微观粒子及其探测原理

§1-1微观粒子基本性质一、组成世界基本粒子.91中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第1页

按粒子参加相互作用情况来分类强子—参加强相互作用粒子，电荷是电子电量整数倍。

重子—自旋为1/2和半整数强子，由三个夸克组成。是费米子，服从费米－狄拉克统计规律。如：质子(uud)、中子、各类超子（含有奇异夸克重子）。

介子—自旋为整数强子，由夸克和反夸克组成，是玻色子，服从玻色－爱因斯坦统计规律。如：

+()，k，……轻子—不参加强相互作用，自旋为1/2粒子，如：电子，子，子，各类中微子，……场粒子—自旋为1，传递相互作用粒子，它们是光子，胶子，W、Z中间玻色子。二、粒子分类.92中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第2页三、原子核及其性质原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为核子。原子核核子数

因质子和中子质量都靠近一个原子质量单位，故原子核质量靠近A个原子质量单位。核素：有确定质子数Z和核子数A原子核。表示符号：

如碳原子核简写为：质子数中子数.93中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第3页同位素：Z相同，N不一样核素，处于元素周期表中同一个位置，有相同化学性质。例：原子核性质：1.原子核大小经验公式.94中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第4页2.原子核质量3.核物质密度4.原子核结合能

原子核质量总是小于组成它核子质量之和。定义二者之差m为质量亏损。质量亏损越大，核子结合得越紧密，原子核越稳定。.95中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第5页5.比结合能：每种原子核结合能除以这种原子核核子数，得到每一个核子平均结合能，亦称比结合能平均结合能越大，核子结合越紧密，原子核越稳定。6.原子核反应用方程式表示：

a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩下核)+Q或简写成A（a，b）B试验表明任何一个核反应，箭头两边总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。Q值>0反应，放热反应；Q值<0反应，吸热反应。.96中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第6页7.原子核核子平均结合能曲线较轻和较重原子核平均结合能比中等重量原子核平均结合能小。两个较轻原子核结合成较重原子核，发生聚变反应，释放能量。一个较重原子核分裂成两个中等能量原子核，发生裂变反应，释放能量。.97中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第7页四、电子质量最轻稳定粒子。

衰变：原子核内质子和中子相互转换过程

1）－衰变：含有过多中子不稳定原子核

例

实际上是

反电子中微子.98中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第8页2）＋衰变

含有过多质子不稳定原子核例

实际上是被束缚质子电子中微子.99中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第9页3）轨道电子俘获EC

质子过多不稳定核，其中一个质子也可能俘获原子壳层中某一个电子变成中子。易俘获k层电子，称作k俘获，并伴随x射线发射或俄歇效应发生。例：丰质子核发生

＋衰变和EC是相互竞争过程，各有一定几率。如：发生EC几率发生＋衰变几率22Na10％90％65Zn98.5％1.5％.910中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第10页三个过程都包括三个物体：粒子、中微子和反冲核因为衰变过程中能动量守恒，能量在三体中分配是任意。所以粒子动量由零到最大都有，粒子能谱是连续谱。粒子能谱是连续谱.911中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第11页一些纯电子源.912中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第12页内转换电子

处于激发态原子核经过把能量交给核外电子退激发，核外电子把取得能量一部分用以克服结合能，其余作为电子动能脱离原子。能量从keV到MeV，为单能。

.913中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第13页俄歇电子俄歇电子能量比

粒子和内转换电子能量低。俄歇效应与x射线发射是相互竞争两个过程。原子内壳层失去一个电子出现一个空穴时，外壳层电子就可能跃迁来填补空穴，同时发射x射线。若不发射x射线而将能量交给另一个壳层电子，使其克服结合能而发射出去，这个过程就是俄歇效应，打出电子就是俄歇电子。

电子加速器如BES、LEP等，加速后电子能量可达GeV量级。.914中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第14页光电子、x射线、俄歇电子.915中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第15页五、重带电粒子质子

