyinmatter.HowdotheyloseinmatterEnergylossatasingleencounterwithanelectronF△F△classical(△p。)12bv2bIntroducedclassicalHowmanyencountersarethereelectronradiusShouldbeproportionaltoelectrondensityinmediumNoNp粒子探测一个有用的常数K=4INAmec=0.307/MeVg/cm在入射粒子能量较低时Bethe-Bloch公式-=hz1ekindeInMev计算时,能损通常使用的单位是g/cm相应dx单位为gem2,代表面质量密度p为物质密度(单位:g/m3),ds为长度(单位:cm)。这样选取单位的好处是能损在很大程度上与物质的具体性质无关粒子探测个,口电离损失的分布个条f(E,X)算在厚度为8x的介质中,入射粒子又的平均电离损失为dEBx布接近高斯分布;当介质很薄时,当介质厚度较厚时,电离损失分体出曲关量由于相互作用的次数少,能量损失的统计涨落很大,电离损失分x怎勃其亦千布很不对称,在能量大的区域有这出很长的尾巴—朗道分布图2-4原来是单能的带电粒子束在不同穿透距离的能量分布2)E是粒子的能量,x是沿粒子径迹行进的距离,粒子探测口朗道分布实际能损最概然能损L(4)e