微观粒子及其探测原理课件

第一章第一章 微观粒子及其探测原理微观粒子及其探测原理1-1 微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质1-2 带电粒子探测的基本原理带电粒子探测的基本原理1-3 射线的探测射线的探测1-4 中子的探测中子的探测1-5 高能粒子与介质作用和簇射高能粒子与介质作用和簇射11-1 微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质一、构成世界的基本粒子一、构成世界的基本粒子2 按粒子参与相互作用的情况来分类按粒子参与相互作用的情况来分类强子强子参与强相互作用的粒子，电荷是电子电量的整数倍。参与强相互作用的粒子，电荷是电子电量的整数倍。重子重子自旋为自旋为1/21/2和半整数的强子，由三个夸克组成。是和半整数的强子，由三个夸克组成。是费费 米子，服从费米狄拉克统计规律。如：质米子，服从费米狄拉克统计规律。如：质子子(uuduud)、中子、各类超子（含有奇异夸克的重子）。中子、各类超子（含有奇异夸克的重子）。介子介子自旋为整数的强子，由夸克和反夸克组成，是玻色自旋为整数的强子，由夸克和反夸克组成，是玻色 子，服从玻色子，服从玻色 爱因斯坦统计规律。如：爱因斯坦统计规律。如：+()()，k k，轻子轻子不参与强相互作用的，自旋为不参与强相互作用的，自旋为1/21/2的粒子，的粒子，如：电子，如：电子，子，子，子，各类子，各类中微子，中微子，场粒子场粒子自旋为自旋为1 1，传递相互作用的粒子，传递相互作用的粒子，它们是光子，胶子，它们是光子，胶子，W W、Z Z中间玻色子。中间玻色子。二、粒子的分类二、粒子的分类3三、原子核及其性质三、原子核及其性质p原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为核子核子。p原子核的核子数原子核的核子数 因质子和中子的质量都接近一个原子质量单位，故原因质子和中子的质量都接近一个原子质量单位，故原子核的质量接近子核的质量接近A A个原子质量单位。个原子质量单位。p核素核素：有确定的质子数：有确定的质子数Z Z和核子数和核子数A A的原子核。的原子核。表示符号：表示符号：如碳原子核如碳原子核 简写为：简写为：质子数中子数4p同位素：同位素：Z Z相同，相同，N N不同的核素，处于元素周期表中同不同的核素，处于元素周期表中同一个位置，有相同的化学性质。一个位置，有相同的化学性质。例：例：p原子核性质：原子核性质：1.1.原子核的大小原子核的大小 经验公式经验公式52.2.原子核质量原子核质量3.3.核物质密度核物质密度4.4.原子核的结合能原子核的结合能 原子核质量总是小于构成它的核子质量之和。定义两原子核质量总是小于构成它的核子质量之和。定义两者之差者之差 m m为质量亏损。质量亏损越大，核子结合得越紧为质量亏损。质量亏损越大，核子结合得越紧密，原子核越稳定。密，原子核越稳定。65.5.比结合能：比结合能：每种原子核的结合能除以这种原子核的核每种原子核的结合能除以这种原子核的核子数，得到每一个核子的平均结合能，亦称比结合能平子数，得到每一个核子的平均结合能，亦称比结合能平均结合能越大，核子结合的越紧密，原子核越稳定。均结合能越大，核子结合的越紧密，原子核越稳定。6.6.原子核反应用方程式表示：原子核反应用方程式表示：a(a(入射粒子入射粒子)+A()+A(靶核靶核)b(b(出射粒子出射粒子)+B()+B(剩余核剩余核)+Q)+Q 或简写成或简写成 A A（a a，b b）B B 实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数Z Z和和总质量数总质量数A A必须相等；反应前后体系的总能量（静止能必须相等；反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。量和动能之和）不变，总动量不变。Q Q值值00的反应，放热反应；的反应，放热反应；Q Q值值02的离子，核裂片是其中一种，的离子，核裂片是其中一种，存在于宇宙线中。也可以通过把原子的核外存在于宇宙线中。也可以通过把原子的核外电子直接剥离产生，一般用重离子加速器产电子直接剥离产生，一般用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。生并加速，以增加其能量。21六、六、射线射线和和x x射线射线p电磁波，静止质量为电磁波，静止质量为0，具有波粒二象性。，具有波粒二象性。p波长比普通光波短很多，波长比普通光波短很多，波长波长10MeV34许多超铀重核素具许多超铀重核素具许多超铀重核素具许多超铀重核素具有自发裂变几率，有自发裂变几率，有自发裂变几率，有自发裂变几率，每次裂变时发射几每次裂变时发射几每次裂变时发射几每次裂变时发射几个快中子。最常见个快中子。最常见个快中子。最常见个快中子。最常见的源是的源是的源是的源是252252Cf Cf 裂变裂变裂变裂变中子源。中子源。中子源。中子源。1010 g g 252252Cf Cf 自发裂变中子产额自发裂变中子产额自发裂变中子产额自发裂变中子产额为：为：为：为：3103107 7中子中子中子中子/秒秒秒秒平均能量为平均能量为平均能量为平均能量为1.5MeV1.5MeV35八、放射性衰变的基本规律八、放射性衰变的基本规律1.指数衰减规律指数衰减规律N0：t=0时刻的原子核数目时刻的原子核数目N：t时刻的原子核数目时刻的原子核数目：衰变常数，单位时间每个原子核衰变的几率衰变常数，单位时间每个原子核衰变的几率362.2.核衰变的时间特性核衰变的时间特性p半衰期半衰期T T1/21/2：p平均寿命平均寿命：p能级宽度能级宽度：粒子处在某一状态有一定的时间粒子处在某一状态有一定的时间 范围，处在该状态的平均时间称范围，处在该状态的平均时间称 为寿命或称这个能级有一定宽度。为寿命或称这个能级有一定宽度。