核物理基础与辐射防护.ppt

第五章 射线与物质的相互作用,Radiation Interactions with Matter,5.1 概述,1、什么是射线？,射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。,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。,本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。,2、射线与物质相互作用的分类,3、弹性碰撞与非弹性碰撞,为内能项,弹性碰撞（即动能守恒）,非弹性碰撞（即动能不守恒）,为第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基态的核碰撞，且使核激发；,为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发态的核碰撞，且使其退激。,4、带电粒子在靶物质中的慢化,载能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：,(1)电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程,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，自身损失能量，称为电离损失。,电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。,激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态。,(2)、辐射损失与原子核的非弹性碰撞过程,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。,当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。,尤其对粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。,(3)、带电粒子与靶原子核的弹性碰撞,带电粒子与靶原子核的库仑场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总动能不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。,弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转。,核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，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。,这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。,(4)、带电粒子与核外电子的弹性碰撞,受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还小，电子的能量状态没有变化。实际上，这是入射粒子与整个靶原子的相互作用。,这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的粒子方需考虑,其它情况下完全可以忽略掉。,5.2 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,重带电粒子均为带正电荷的离子；,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)。,按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”。,对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，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(Bethe 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等关系的经典公式。,(1)与带电粒子质量M无关，仅与其速度v和电荷数z有关。,(2)与带电粒子的电荷z的关系；,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。,(4)，吸收材料密度大，原子序数高的，阻止本领大。,z入射粒子电荷数，v入射粒子速度，m0为电子静止质量，N靶物质单位体积的原子数，Z靶物质原子的原子序数，I靶物质平均等效电离电位。,2009-05-30,13,3、重带电粒子在物质中的射程,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。,入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程（Path)。,路程 射程,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。,若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：,射程往往通过实验测定。,入射粒子能量高，其射程长；反之则短。,2009-05-30,14,5.3 快电子与物质的相互作用,快电子与物质相互作用的特点：,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。,重带电粒子相对速度小；,重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；,重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。,1、快电子的能量损失率,对快电子，必须考虑相对论效应的电离能量损失和辐射能量损失。,电子电离能量损失率的Bethe公式：,2009-05-30,15,辐射能量损失：,辐射能量损失率：,量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：,2009-05-30,16,讨论：,：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。