H原子核，mp=938MeV=1836me，带1个正电荷。

粒子

He原子核，由2个质子和2个中子组成，带2个正电荷。

衰变

A≥200原子核可能自发发射

粒子例：.916中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第16页Bi

衰变及Tl能级.917中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第17页Bi能谱.918中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第18页核裂片重核裂变产生两个裂变碎片。依据动量守恒，每个碎片向相反方向发射，是带多电荷正离子。如235U吸收一个慢中子裂变产生两个裂片。.919中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第19页一个235U原子核吸收一个中子裂变成两个含有大约相等质量原子核。由平均结合能曲线，新生原子核平均结合能比235U大。近似认为每个核子平均结合能增加1MeV，总结合能增加约200MeV。这是一个C原子燃烧时释放化学能4eV5000万倍！重离子Z>2离子，核裂片是其中一个，存在于宇宙线中。也能够经过把原子核外电子直接剥离产生，普通用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。.920中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第20页六、射线和x射线电磁波，静止质量为0，含有波粒二象性。波长比普通光波短很多，波长<x波长，粒子性更突出，常称光子。能量动量

h普朗克常数，v振动频率，c光速，波长

.921中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第21页射线产生1.处于激发态原子核向低能级跃迁时发射

射线试验室中使用大多数

辐射源是在放射性母核经、衰变过程中形成，所以射线经常伴随、射线产生。2.正反粒子湮灭发射射线比如正电子与负电子相遇发生湮灭时，发射两个方向相反

光子，

光子能量为0.511MeV。.922中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第22页.923中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第23页

生成12C处于激发态，向低能级跃迁时产生能量为4.44MeV

射线。

衰变是原子核本身能态之间跃迁。在衰变中原子核电荷和质量数保持不变，只是原子核内部能量状态变低了。3.伴随核反应产生

射线.924中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第24页4.韧致辐射当快电子与物质相互作用时，因受阻速度改变而辐射电磁辐射现象，其部分能量转换成韧致辐射形式电磁辐射。转换成韧致辐射电子能量份额随入射电子能量增加而增加，也随吸收物质原子序数增加而增加。韧致辐射谱是连续。.925中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第25页.926中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第26页

特征X射线产生

处于激发态原子，内层电子跃迁使原子恢复到最低能态或基态，同时以发射特征X射线形式释放能量，该特征X射线能量等于初态与终态间能量差。KLMK

K

.927中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第27页外部辐射激发靶特征X射线入射粒子束入射粒子能量必须大于预期由靶发出最大X射线能量，X射线谱为连续谱，特征X射线能量是单一，各向同性发射。.928中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第28页用于激发特征X射线粒子源.929中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第29页七、中子中子性质：电中性，自旋1/2，mn=940MeV，束缚在原子核内中子是稳定，自由中子是不稳定。平均寿命＝16.9分。中子源反应堆中子源

反应堆产生中子在理想慢化条件下，产生热中子、慢中子、中能中子和快中子。（1）热中子（2）慢中子（3）中能中子（4）快中子.930中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第30页经典裂变反应堆中子通量密度随能量分布镉对热中子吸收截面很大，截止能量：E＝0.55eV.931中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第31页热中子能量估算其速度2.加速器中子源

经过核反应产生中子主要有：(d,n)、(p,n)、(α,n)、(,n)最惯用是T(d,n)4He3.同位素中子源

放射性同位素放出α粒子或

光子，与轻核反应产生中子，惯用有：.932中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第32页

从许多普通放射性核素直接衰变能够得到含有相当能量粒子，把发射粒子同位素与适当靶物质混和起来，制成小自给中子源。光致中子源Q＝5.17MeV光子能量>10MeV.933中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第33页许多超铀重核素具有自发裂变几率，每次裂变时发射几个快中子。最常见源是252Cf裂变中子源。10g252Cf自发裂变中子产额为：3×107中子/秒平均能量为1.5MeV.934中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第34页八、放射性衰变基本规律指数衰减规律N0：t=0时刻原子核数目N：t时刻原子核数目：衰变常数，单位时间每个原子核衰变几率.935中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第35页2.核衰变时间特征半衰期T1/2：