放射性原子核数目衰放射性原子核数目衰减到一半所需的时间减到一半所需的时间放射性原子核数目衰放射性原子核数目衰减到减到1/e1/e所需的时间所需的时间37放射性活度放射性活度 单位时间放射性物质的衰变数单位时间放射性物质的衰变数 单位单位 居里（居里（CiCi）：）：3.7103.7101010衰变衰变 /s/s，mCi，Ci 贝可勒尔（贝可勒尔（BqBq）：）：1 1衰变衰变 /s/s，KBq，MBq 1Ci=3.71010Bq N N放射性核数放射性核数l衰变常数衰变常数A A0 0t=0t=0时刻的放射性活度时刻的放射性活度3.3.放射性活度及单位放射性活度及单位38比放射性活度比放射性活度(比活度）比活度）放射性样品中某种放射性核素的活度与样品放射性样品中某种放射性核素的活度与样品质量（或体积）之比，即单位质量的放射性质量（或体积）之比，即单位质量的放射性样品内该核素的活度。其单位是样品内该核素的活度。其单位是KBq.gKBq.g-1-1、MBq.gMBq.g-1-1等。等。浓度浓度对放射性溶液和气体常用放射性浓度来表示对放射性溶液和气体常用放射性浓度来表示其中所含有的某放射性核素的量，其含意是其中所含有的某放射性核素的量，其含意是单位体积溶液或气体中所含的该核素的活度。单位体积溶液或气体中所含的该核素的活度。其单位是其单位是Bq.LBq.L-1-1、Bq.mBq.m-3-3、KBq.LKBq.L-1-1等。等。39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。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：例题：实验用的实验用的1 Ci的的60Co源，求其质量。已知源，求其质量。已知其其T1/2=5.27年年解：其所含原子核数解：其所含原子核数 其质量其质量可见一般放射源质量甚微，却含有大量原子核，足以保证衰可见一般放射源质量甚微，却含有大量原子核，足以保证衰变规律的良好统计性。变规律的良好统计性。404.4.射线强度射线强度p定义定义放射源在单位时间内放出某种射线的粒子个数为放射源在单位时间内放出某种射线的粒子个数为射线强度。射线强度。p若某放射源每一次衰变只放出一个粒子，则该射线强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。度就等于该放射源活度。p若某放射源每一次衰变放出几个粒子，则该射线强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。就不等于该放射源活度。如：如：60Co一次衰变放出一个一次衰变放出一个 粒子，则粒子，则 射线的强度射线的强度就是放射源活度，同时就是放射源活度，同时60Co 一次衰变级联放出一次衰变级联放出2个个 粒子，则粒子，则 射线的强度为放射源活度射线的强度为放射源活度的的2倍。倍。415.5.辐射剂量辐射剂量p描述辐射场的量。射线通过辐射场内的物体时，与物体发描述辐射场的量。射线通过辐射场内的物体时，与物体发生相互作用，把能量沉积在物体中。生相互作用，把能量沉积在物体中。p吸收剂量：吸收剂量：描述辐射场内受照物体吸收能量的剂量单位。描述辐射场内受照物体吸收能量的剂量单位。定义：定义：1公斤物体质量吸收公斤物体质量吸收1焦耳的能量为焦耳的能量为1Gy。1Gy1J/kg，或或 1Gy6.241012MeV/kg，老单位是老单位是rad，为，为1g物质吸收物质吸收100尔格的能量。故尔格的能量。故1Gy100rad。p等效剂量：等效剂量：辐射引起的生物效应及其严重程度不仅取决于辐射引起的生物效应及其严重程度不仅取决于能量沉积，还取决于辐射的种类。定义：能量沉积，还取决于辐射的种类。定义：WR与辐射类型及能量有关的与辐射类型及能量有关的因子，单位因子，单位1Sv=1 J/kg42辐射权重因子辐射权重因子辐射类型辐射类型辐射能量辐射能量WR光子光子电子和介子电子和介子中子中子质子（反冲质子除外）质子（反冲质子除外）粒子、裂变碎片、重核粒子、裂变碎片、重核所有能量所有能量所有能量所有能量100keV2MeV2MeV-20MeV20MeV2MeV1151020105520431-2 带电粒子探测的基本原理带电粒子探测的基本原理p粒子探测粒子探测主要是指主要是指 记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、动量、飞行方向等）。质（能量、动量、飞行方向等）。p根据粒子的带电性质分类根据粒子的带电性质分类1.带电粒子带电粒子：、p、e、等等2.电磁辐射：电磁辐射：x射线、射线、射线射线3.中性粒子：中性粒子：n、0、0、等等44一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用 1.电离和激发电离和激发p入射带电粒子与物质原子的轨道电子发生库仑相互作用而入射带电粒子与物质原子的轨道电子发生库仑相互作用而损失能量，轨道电子获得能量。损失能量，轨道电子获得能量。当电子获得能量足以克服当电子获得能量足以克服原子核的束缚，则原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离。电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳层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，电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，同时放出特征同时放出特征x x射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。p当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由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。