,：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。,2009-05-30,17,对电子，其辐射能量损失率为：,电子的两种能量损失率之比：,E的单位为MeV,探测学中所涉及快电子的能量E 一般不超过几个MeV，所以，辐射能量损失只有在高原子序数(大Z)的吸收材料中才是重要的。,2009-05-30,18,2、快电子的吸收与射程,电子的运动径迹是曲折的。,电子的射程和路程相差很大。,电子的射程比路程小得多。,2009-05-30,19,1)单能电子的吸收与粒子吸收的差别,由于单能电子和粒子易受散射，其吸收衰减规律不同于粒子。但均存在最大射程 Rmax。,对单能电子，初始能量相等的电子在各种材料中的射程与吸收体密度的乘积近似为常数：,质量厚度表示的射程,单位为：,单能电子在吸收介质中的射程Rm(mg/cm2)与其能量E(MeV)之间的关系(经验公式)：,2009-05-30,20,对粒子，当吸收介质的厚度远小于 时，粒子的吸收衰减曲线近似服从指数规律：,为吸收体的吸收系数,t 为吸收体的厚度,m为吸收体的质量吸收系数,tm 为吸收体的质量厚度,2009-05-30,21,射线在铝中的射程：,当 时，,当 时，,其它典型物质中射线的射程：Ge：REmax，(mm,MeV)Al：R2Emax，(mm,MeV)Air：R400Emax，(cm,MeV),对比：4MeV 在空气中的射程约为2.5cm。,2009-05-30,22,2)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，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。,2009-05-30,23,反散射的利用与避免,1)对放射源而言，利用反散射可以提高源的产额。,2)对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。,给源加一个高Z厚衬底。,使用低Z材料作探测器的入射窗和探测器。,2009-05-30,24,3、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。,高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮没，放出光子。或者，它与一个电子结合成正电子素，即电子正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。,正电子的特点是：,正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射。,正电子湮没时放出的光子称为湮没光子。,2009-05-30,25,正电子湮没时一般放出两个光子，放出三个光子的概率仅为放出两个光子概率的0.37。,从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，两个湮没光子的总能量应等于正、负电子的静止质量。即：,从动量守恒出发：湮没前正、负电子的总动量为零，则，湮没后两个湮没光子的总动量也应为零。即：,因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。,2009-05-30,26,探测学中射线含义电磁辐射,5.4 射线与物质的相互作用,2009-05-30,27,特点：,光子是通过次级效应(一种“单次性”的随机事件)与物质的原子或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，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。,射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面这个物理量来表示作用概率的大小。而且，总截面等于各作用截面之和，即：,2009-05-30,28,1、光电效应,射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子)，而光子本身消失的过程，称为光电效应。,光电效应是光子与原子整体相互作用，而不是与自由电子发生相互作用。因此，光电效应主要发生在原子中结合的最紧的 K层电子上。,光电效应发生后，由于原子内层电子出现空位，将发生发出特征X射线或俄歇电子的过程。,1)光电子的能量,由能量守恒：,因此，光电子能量为：,2009-05-30,29,2)光电截面,入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。,理论上可给出的光电效应截面公式。,2009-05-30,30,，经典电子散射截面，又称Thomson截面。,2009-05-30,31,光电效应截面小结：,对于选择探测器的材料的提示：,对防护、屏蔽射线的提示：,(1)与吸收材料Z的关系,光子能量越高，光电效应截面越小。,(2)与射线能量的关系,采用高原子序数的材料，可提高探测效率。,采用高Z材料可以有效阻挡射线。,2009-05-30,32,3)光电子的角分布,光电子的角分布代表进入平均角度为 方向的单位立体角内的光电子数的比例。,相对于入射光子方向的角度。,2009-05-30,33,在不同出射方向光电子的产额是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是微分截面。,光电子角分布的特点：,(1)在 0 和 180 方向没有光电子飞出；,(2)光电子在哪一角度出现最大概率与入射光子能量有关；当入射光子能量低时，光电子趋于垂直方向发射，当光子能量较高时，光电子趋于向前发射。,2009-05-30,34,2、康普顿效应,康普顿效应是射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。,康普顿散射可近似为光子与自由电子发生相互作用（弹性碰撞）。康普顿效应主要发生在原子中结合的最松的外层电子上。,2009-05-30,35,1)反冲电子与散射光子的能量与散射角及入射光子能量之间的关系,光子的能量：,电子的动能：,光子的动量：,电子的动量：,相对论关系：,2009-05-30,36,由能量守恒,由动量守恒,可得到：,散射光子能量：,反冲电子能量：,反冲角：,2009-05-30,37,小结：,(1)散射角 0 时，,表明：入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。