平均寿命：

能级宽度：

粒子处于某一状态有一定时间范围，处于该状态平均时间称为寿命或称这个能级有一定宽度。放射性原子核数目衰减到二分之一所需时间放射性原子核数目衰减到1/e所需时间.936中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第36页放射性活度

单位时间放射性物质衰变数

单位

居里（Ci）：3.7×1010衰变/s，mCi，Ci贝可勒尔（Bq）：1衰变/s，KBq，MBq

1Ci=3.7×1010Bq

N－放射性核数－衰变常数A0－t=0时刻放射性活度3.放射性活度及单位.937中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第37页比放射性活度(比活度）放射性样品中某种放射性核素活度与样品质量（或体积）之比，即单位质量放射性样品内该核素活度。其单位是KBq.g-1、MBq.g-1等。浓度对放射性溶液和气体惯用放射性浓度来表示其中所含有某放射性核素量，其含意是单位体积溶液或气体中所含该核素活度。其单位是Bq.L-1、Bq.m-3、KBq.L-1等。.938中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第38页如知道某放射源活度和半衰期，可推知其原子核数及其质量。例题：试验用1Ci60Co源，求其质量。已知其T1/2=5.27年解：其所含原子核数

其质量可见普通放射源质量甚微，却含有大量原子核，足以确保衰变规律良好统计性。.939中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第39页4.射线强度定义放射源在单位时间内放出某种射线粒子个数为射线强度。若某放射源每一次衰变只放出一个粒子，则该射线强度就等于该放射源活度。若某放射源每一次衰变放出几个粒子，则该射线强度就不等于该放射源活度。如：60Co一次衰变放出一个粒子，则射线强度就是放射源活度，同时60Co一次衰变级联放出2个粒子，则射线强度为放射源活度2倍。.940中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第40页5.辐射剂量描述辐射场量。射线经过辐射场内物体时，与物体发生相互作用，把能量沉积在物体中。吸收剂量：描述辐射场内受照物体吸收能量剂量单位。定义：

1千克物体质量吸收1焦耳能量为1Gy。1Gy＝1J/kg，或1Gy＝6.24×1012MeV/kg，老单位是rad，为1g物质吸收100尔格能量。故1Gy＝100rad。等效剂量：辐射引发生物效应及其严重程度不但取决于能量沉积，还取决于辐射种类。定义：WR与辐射类型及能量相关因子，单位1Sv=1J/kg.941中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第41页辐射权重因子辐射类型辐射能量WR光子电子和介子中子质子（反冲质子除外）粒子、裂变碎片、重核全部能量全部能量<10keV10-100keV>100keV－2MeV>2MeV-20MeV>20MeV>2MeV1151020105520.942中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第42页§1-2带电粒子探测基本原理粒子探测主要是指统计粒子数目，测定其强度，确定粒子性质（能量、动量、飞行方向等）。依据粒子带电性质分类带电粒子：、p、e±、±、±、±等电磁辐射：x射线、射线中性粒子：n、0、0、等.943中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第43页一、带电粒子与物质相互作用1.电离和激发入射带电粒子与物质原子轨道电子发生库仑相互作用而损失能量，轨道电子取得能量。当电子取得能量足以克服原子核束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离。电离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。当电子取得能量较少，不足以克服原子核束缚成为自由电子，将跃迁到较高能级。这就是原子激发。处于激发态原子不稳定，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，释放能量以荧光形式发射出来。.944中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第44页Particlescanonlybedetectediftheydepositenergyinmatter.Howdotheyloseenergyinmatter?Interactionofchargeparticlesclassical.945中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第45页2.带电粒子能量电离损失电离损失带电粒子与核外电子非弹性碰撞，造成原子电离或激发，是粒子损失动能主要方式。电离损失通常把某种物质中粒子经过单位长度所损失能量称为该粒子在这种物质中能量损失或称为该物质对这种粒子阻止本事，用表示。大，表明这种粒子在该物质中电离本事大，即该粒子经过单位长度物质损失能量较多，即该物质对这种粒子阻止本事大。Bethe-Bloch公式单位体积吸收物质电子数目，即吸收物质电子密度。阻止系数，对重带电粒子和电子B不一样。电子静止质量ze、v是入射粒子电荷和速度.946中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第46页Energytransfer:I

dETmax

,I:meanexcitationpotentialI~I0Z,I0=10eVRelativisticrise:ln2termRelativisticrisecancelledathigh

by“densityeffect”.ParametrizedbyFermiplateauBethe-Blochformula.947中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第47页一个有用常数在入射粒子能量较低时Bethe-Bloch公式