这就是电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发原子的激发。处于激。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，这就是退激基态，这就是退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发退激时，释放的能量以荧光的形式发射出来。射出来。45Particles can only be detected if they deposit energy in matter.How do they lose energy in matter?Interaction of charge particlesclassical462.2.带电粒子能量的电离损失带电粒子能量的电离损失p电离损失电离损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致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。原子电离或激发，是粒子损失动能的主要方式。p电离损失电离损失通常把某种物质中粒子通过单位长度所损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，用为该物质对这种粒子的阻止本领，用 表示。表示。大，表明这种粒子在该物质中的电离本领大，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。物质对这种粒子的阻止本领大。pBethe-Bloch公式公式单位体积吸收物质的电子数目，单位体积吸收物质的电子数目，即吸收物质的电子密度。即吸收物质的电子密度。阻止系数，对重带电粒子和电子阻止系数，对重带电粒子和电子B不同。不同。电子的静止质量电子的静止质量zeze、v v是入射粒子的电荷和速度是入射粒子的电荷和速度47Energy transfer:I dE Tmax,I:mean excitation potential II0Z,I0=10eVRelativistic rise:ln 2 term Relativistic rise cancelled at high by“density effect”.Parametrized by Fermi plateauBethe-Bloch formula48一个有用的常数一个有用的常数在入射粒子能量较低时在入射粒子能量较低时Bethe-Bloch公式公式 计算时，能损通常使用的单位是，相应的单位为，计算时，能损通常使用的单位是，相应的单位为，代表面质量密度代表面质量密度为物质密度（单位：g/cm3），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。49p小结小结1 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。关。电荷和速度相同的粒子在同一种物质中电离损失相同。电荷和速度相同的粒子在同一种物质中电离损失相同。2）电离损失与入射粒子的电荷数电离损失与入射粒子的电荷数z2成正比。成正比。3）电离损失与粒子速度有关，）电离损失与粒子速度有关，在在 区间，区间，目前尚无令人满意的理论解释，只能依赖唯象拟合公式。目前尚无令人满意的理论解释，只能依赖唯象拟合公式。4 4）对于能量很低的粒子，当其运动速度与原子中电子的速度）对于能量很低的粒子，当其运动速度与原子中电子的速度相当时，公式不再适用。当粒子运动速度相当时，公式不再适用。当粒子运动速度 （为精细结构常数）时，能损正比于为精细结构常数）时，能损正比于 5）对对 ，Bethe-Bloch公式均可适用。公式均可适用。在非相对论在非相对论性速度时，与性速度时，与v2成反比。成反比。506）随着入射粒子能量的增加，）随着入射粒子能量的增加，电离损失很快减小，当电离损失很快减小，当1，电离损失达到一个很宽范围的极小值区域。这个极小值，电离损失达到一个很宽范围的极小值区域。这个极小值区域最低点在区域最低点在34附近附近，且与介质无关。大多数相对，且与介质无关。大多数相对论性粒子的能量损失与这个最低点的值很接近。称论性粒子的能量损失与这个最低点的值很接近。称最小值最小值处的能量损失为最小电离，把能量损失为最小值的粒子称处的能量损失为最小电离，把能量损失为最小值的粒子称为最小电离粒子为最小电离粒子(Minimum Ionizing Particles或或MIP)。7）在）在4后能量损失又开始缓慢上升，称作后能量损失又开始缓慢上升，称作相对论上升。相对论上升。8）随着能量继续增加随着能量继续增加，由于原子核外电子电荷密度的屏蔽，由于原子核外电子电荷密度的屏蔽效应，效应，能量损失趋于饱和能量损失趋于饱和，物质中沉积的能量接近一个常，物质中沉积的能量接近一个常数，称作数，称作费米坪费米坪。51p 能量歧离能量歧离 单能带电粒子束单能带电粒子束穿过一定厚度的吸穿过一定厚度的吸收体之后发生能量收体之后发生能量离散。这种能量分离散。这种能量分布的宽度是能量歧布的宽度是能量歧离的量度，它随沿离的量度，它随沿粒子径迹的距离而粒子径迹的距离而变。变。52 射线即电子流，带有负电，其质量很小，因射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，所以其径迹此在运行中容易被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在在 射线径迹的末端，电离密度最大，这是射线径迹的末端，电离密度最大，这是由于此时电子能量已显著降低，速度减慢由于此时电子能量已显著降低，速度减慢,与靶与靶物质原子作用几率加大物质原子作用几率加大,单位距离内形成的离子单位距离内形成的离子对增多。对增多。射线的射线的射程长短取决于电子能量的大小。射程长短取决于电子能量的大小。