,(2)散射角 180 时，散射光子能量最小，而反冲电子能量最大。,(3)散射角 在0180之间连续变化；反冲角 在900相应变化。,2009-05-30,38,2)康普顿散射截面,入射光子与单个电子发生康普顿效应的截面称之为康普顿散射截面。,近似与光子能量成反比。,近似与入射光子能量无关，为常数。,2009-05-30,39,对整个原子的康普顿散射的总截面,Z 大，康普顿散射截面大；,入射粒子能量大，康普顿散射截面小。,康普顿散射截面与入射光子能量的关系比光电效应要缓和。,2009-05-30,40,其中,康普顿散射的微分截面,表示散射光子落在某方向单位立体角内的概率。,可由KleinNihsina公式给出：,2009-05-30,41,微分截面有时也用 表示,那么，和 什么关系？,2009-05-30,42,3)反冲电子的角分布和能量分布,为反冲电子落在方向单位立体角内的概率。,为反冲电子落在方向单位反冲角内的概率。,2009-05-30,43,为反冲电子落在Ee处单位能量间隔的概率。,反冲电子的能量分布，即反冲电子的能谱。,小结：,(1)任何一种单能射线产生的反冲电子的动能都是连续分布的。且存在最大反冲电子动能。,(2)在最大反冲电子动能处，反冲电子数目最多，在能量较小处，存在一个坪。,2009-05-30,44,3、电子对效应,电子对效应是当入射射线(光子)能量较高(1.022MeV)时，当它从原子核旁经过时，在核库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电子和一个电子的过程。,电子对效应除涉及入射光子与电子对以外，必须有第三者原子核的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的能量必须大于1.022MeV。,2009-05-30,45,1)正负电子的能量,由能量守恒：,因此，正负电子的总动能为：,总动能是在电子和正电子之间随机分配的，都可以从 取值。,由动量守恒，电子和正电子应沿着入射光子方向的前向角度发射。,2)正负电子的运动方向,而且，入射光子的能量越高，正负电子的发射方向越是前倾。,2009-05-30,46,3)电子对效应的截面,当：时：,电子对效应截面随Z的增加而增加，也随入射粒子的能量的增加而增加。,当：稍大于 时：,2009-05-30,47,4、其他作用过程,(1)相干散射Rayleigh散射，是低能光子与束缚电子间的弹性散射。其机制是电子在电磁辐射的作用下受迫振动变成电偶极子，向外辐射电磁辐射，入射光子频率不变，所以是弹性散射。而康普顿散射是非弹性散射。,(2)三产生当入射光子能量大于10MeV后，在电子对产生的同时，核外还会发射一个电子，即产生“一电子对”加“一反冲电子”。,2009-05-30,48,5、物质对射线的吸收,(1)窄束射线强度的衰减规律,为光子与吸收物质作用的截面；,N为吸收物质单位体积的原子数；,I0为射线入射强度；,D为吸收物质厚度。,2009-05-30,49,对上面的方程积分：,在tt+dt层内单位时间光子数的变化为：,等于在该层物质内单位时间发生的作用数。,光子束通过物质时的强度为：,其中：,2009-05-30,50,质量吸收系数：,质量厚度：,质量吸收系数与物质状态无关。,与带电粒子不同，射线没有射程的概念。窄束 射线强度衰减服从指数衰减规律，只有吸收系数及相应的半吸收厚度的概念。,(2)非窄束射线强度的衰减规律,积累因子,2009-05-30,51,5.5 中子与物质的相互作用,1、中子的分类,2)中能中子：1KeV0.5MeV。,1)慢中子：01KeV。包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。,3)快中子：0.5MeV10MeV。,4)特快中子：10MeV。,热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为0.0253eV，中子速度2.2103m/s.,2009-05-30,52,2、中子的性质,质量：mn1.008665u939.565300MeV/c2,自旋：sn1/2,费米子,电荷：0，中性粒子,磁矩：n1.913042N,中子寿命：发生衰变的半衰期T1/2=10.60min,2009-05-30,53,3、中子与物质的相互作用,1.中子的散射,1)弹性散射(n,n),中子不带电，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。,出射中子的动能：,反冲核的动能：,当反冲核为质子(氢核)时，Mm，上式变为：,当=0 时，反冲质子能量最大，Tp=Tn,2009-05-30,54,反冲质子在实验室座标系中的能量分布的概率密度函数为：,即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其反冲质子的能量分布是一个矩形，最大能量为Tn，最小为零。这个关系可用于快中子能谱测量。,2)非弹性散射(n,n),入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲，且使靶核处于激发态。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个特征光子，在核分析技术中有重要的应用。,2009-05-30,55,2.中子的俘获,1)中子的辐射俘获(n,),中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复合核通过发射一个或几个特征光子跃迁到基态。这些特征 光子不同于(n,n)的特征 光子。由于这些 光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发射线”，同样在核分析技术中有重要的应用。,复合核的形成。,当发生(n,)反应后，新形成的核素是放射性的，就是常说的“活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的注量率区分中子的能量范围。,2009-05-30,56,2)发射带电粒子的中子核反应,如(n,)，(n,p)等，这些反应在中子探测中应用很多，成为探测中子的主要手段。,如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高，在810MeV以上，只有特快中子才能发生。,3)裂变反应(n,f),4)多粒子发射,