计算时，能损通常使用单位是，对应单位为，代表面质量密度

为物质密度（单位：g/cm3），ds为长度（单位：cm）。这么选取单位好处是能损在很大程度上与物质详细性质无关。

.948中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第48页小结1）公式不包含入射粒子质量，即电离损失与入射粒子质量无关。电荷和速度相同粒子在同一个物质中电离损失相同。2）电离损失与入射粒子电荷数z2成正比。3）电离损失与粒子速度相关，在区间，当前尚无令人满意理论解释，只能依赖唯象拟合公式。4）对于能量很低粒子，当其运动速度与原子中电子速度相当初，公式不再适用。当粒子运动速度（

为精细结构常数）时，能损正比于

5）对，Bethe-Bloch公式均可适用。在非相对论性速度时，与v2成反比。.949中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第49页6）伴随入射粒子能量增加，电离损失很快减小，当1，电离损失到达一个很宽范围极小值区域。这个极小值区域最低点在~3－4附近，且与介质无关。大多数相对论性粒子能量损失与这个最低点值很靠近。称最小值处能量损失为最小电离，把能量损失为最小值粒子称为最小电离粒子(MinimumIonizingParticles或MIP)。7）在>4后能量损失又开始迟缓上升，称作相对论上升。8）伴随能量继续增加，因为原子核外电子电荷密度屏蔽效应，能量损失趋于饱和，物质中沉积能量靠近一个常数，称作费米坪。.950中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第50页

能量歧离

单能带电粒子束穿过一定厚度吸收体之后发生能量离散。这种能量分布宽度是能量歧离量度，它随沿粒子径迹距离而变。.951中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第51页

β射线即电子流，带有负电，其质量很小，所以在运行中轻易被其它电子所偏转，所以其径迹波折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在β射线径迹末端，电离密度最大，这是因为此时电子能量已显著降低，速度减慢,与靶物质原子作用几率加大,单位距离内形成离子对增多。β射线射程长短取决于电子能量大小。

β

射线与物质作用.952中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第52页电离损失分布

在厚度为x介质中，入射粒子平均电离损失为

当介质厚度较厚时，电离损失分布靠近高斯分布；当介质很薄时，电离损失分布很宽，不对称，在能量大区域有很长尾巴——朗道分布。因为有能量很高电子产生。电子

入射带电粒子与介质相互作用能量损失过程中因碰撞而击出能量很高电子，它能够继续与其它介质原子相互作用。.953中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第53页3.韧致辐射（Bremsstrahlung）韧致辐射当入射带电粒子与介质原子最近距离比原子半径~10-8cm小，而又比核半径~10-13cm大时，在核库仑场中受到库仑散射，使其运动减速，轨迹发生偏转，并伴随弱电磁辐射。韧致辐射能量损耗

当E>>mec2时

当E>>137mec2Z-1/3时.954中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第54页辐射长度X0：则初始能量为E0电子穿过厚度为x(g.cm-2)介质后平均能量为当介质厚度x=X0时，电子在介质中因辐射损失而使能量减低到初始能量1/e，称X0为介质辐射长度。当介质为化合物或混合物时，有：Xi第i种成份辐射长度，wi第i种成份权重因子，重量百分比。.955中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第55页临界能量Ec：快速带电粒子在介质中经过一个辐射长度后仅由电离而损失能量称为该介质临界能量。

对电子E>Ec，韧致辐射损失为主E<Ec，电离损失为主韧致辐射能量损失与入射粒子质量M2成反比

重带电粒子质量比电子大很多，经过原子核附近时，偏转较小，加速度较小，所以韧致辐射损失较小。其在介质中韧致辐射是速度相同电子倍。韧致辐射能量损失与介质原子系数Z2成正比