p 射线与物质的作用射线与物质的作用53p电离损失的分布电离损失的分布 在厚度为在厚度为 x x的介质中，入射粒子的平均电离损的介质中，入射粒子的平均电离损失为失为 当当介质厚度较厚介质厚度较厚时，电离损失分布接近时，电离损失分布接近高斯分高斯分布布；当；当介质很薄介质很薄时，电离损失分布很宽，不对称，时，电离损失分布很宽，不对称，在能量大的区域有很长的尾巴在能量大的区域有很长的尾巴朗道分布朗道分布。因。因为有能量很高的为有能量很高的 电子电子产生。产生。p 电子电子 入射带电粒子与介质相互作用能量损失过程中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的电子，它可以继续与其因碰撞而击出能量很高的电子，它可以继续与其他介质原子相互作用。他介质原子相互作用。543.韧致辐射（韧致辐射（Bremsstrahlung）p韧致辐射韧致辐射当入射带电粒子与介质原子的最近距离当入射带电粒子与介质原子的最近距离比原子半径比原子半径10-8cm小，而又比核半径小，而又比核半径10-13cm大大时，在核库仑场中受到库仑散射，使其运动减速，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，并伴随弱的电磁辐射。轨迹发生偏转，并伴随弱的电磁辐射。p韧致辐射能量损耗韧致辐射能量损耗 当当Emec2时时 当当E137mec2 Z-1/3时时55p辐射长度辐射长度X0：则则p初始能量为初始能量为E0的电子穿过厚度为的电子穿过厚度为x(g.cm-2)的介质后的介质后的平均能量为的平均能量为p当介质厚度当介质厚度x=X0时，电子在介质中因辐射损失而使时，电子在介质中因辐射损失而使能量减低到初始能量的能量减低到初始能量的1/e，称，称X0为介质的辐射长度为介质的辐射长度。p当介质为化合物或混合物时，有：当介质为化合物或混合物时，有：Xi第第i种成分的辐射长度，种成分的辐射长度，wi第第i种成分的权重因子，种成分的权重因子，重量百分比。重量百分比。56p临界能量临界能量Ec：快速带电粒子在介质中通过一个辐射长度快速带电粒子在介质中通过一个辐射长度后仅由电离而损失的能量称为该介质的临界能量。后仅由电离而损失的能量称为该介质的临界能量。对电子对电子 EEc，韧致辐射损失为主韧致辐射损失为主 Ec/n时就会产生时就会产生切伦科夫辐射。切伦科夫辐射。p产生机理产生机理：介质原子或分子的极化与退极化；介质原子或分子的极化与退极化；电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。p产生条件：产生条件：（1）快速带电粒子做匀速运动，且）快速带电粒子做匀速运动，且（2）均匀透明的介质均匀透明的介质（3）满足）满足 在与粒子运动方向成在与粒子运动方向成 角的角的 方向上电磁辐射相干加强，才能观测到方向上电磁辐射相干加强，才能观测到。59p 切伦科夫辐射的特点切伦科夫辐射的特点（1 1）切伦科夫辐射角）切伦科夫辐射角（2 2）阈速度）阈速度（3 3）阈动能）阈动能（4 4）最大辐射角）最大辐射角（5 5）有连续的可见光）有连续的可见光605.穿越辐射穿越辐射p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当带电粒子能量很高时穿越两种介电常数不同的介质交界面时发生的辐射。同的介质交界面时发生的辐射。p带电粒子穿越两种介质时，在不同介质中建立的电磁带电粒子穿越两种介质时，在不同介质中建立的电磁场是不同的，在穿越界面的瞬间出现的电磁场的改变，场是不同的，在穿越界面的瞬间出现的电磁场的改变，导致了导致了X X光的辐射。光的辐射。p常用材料常用材料是苯乙烯和类似的介质。是苯乙烯和类似的介质。p典型的发射角典型的发射角p辐射光谱辐射光谱从可见光到从可见光到X X光区。光区。61p穿越辐射的形成区厚度穿越辐射的形成区厚度 EP介质中等离子体能量，介质中等离子体能量，E 穿越辐射光子能量穿越辐射光子能量由于饱和效应，由于饱和效应，最大形成区厚度最大形成区厚度:p穿越辐射总能量穿越辐射总能量正比于入射粒子能量，正比于正比于入射粒子能量，正比于 E/m。根据穿越辐射总能量的差别可以鉴别相对论性粒子。根据穿越辐射总能量的差别可以鉴别相对论性粒子。p由于由于穿越辐射很弱穿越辐射很弱，用多层介质叠起来使用。，用多层介质叠起来使用。626.同步辐射同步辐射（Syncrotron Radiation）p同步辐射同步辐射电子在磁场中偏转时相当于受到加速而发出的电子在磁场中偏转时相当于受到加速而发出的辐射称为同步辐射。辐射称为同步辐射。p辐射能量辐射能量电子在磁场中偏转的轨道曲率半径为电子在磁场中偏转的轨道曲率半径为，则一，则一个相对性单能电子每转一圈辐射的能量个相对性单能电子每转一圈辐射的能量p电子的同步辐射比相同动量的重粒子的严重得多电子的同步辐射比相同动量的重粒子的严重得多。电子。电子和质子的同步辐射能量损失之比为和质子的同步辐射能量损失之比为63p电子的能量越高，同步辐射越显著。电子的能量越高，同步辐射越显著。p具有连续的能谱。具有连续的能谱。p在电子回旋的轨道平面内，辐射能量主要是沿切在电子回旋的轨道平面内，辐射能量主要是沿切线方向，平均辐射角线方向，平均辐射角p同步辐射作为新一代光源，具有以下优点：同步辐射作为新一代光源，具有以下优点：（1 1）功率大）功率大（2 2）单色性好）单色性好（3 3）流强连续可调）流强连续可调64 射线即氦核组成的粒子流，由射线即氦核组成的粒子流，由2 2个质子和个质子和2 2个中子组成，故带有个中子组成，故带有2 2个正电荷，质量数为个正电荷，质量数为4 4，比电子质量大约比电子质量大约80008000倍。倍。粒子在组织中通过粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故射线由外照射对机体不会产生严重危害。射线由外照射对机体不会产生严重危害。但若但若放射性核素进入人体内时，由于其放射性核素进入人体内时，由于其电离密度较大，造成的损伤非常严重。此外，电离密度较大，造成的损伤非常严重。