实际工作中为了降低电子韧致辐射本底，选取Z小物质，如塑料、铝等材料做放射源托片核支架。韧致辐射发射角

朝前方向.956中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第56页几个惯用介质辐射长度和临界能量介质X0(g.cm-2)Ec(MeV)H263140Al2447Ar2035Fe13.824Pb6.36.9铅玻璃SF39.6~11.8Plexiglass40.580H2O3693碘化钠NaI(Tl)9.512.5锗酸铋BGO8.0~7.957中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第57页4.契伦科夫辐射Cherenkovradiation契伦科夫辐射快速带电粒子穿过均匀透明介质，其速度大于光在该介质中相速度v>c/n时就会产生契伦科夫辐射。产生机理：介质原子或分子极化与退极化；电磁辐射相干叠加，在一定方向得到加强。产生条件：（1）快速带电粒子做匀速运动，且（2）均匀透明介质（3）满足在与粒子运动方向成角方向上电磁辐射相干加强，才能观察到。.958中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第58页

切伦科夫辐射特点（1）切伦科夫辐射角（2）阈速度（3）阈动能（4）最大辐射角（5）有连续可见光.959中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第59页5.穿越辐射穿越辐射当带电粒子能量很高时穿越两种介电常数不一样介质交界面时发生辐射。带电粒子穿越两种介质时，在不一样介质中建立电磁场是不一样，在穿越界面瞬间出现电磁场改变，造成了X光辐射。惯用材料是苯乙烯和类似介质。经典发射角辐射光谱从可见光到X光区。。.960中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第60页穿越辐射形成区厚度EP介质中等离子体能量，E

穿越辐射光子能量因为饱和效应，最大形成区厚度:穿越辐射总能量正比于入射粒子能量，正比于＝E/m。依据穿越辐射总能量差异能够判别相对论性粒子。因为穿越辐射很弱，用多层介质叠起来使用。.961中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第61页6.同时辐射（SyncrotronRadiation）同时辐射电子在磁场中偏转时相当于受到加速而发出辐射称为同时辐射。辐射能量电子在磁场中偏转轨道曲率半径为，则一个相对性单能电子每转一圈辐射能量电子同时辐射比相同动量重粒子严重得多。电子和质子同时辐射能量损失之比为.962中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第62页电子能量越高，同时辐射越显著。含有连续能谱。在电子盘旋轨道平面内，辐射能量主要是沿切线方向，平均辐射角同时辐射作为新一代光源，含有以下优点：（1）功率大（2）单色性好（3）流强连续可调.963中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第63页

α射线即氦核组成粒子流，由2个质子和2个中子组成，故带有2个正电荷，质量数为4，比电子质量大约8000倍。α粒子在组织中经过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故α射线由外照射对机体不会产生严重危害。但若α放射性核素进入人体内时，因为其电离密度较大，造成损伤非常严重。另外，放射性治疗中用快中子或负π介子照射组织时，在组织中将产生α粒子，对杀伤癌细胞将起主要作用。

射线与物质作用.964中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第64页

快中子作用于组织时可产生带电重粒子。另外，高能加速器还可将带电重粒子加速，使其含有很强穿透能力。比如，质子、氦核、负π介子等可在人体数厘米深处产生高密度电离，到达集中杀死癌细胞作用。关于负π介子研究近年来尤其受到放射治疗领域关注。负π介子属于亚原子粒子,其质量为电子276倍,电荷同电子。由同时盘旋加速器将质子加速到极高能量(500-700MeV)轰击石墨或铅靶时产生负π介子。当其穿入人体组织被碳、氧、氢等原子核捕捉，释放α粒子、中子和质子，产生高密度电离作用，杀死癌细胞。

带电重粒子与物质作用.965中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第65页二、射程射程带电粒子在某种物质中运动到最终静止所经过距离，用R表示。