此外，放射性治疗中用快中子或负放射性治疗中用快中子或负介子照射组织时，介子照射组织时，在组织中将产生在组织中将产生粒子，对杀伤癌细胞将起重粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。要作用。射线与物质的作用射线与物质的作用65 快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能加速器还可将带电重粒子加速，使其具有很强的穿透能加速器还可将带电重粒子加速，使其具有很强的穿透能力。例如，质子、氦核、负能力。例如，质子、氦核、负介子等可在人体数厘米深介子等可在人体数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用。处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用。关于负关于负介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注。负关注。负介子属于亚原子粒子介子属于亚原子粒子,其质量为电子的其质量为电子的276倍倍,电荷同电子。由同步回旋加速器将质子加速到极高能量电荷同电子。由同步回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轰击石墨或铅靶时产生负负介子介子。当其穿。当其穿入人体组织被碳、氧、氢等原子核捕获，释放入人体组织被碳、氧、氢等原子核捕获，释放粒子、中粒子、中子和质子，产生高密度电离作用，子和质子，产生高密度电离作用，杀死癌细胞杀死癌细胞。带电重粒子带电重粒子与物质的作用与物质的作用66二、射程二、射程p射程射程带电粒子在某种物质中运动到最后静止所经过的距带电粒子在某种物质中运动到最后静止所经过的距离，用离，用R表示。表示。能量大质量小的粒子在电子密度小的吸收物质中的射程长。能量大质量小的粒子在电子密度小的吸收物质中的射程长。p平均射程平均射程使带电粒子计数下降到正好是没有吸收体时的使带电粒子计数下降到正好是没有吸收体时的带电粒子计数一半的吸收体厚度，用带电粒子计数一半的吸收体厚度，用R0表示。表示。p外推射程外推射程吸收曲线的下降直线部分延长与吸收曲线的下降直线部分延长与X轴相交对应轴相交对应的射程，的射程，用用R外推外推表示。表示。p等效射程等效射程Rm=R，单位单位g/cm2，吸收物质密度吸收物质密度67p 射程歧离射程歧离：初始能量相同的单个粒子的路径长初始能量相同的单个粒子的路径长度的涨落。度的涨落。p 在薄吸收体中的能量损失在薄吸收体中的能量损失 吸收体厚度68p能量相同的同一种重粒子在给定的物质中具有基能量相同的同一种重粒子在给定的物质中具有基本相同的固定射程。本相同的固定射程。p 粒子径迹粒子径迹69p射程与粒子能量关系射程与粒子能量关系（经验公式）（经验公式）在标准状态空气中在标准状态空气中 质子质子 粒子粒子4MeV E 11MeV，精度精度1%;11MeV E 15MeV，精度精度4%p实验表明不同物质的实验表明不同物质的 近于常数近于常数p射程表达为动能和质量的函数射程表达为动能和质量的函数707172三、带电粒子通过介质时的多次库仑散射三、带电粒子通过介质时的多次库仑散射p库仑散射库仑散射当入射粒子与介质原子的最近距离小于原子半当入射粒子与介质原子的最近距离小于原子半径径(10-8cm)时，受介质原子核库仑场作用，运动轨迹发生时，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。偏转，这种现象称为库仑散射。pRutherford散射公式散射公式 对小角度散射截面很大。带电粒子穿过厚的介质时将发对小角度散射截面很大。带电粒子穿过厚的介质时将发生多次小角度库仑散射。这些小角度散射是彼此独立的，生多次小角度库仑散射。这些小角度散射是彼此独立的，粒子穿过整个介质层最终的偏转角是这些小角度散射的粒子穿过整个介质层最终的偏转角是这些小角度散射的总效果。总效果。73p多次库仑散射的分布多次库仑散射的分布可以由可以由Molliere理论描述。理论证理论描述。理论证明对小角度散射其分布近似为高斯分布，较大角度偏明对小角度散射其分布近似为高斯分布，较大角度偏转为转为Rutherford散射。散射。74p经验公式经验公式 Es常数能量常数能量 要减少散射本底，应选用原子系数低的材料做要减少散射本底，应选用原子系数低的材料做放射源衬托、支架和屏蔽室的内层材料。放射源衬托、支架和屏蔽室的内层材料。P、v入射粒子动量和速度入射粒子动量和速度 Z、t、X0介质的原子系数、介质的原子系数、厚度和辐射长度。厚度和辐射长度。75小结小结p带电粒子与物质原子的相互作用主要是带电粒子与物质原子的相互作用主要是与物质与物质原子的核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子原子的核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子的电离或激发，是带电粒子通过物质时损失能的电离或激发，是带电粒子通过物质时损失能量的主要方式。量的主要方式。p利用电离或激发效应来记录入射粒子是绝大多利用电离或激发效应来记录入射粒子是绝大多数探测器的物理基础。它们的差别在于记录方数探测器的物理基础。它们的差别在于记录方式不同，大致分为三类：式不同，大致分为三类：（1 1）收集电离电荷的探测器）收集电离电荷的探测器主要收集电离效应主要收集电离效应产生的大量正负离子，记录它们的电荷所形成产生的大量正负离子，记录它们的电荷所形成的电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当的电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当的工作电压，形成电场以有效收集电荷的工作电压，形成电场以有效收集电荷。如气。如气体探测器、半导体探测器体探测器、半导体探测器。76（2 2）收集荧光的探测器，）收集荧光的探测器，被带电粒子激发的原子退被带电粒子激发的原子退激时发出荧光。激时发出荧光。由于荧光很弱，需要通过一定的由于荧光很弱，需要通过一定的转换放大，即把光脉冲转换成较大的电脉冲转换放大，即把光脉冲转换成较大的电脉冲光电倍增管。如闪烁计数器等。光电倍增管。如闪烁计数器等。（3 3）利用离子集团作为径迹中心的探测器）利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探，径迹探测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室等。测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室等。（4 4）收集切伦科夫辐射的探测器）收集切伦科夫辐射的探测器，切伦科夫探测器。，切伦科夫探测器。（5 5）收集记录穿越辐射的探测器）收集记录穿越辐射的探测器，穿越辐射探测器。，穿越辐射探测器。p韧致辐射和同步辐射是附加产物，对高能电子探韧致辐射和同步辐射是附加产物，对高能电子探测器必须考虑它们的影响。测器必须考虑它们的影响。771-3 射线的探测射线的探测p 射线与物质的相互作用主要有三个过程：射线与物质的相互作用主要有三个过程：光电光电效应效应、ComptonWu效应和电子对产生。效应和电子对产生。p 射线穿过物质时其强度按指数衰减规律衰减射线穿过物质时其强度按指数衰减规律衰减 I0入射入射 光子束强度，光子束强度，为为 物质对物质对 光子的吸收衰减系光子的吸收衰减系 数，数，x为物质厚度。为物质厚度。若若=/，t=x 质量质量 厚度，厚度，为光子的质量为光子的质量 衰减长度或光子的平衰减长度或光子的平 均自由程，则均自由程，则78p 射线与物质发生三重相互作用都具有一定的射线与物质发生三重相互作用都具有一定的几率，用截面几率，用截面 表示。表示。p定义：定义：表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生作用的几率，单位靶恩（发生作用的几率，单位靶恩（b b）1b=10-24cm2发生作用光子数（发生作用光子数（s1 cm2）靶物质原子数（靶物质原子数（cm2）入射光子数入射光子数入射光子数入射光子数（s1 cm2）79一、光电效应一、光电效应p光电效应光电效应低能低能 光光子子被介质原子吸收而放出电子的被介质原子吸收而放出电子的效应。效应。p光电子能量光电子能量 hv为入射为入射 光光子能量，子能量，Ei为第为第i壳层电子的结合能壳层电子的结合能p原子退激发时发射原子退激发时发射特征特征X X射线或俄歇电子。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80p光电子的角分布光电子的角分布光光电电子子的的角角分分布布与与入入射射X X光光子能量有关子能量有关能量低能量低 大角度分散大角度分散能量高能量高 小角度集中小角度集中（电离方向）（电离方向）81X射线谱射线谱 L限限K限限吸收限吸收限 吸收限吸收限光子能量光子能量光光电电质质量量衰衰减减系系数数X射线谱射线谱X射线吸收限射线吸收限82p 射线与物质原子发生光电效应的总截面射线与物质原子发生光电效应的总截面 1 1）重元素的光电效应比轻元素强得多；重元素的光电效应比轻元素强得多；2 2）低能）低能 射线射线比高能比高能 射线强得多；射线强得多；3 3）当）当 射线能量接近电子的结合能射线能量接近电子的结合能时，光电效应截面最大。时，光电效应截面最大。光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用.83二、康普顿吴有训效应二、康普顿吴有训效应 光子与原子外层电子作用光子与原子外层电子作用,可看作在自由电子上的散射可看作在自由电子上的散射。Compton wavelength84p 根据能动量守恒根据能动量守恒p散射光子能量散射光子能量p反冲电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85p反冲角和散射角之间关系反冲角和散射角之间关系 86pCompton-Wu效应的散射截面效应的散射截面Compton wavelength87Compton-Wu散射反冲电子能谱散射反冲电子能谱88(3).(3).散射光子和反冲电子的角分布散射光子和反冲电子的角分布89三、电子对效应三、电子对效应p电子对效应：电子对效应：光子从原子核旁经过，光子从原子核旁经过，当当 光子能量超光子能量超过过2 2个电子静止质量之和即个电子静止质量之和即1.02MeV1.02MeV时，时，在原子核库仑在原子核库仑场作用下，场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射之和等于入射 光子能量。光子能量。p对一定能量的入射对一定能量的入射 光子电子对效应产生的正负电子的光子电子对效应产生的正负电子的动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从0 02m2me ec c2 2都有可能，动能分配是任意的。入射都有可能，动能分配是任意的。入射 光子能量越光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾大，正负电子的发射方向越前倾。入射光子原子核正负电子对EE+E-e+e-90p 电子对效应与湮灭辐射电子对效应与湮灭辐射91p电子对湮灭电子对湮灭 电子对效应产生的正负电子在吸电子对效应产生的正负电子在吸收物质中通过电离损失和韧致辐射损失能量。收物质中通过电离损失和韧致辐射损失能量。正电子很快被慢化。正电子与物质的电子相互正电子很快被慢化。正电子与物质的电子相互作用转化为两个光子的现象称作电子对湮灭。作用转化为两个光子的现象称作电子对湮灭。p发生湮灭时，能动量守恒发生湮灭时，能动量守恒。