能量大质量小粒子在电子密度小吸收物质中射程长。平均射程使带电粒子计数下降到恰好是没有吸收体时带电粒子计数二分之一吸收体厚度，用R0表示。外推射程吸收曲线下降直线部分延长与X轴相交对应射程，用R外推表示。等效射程Rm=R，单位g/cm2，吸收物质密度.966中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第66页

射程歧离：初始能量相同单个粒子路径长度涨落。

在薄吸收体中能量损失

吸收体厚度.967中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第67页能量相同同一个重粒子在给定物质中含有基本相同固定射程。粒子径迹.968中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第68页射程与粒子能量关系（经验公式）

在标准状态空气中质子

粒子4MeVE11MeV，精度1%;11MeVE15MeV，精度4%试验表明不一样物质近于常数射程表示为动能和质量函数.969中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第69页.970中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第70页.971中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第71页三、带电粒子经过介质时屡次库仑散射库仑散射当入射粒子与介质原子最近距离小于原子半径(10-8cm)时，受介质原子核库仑场作用，运动轨迹发生偏转，这种现象称为库仑散射。Rutherford散射公式

对小角度散射截面很大。带电粒子穿过厚介质时将发生屡次小角度库仑散射。这些小角度散射是彼此独立，粒子穿过整个介质层最终偏转角是这些小角度散射总效果。.972中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第72页屡次库仑散射分布能够由Molliere理论描述。理论证实对小角度散射其分布近似为高斯分布，较大角度偏转为Rutherford散射。.973中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第73页经验公式

Es常数能量

要降低散射本底，应选取原子系数低材料做放射源衬托、支架和屏蔽室内层材料。P、v入射粒子动量和速度Z、t、X0介质原子系数、厚度和辐射长度。.974中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第74页小结带电粒子与物质原子相互作用主要是与物质原子核外电子非弹性碰撞，造成物质原子电离或激发，是带电粒子经过物质是损失能量主要方式。利用电离或激发效应来统计入射粒子是绝大多数探测器物理基础。它们差异在于统计方式不一样，大致分为三类：（1）搜集电离电荷探测器主要搜集电离效应产生大量正负离子，统计它们电荷所形成电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当工作电压，形成电场以有效搜集电荷。如气体探测器、半导体探测器。.975中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第75页（2）搜集荧光探测器，被带电粒子激发原子退激时发出荧光。因为荧光很弱，需要经过一定转换放大，即把光脉冲转换成较大电脉冲——光电倍增管。如闪烁计数器等。（3）利用离子集团作为径迹中心探测器，径迹探测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室等。（4）搜集切伦科夫辐射探测器，切伦科夫探测器。（5）搜集统计穿越辐射探测器，穿越辐射探测器。韧致辐射和同时辐射是附加产物，对高能电子探测器必须考虑它们影响。.976中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第76页§1-3

射线探测

射线与物质相互作用主要有三个过程：光电效应、Compton－Wu效应和电子对产生。

射线穿过物质时其强度按指数衰减规律衰减I0入射

光子束强度，

为物质对

光子吸收衰减系数，x为物质厚度。若=/，t=x质量厚度，为光子质量衰减长度或光子平均自由程，则.977中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第77页射线与物质发生三重相互作用都含有一定几率，用截面表示。定义：

表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生作用几率，单位靶恩（b）

1b=10-24cm2发生作用光子数（s－1cm－2）靶物质原子数（cm－2）

入射光子数（s－1cm－2）.978中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第78页一、光电效应光电效应低能光子被介质原子吸收而放出电子效应。光电子能量

hv为入射光子能量，Ei为第i壳层电子结合能原子退激发时发射特征X射线或俄歇电子。入射光子

原子光电子hv俄歇电子LK原子核.979中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第79页光电子角分布光电子角分布与入射X光子能量相关能量低—大角度分散能量高—小角度集中（电离方向）.980中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第80页X射线谱

L限K限吸收限吸收限光子能量光电质量衰减系数X射线谱X射线吸收限.981中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第81页射线与物质原子发生光电效应总截面

1）重元素光电效应比轻元素强得多；2）低能射线比高能射线强得多；3）当射线能量靠近电子结合能时，光电效应截面最大。光子与原子内层电子作用..982中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第82页二、康普顿－吴有训效应光子与原子外层电子作用,可看作在自由电子上散射。Comptonwavelength.983中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第83页

依据能动量守恒散射光子能量反冲电子能量入射光子

核外电子出射电子E

出射光子.984中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第84页反冲角和散射角之间关系

.985中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第85页Compton-Wu效应散射截面Comptonwavelength.986中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第86页Compton-Wu散射反冲电子能谱.987中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第87页(3).散射光子和反冲电子角分布.988中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第88页三、电子对效应电子对效应：光子从原子核旁经过，当光子能量超出2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射光子能量。对一定能量入射光子电子对效应产生正负电子动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从0－2mec2都有可能，动能分配是任意。入射光子能量越大，正负电子发射方向越前倾。入射光子原子核正负电子对E

E+E-e+e-.989中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第89页电子对效应与湮灭辐射.990中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第90页电子对湮灭电子对效应产生正负电子在吸收物质中经过电离损失和韧致辐射损失能量。正电子很快被慢化。正电子与物质电子相互作用转化为两个光子现象称作电子对湮灭。发生湮灭时，能动量守恒。正负电子动能为0，所以两个湮灭光子总能量等于正负电子静止质量。湮灭前正负电子总动量为0，湮灭后两个光子总动量也为0。电子对效应截面.991中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第91页

A.相干散射四、X(γ)线与物质作用其它过程

射线与物质相互作用而产生干涉(衍射)散射过程叫相干散射。比如X线对镍晶体衍射产生劳厄斑就是相干散射现象.相干散射是唯一不产生电离过程。

光子与原子核作用发生核反应过程。比如释放中子、质子、β粒子和γ光子等。

B.光核作用.992中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第92页光电效应、康普顿效应是光子与核外电子作用结果，电子对效应是光子与原子核电磁场作用结果。三种效应相互竞争，可能同时存在。三种效应相对主要性

对低能射线和原子序数高物质光电效应占优势；对中能射线和原子序数低物质康普顿效应占优势；对高能射线和原子序数高物质电子对效应占优势。小结.993中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第93页在三种效应中，每个光子都是在一次作用中就损失其全部能量或相当大部分能量，并发射出电子。正是这些电子使得探测射线成为可能。光电效应和电子对效应所发射次级电子能量单一，所以射线探测器物质应选取Z尽可能大材料。.994中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第94页五、X(γ)射线吸收

当

线经过物质时，因为光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线强度逐步减弱。.995中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第95页射线吸收吸收系数.996中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第96页A、单能γ线在物质中衰减规律(1)窄束γ线在物质中衰减规律.997中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第97页光子数表示则满足

光子数降低但频率不变！（μ=0.2cm-1).998中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第98页(2)宽束γ线在物质中衰减规律积累因子:某物质元中γ光子计数率与未碰撞物质γ光子计数率之比B。Ns:物质元散射γ光子计数率Nn:入射γ光子计数率B是描述散射光子影响反应宽束和窄束区分物理量宽束γ线衰减规律B能够经过泰勒级数展开近似计算求得：.999中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第99页§1-4中子探测中子与物质相互作用主要是中子与原子核强相互作用，即核反应。探测中子就是探测中子与原子核发生核反应产生次级粒子。中子不带电，不受库仑斥力影响，轻易进入原子核发生核反应。不一样能量中子探测原理核探测器不一样。中子能量区分：（1）热中子（2）慢中子（3）中能中子（4）快中子.9100中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第100页

中子不带电，经过物质时，只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用。但慢中子或热中子进入原子核易被俘获，而快中子与原子核主要发生弹性碰撞。在中子与质子(氢核)一次碰撞中,中子部分能量传给质子,产生反冲质子,这种带正电重粒子在组织中速度很快下降,引发高密度电离作用。中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引发高密度电离。快中子与组织中更重原子核相互作用可引发非弹性散射产生γ射线。另外,中子与物质原子核作用还会产生核反应,在反应过程中释放带电重粒子、γ光子或产生放射性核素。