正负电子动能为。正负电子动能为0 0，所以两个湮灭光子的总能量等于正负电子的静所以两个湮灭光子的总能量等于正负电子的静止质量。止质量。湮灭前正负电子总动量为湮灭前正负电子总动量为0 0，湮灭后两个光子总动量也为湮灭后两个光子总动量也为0 0。p电子对效应的截面电子对效应的截面92 A.相干散射相干散射四、四、X(X()线与物质作用的其他过程线与物质作用的其他过程 射线与物质相互作用而产生干涉射线与物质相互作用而产生干涉(衍射衍射)的散的散射过程叫相干散射。比如射过程叫相干散射。比如X X线对镍晶体衍射产线对镍晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象生的劳厄斑就是相干散射现象.相干散射是唯一不产生电离的过程。相干散射是唯一不产生电离的过程。光子与原子核作用发生核反应的过程。比如光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、释放中子、质子、粒子和粒子和光子等。光子等。B.B.光核作用光核作用93p光电效应、康普顿效应是光电效应、康普顿效应是 光子与核外电子的作用结果，光子与核外电子的作用结果，电子对效应是电子对效应是 光子与原子核电磁场的作用结果。光子与原子核电磁场的作用结果。三种效三种效应相互竞争，可能同时存在。应相互竞争，可能同时存在。p三种效应的相对重要性三种效应的相对重要性 对低能对低能 射线和原子序数高的物质光电效应占优势；射线和原子序数高的物质光电效应占优势；对中能对中能 射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势；射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势；对高能对高能 射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。小结小结94在三种效应中，每个在三种效应中，每个 光子都是在一次作用中就损失其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些电子使得探测 射线成为可能。射线成为可能。光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量单一，光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量单一，因此因此 射线探测器的物质应选用射线探测器的物质应选用Z Z尽可能大的材料。尽可能大的材料。95五、五、X(X()射线的吸收射线的吸收 当当 线通过物质时，由于光电效应、康线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度逐渐减弱。强度逐渐减弱。96p 射线的吸收射线的吸收吸收系数吸收系数97A A、单能单能线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律(1)窄束窄束线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律98光子数表示则满足光子数表示则满足 光子数光子数减少但频减少但频率不变！率不变！（=0.2 cm-1)99(2)宽束宽束线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律积累因子积累因子:某物质元中某物质元中光子计数率与未碰撞光子计数率与未碰撞物质的物质的光子计数率之光子计数率之比比 B。Ns:物质元散射物质元散射光子计数率光子计数率Nn:入射入射光子计数率光子计数率B是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量宽束宽束线的衰减规律线的衰减规律B可以通过泰勒级数展开近似计算求得可以通过泰勒级数展开近似计算求得：1001-4 中子的探测中子的探测p中子与物质相互作用主要是中子与原子核的强相互中子与物质相互作用主要是中子与原子核的强相互作用，即核反应。探测中子就是探测中子与原子核作用，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的次级粒子。发生核反应产生的次级粒子。p中子不带电，不受库仑斥力影响，容易进入原子核中子不带电，不受库仑斥力影响，容易进入原子核发生核反应。发生核反应。p不同能量中子的探测原理核探测器不同。不同能量中子的探测原理核探测器不同。p中子能量的区分：中子能量的区分：（1 1）热中子）热中子（2 2）慢中子）慢中子（3 3）中能中子）中能中子（4 4）快中子）快中子101 中子不带电，通过物质时，只有在与原子核直接碰撞中子不带电，通过物质时，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，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。在中子与质子而快中子与原子核主要发生弹性碰撞。在中子与质子(氢核氢核)的一次碰撞中的一次碰撞中,中子的部分能量传给质子中子的部分能量传给质子,产生反冲质子产生反冲质子,这种带正电重粒子在组织中速度很快下降这种带正电重粒子在组织中速度很快下降,引起高密度电引起高密度电离作用。离作用。中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生作用可引起非弹性散射产生射线。此外射线。此外,中子与物质的中子与物质的原子核作用还会产生核反应原子核作用还会产生核反应,在反应过程中释放带电重粒在反应过程中释放带电重粒子、子、光子或产生放射性核素。光子或产生放射性核素。p 中子中子与物质的作用与物质的作用102一、核反冲一、核反冲法法p核反冲法核反冲法是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。