中子与物质作用.9101中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第101页一、核反冲法核反冲法是统计中子与原子核弹性散射后反冲核。在弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量降低。这降低能量传递给原子核，使原子核以一定速度运动，该核称作反冲核。反冲核含有电荷，能够作为带电粒子统计。统计了反冲核，就探测到中子。该方法主要用于探测快中子。由能动量守恒，对En<30MeV中子，反冲核取得动能En入射中子En’散射中子E反冲反冲核

M原子核质量反冲角.9102中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第102页若以质量数代替质量，则mn=1,M=A由此可见，反冲核越小取得能量越大。当＝0，A＝1时，E反冲＝En，最大。反冲质子法

选取含氢物质做辐射体，此时反冲核就是质子。实际中惯用石蜡、水等含氢物质作为中子慢化剂。核反冲法探测中子时应选择轻核物质做靶材料。如氢、甲烷等气体，有机玻璃、有机晶体、塑料等固体。核反冲能够测量快中子能量。当一定时，E反冲正比于En。实际中测量沿入射中子束方向张角为±10度反冲质子，此时探测器接收到质子数较多，反冲质子能量粗略地等于入射中子能量。.9103中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第103页二、核反应法核反应法主要用于测量慢中子通量。个别情况下也可测量快中子能谱。中子通量：单位时间经过单位面积中子数。中子与原子核反应作用数目与中子通量成正比。原子核反应用方程式表示：

a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩下核)+Q或简写成A（a，b）B试验表明任何一个核反应，箭头两边总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。Q值>0反应，放热反应；Q值<0反应，吸热反应。.9104中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第104页当前应用最多三种核反应：

都是放热反应，反应放出能量变成次级粒子动能。

0是热中子反应截面，都很大。截面改变速度反比定律

中子能量小于1KeV很大范围内，反应截面与中子速度成反比。.9105中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第105页实际应用最广是反应。因为硼材料比较轻易得到，气态可选取BF3气体，固态有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量较高，易浓缩。中子与10B反应有两个过程：.9106中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第106页三、核裂变法核裂变法就是经过统计中子与重核作用产生裂变碎片来探测中子方法。探测不一样能量中子选取不一样裂变材料

对热中子和慢中子选235U(=528b)，239Pu(=743b)，233U(=531b)。裂变时放出能量很大，大约是200MeV，两个裂变碎片共带走170MeV能量。入射中子能量远小于它，故该法不能测量中子能量，主要测量中子通量。核裂变法特点是放出反应能很大，所以本底对测量没有影响，能够在强本底下测量中子。许多重核只有在入射中子能量大于某个阈值后才能发生裂变。利用一系列不一样阈能裂变元素来判断中子能量，这种探测器称为阈探测器。.9107中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第107页惯用裂变阈探测器材料特征裂变材料热中子裂变截面（mb)阈能（MeV）3MeV时裂变截面（mb)半衰期（y)232Th231Pa234U236U238U237Np209Bi<0.210<0.6－<0.5191.750.50.40.81.450.75500.191.11.50.850.551.51.41×10103.28×10102.45×1052.34×1074.47×1092.14×106.9108中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第108页四、活化法活化法是中子辐照样品，使之发生核反应，生成含有一定寿命放射性核素，放射性核素经过发射射线或射线回到稳定核。这种俘获中子，辐射射线或射线过程称为辐射俘获，亦称活化。例用115In做激活材料，受中子照射后，新生成核素普通都不稳定，116In就是放射性，测量经中子辐照后材料放射性，就能够知道中子强度。活化法有广泛应用，很多、放射性核素就是利用这种方法在反应堆中照射生成。.9109中国科大汪晓莲微观粒子及其探测原理第109页活化分析方法是经过分析样品俘获中子后产生放射性来实现对样品成份非破坏性分析。活化法详细操作过程

设活化靶为薄片，单位时间单位面积1cm2靶物质俘获中子数每个原子有效俘获截面，d靶厚N单位体积1cm3中靶原子数，ƒ中子通量中子辐照靶时，首先靶中放射性核不停增加，另首先生成放射性核按一定半衰期衰变。只要中子辐照时间远大于激活放射性半衰期，则放