这减弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。这减少的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，少的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，该核称作该核称作反冲核反冲核。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子记录。记录。记录了反冲核，就探测到中子记录了反冲核，就探测到中子。p该方法主要用于探测快中子。该方法主要用于探测快中子。p由能动量守恒，由能动量守恒，对对En30MeVEn00的反应，放热反应；的反应，放热反应；Q Q值值00的反应，吸热反应。的反应，吸热反应。105p目前应用最多的三种核反应：目前应用最多的三种核反应：都是放热反应，反应放出的能量变成次级粒子的动能。都是放热反应，反应放出的能量变成次级粒子的动能。0 0是热中子的反应截面，都很大。是热中子的反应截面，都很大。p截面变化的速度反比定律截面变化的速度反比定律 中子能量小于中子能量小于1KeV1KeV的的 很大范围内，反应截面很大范围内，反应截面 与中子速度成反比。与中子速度成反比。106p实际应用最广的是实际应用最广的是 反应。因为反应。因为硼材料比较容易得到，气态可选用硼材料比较容易得到，气态可选用BF3气体，固气体，固态有氧化硼、碳化硼等。天然硼中态有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B 含量较高，含量较高，易浓缩。中子与易浓缩。中子与 10B 反应有两个过程：反应有两个过程：107三、核裂变法三、核裂变法p核裂变法核裂变法就是通过记录中子与重核作用产生的裂变碎就是通过记录中子与重核作用产生的裂变碎片来探测中子的方法。片来探测中子的方法。p探测不同能量的中子选用不同的裂变材料探测不同能量的中子选用不同的裂变材料 对热中子和慢中子选对热中子和慢中子选235U(=528b)，239Pu(=743b)，233U(=531b)。裂变时放出能量很大，大约是裂变时放出能量很大，大约是200 MeV，两个裂变碎片两个裂变碎片共带走共带走170MeV的能量。入射中子能量的能量。入射中子能量远小于它，故远小于它，故该法不能测量中子能量，主要测量中子该法不能测量中子能量，主要测量中子通量。通量。p核裂变法特点核裂变法特点是放出反应能很大，所以是放出反应能很大，所以 本底对测量没本底对测量没有影响，可以有影响，可以在强在强 本底下测量中子。本底下测量中子。p许多重核只有在入射中子能量大于某个阈值后才能发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。生裂变。利用一系列不同阈能的裂变元素来判断中子利用一系列不同阈能的裂变元素来判断中子的能量，这种探测器称为的能量，这种探测器称为阈探测器。阈探测器。108常用裂变阈探测器材料特性常用裂变阈探测器材料特性裂变材料裂变材料热中子裂变热中子裂变截面（截面（mb)阈能阈能（MeV）3MeV时裂变时裂变截面（截面（mb)半衰期（半衰期（y)232Th231Pa234U236U238U237Np209Bi0.2100.6 Ec时，粒子以辐射损失能量为主时，粒子以辐射损失能量为主 E 1000 GeV)Electromagnetic Shower辐射长度辐射长度Xo：高能电子由于韧致辐射损失能量，其平均能量高能电子由于韧致辐射损失能量，其平均能量减小到原初能量的减小到原初能量的1/e1/e时所通过介质的平均厚度。时所通过介质的平均厚度。近似有近似有115p电磁簇射能量沉积电磁簇射能量沉积的平均纵向发展分布可用的平均纵向发展分布可用 amma分布分布描述描述 簇射极大值位置簇射极大值位置p电磁簇射的横向发展电磁簇射的横向发展 用莫里埃（用莫里埃（Moliere）半径来描述。半径来描述。在混合物中在混合物中116二、强子簇射二、强子簇射（Hadron Shower）高能强子通过介质，与介高能强子通过介质，与介质原子核发生强相互作用，质原子核发生强相互作用，产生多个次级强子产生多个次级强子,高能高能次级强子继续相互作用，次级强子继续相互作用，产生更多的次级粒子：强产生更多的次级粒子：强子、电子、子、电子、光子、中子、光子、中子、子、中微子、核碎片等，子、中微子、核碎片等，其中大多数是其中大多数是 介子和核介子和核子，约消耗原初粒子能量子，约消耗原初粒子能量的一半。的一半。117Various processes involved.Much more complex than electromagnetic cascades.Hadronic cascades118Hadron ShowerThe interaction of energetic hadrons(charged or neutral)with matter is determined by inelastic nuclear processes.Excitation and finally break-up of nucleus nucleus fragments production of secondary particles.Hadronic absorption lengthHadronicinteractionlength neutron induced fission En Eth 1/40 eV inelastic reactions hadronic cascades En 1 GeV119Material Z A X0(cm)I(cm)Lead 82 207 0.56 17.1Copper 29 63.5 1.44 15.1Iron 26 56 1.77 16.8Silicon 14 28 9.4 45.5Al 13 27 8.9 39.4C 6 12 19 38.1He(gas)2 4 5.3E5 3.6E5120