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1、 射线与物质的相互作用,2.3,探测学中射线含义电磁辐射,特征射线：,湮没辐射：,核能级跃迁,正电子湮没产生,特征X射线：,原子能级跃迁,轫致辐射：,带电粒子速度或运动方向改变产生,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：,1、光电效应Photoelectric Effect,射线(光子)
2、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photoelectron)，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：,光电效应是光子与原子整体的相互作用，而不是与自由电子的相互作用。否则不能同时满足能量和动量守恒。,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
3、面公式。,，经典电子散射截面，又称Thomson截面。,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。,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。,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
4、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。,2、康普顿效应 Compton Effect,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。,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：,由能量守恒,由动量守恒
5、,可得到：,散射光子能量：,反冲电子能量：,反冲角：,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。,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。,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。,其中,康普顿散射的微分截
6、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：,微分截面有时也用 表示,那么， 和 什么关系？,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。,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。,3、电子对效应 Pair Production,电子对效应是当入射射线(光子)能量较高(1.022
7、MeV)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。,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。,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
8、增加而增加。,当： 稍大于 时：,4) 电子对效应的后续过程,正电子的湮没。,0.511MeV 的湮没辐射,正电子湮没,衰变,电子对效应,分析能谱时，若发现：,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”。,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
9、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。,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：,线性吸收系数,又称为宏观截面,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,2.4,中子的探测方法,2.4.1 中子的分类与性质,1、中子的分类,2) 中能中子：1KeV0.5MeV。,1) 慢中子：01KeV。包括冷中子、热
10、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.,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,2.4.2 中子源,1) 241Am-Be中子源。,属于(,n)型中子源。由241Am放射源放出的粒子，打在Be上发生反应，产生中子。,性能：中子产额2.2106/s.Ci,T1/2433年；,1、同位
11、素中子源,中子能量为0.111.2MeV，平均5MeV；,n/比(中子强度比)为10:1；,2) (,n)型中子源。,利用(,n)反应获得中子。,优点：中子能量单一； 缺点：中子产额低，装置体积大。,3) 自发裂变中子源,自发裂变中子源为超铀元素。以252Cf (锎)最常用。1克252Cf 发射中子率为2.311013个中子。半衰期：T1/2(自发裂变)85.5a，T1/2(衰变)2.64a。中子平均能量为2.2MeV。,2、加速器中子源,可以在相当宽的能区内获得单能中子源。,主要反应：,对放能反应，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，当入射氘核能量不高时( Td 200KeV )，
12、反应就可以有效进行，当90时，就可得到能量分别为2.5MeV和14MeV的单能中子。,3、反应堆中子源,宽中子能量：0.001eV十几MeV,高中子通量：,补充： 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。,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,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
13、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。,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
14、以用来测量中子流的注量率区分中子的能量范围。,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,2.4.3 中子探测的基本方法,中子探测的特点：,1) 中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的电离、激发。,2) 在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如，p，f 等，探测器记
15、录这些次级粒子并输出信号。,3) 中子与辐射体有较大的作用截面，以获得较大的中子探测效率。,1. 核反应法,主要的核反应有：,反应截面与中子能量的关系：,1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减小，因此核反应法适用于慢中子的测量，尤其是热中子的测量。,反应均为放热反应，反应能Q在生成核与出射粒子之间分配。由于反应能Q比较大，又主要用于慢中子探测，即：,故出射粒子能量难以反映慢中子的能量，因此，核反应法常用于中子注量率的测量。这时，Q大易于甄别去除本底信号。,探测介质中含有上述核素的气体探测器、闪烁探测器，或上述材料作为外辐射体的半导体探测器均可用核反应法进行中子探测。,2. 核反冲法,中子与靶
16、核的弹性碰撞产生反冲核。,主要发生在氢核上，常用含氢物质作为辐射体。反冲质子使探测介质电离、激发而产生输出信号。,反冲质子能量：,反冲质子数：,反冲质子的能谱为矩形分布。此法主要用于快中子的探测，尤其是快中子能量的测量。因此，探测介质中富含含氢物质的探测器，如含氢正比管、有机闪烁体等适用于核反冲法测量快中子能谱。,3. 核裂变法,中子与重核发生核裂变产生裂变碎片，裂变碎片是巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。通过测量碎片数，可求得中子注量率。,裂变碎片的总动能为150170MeV，形成的脉冲幅度比 本底脉冲幅度大得多，可用于强辐射场内中子的测量。,热中子可引起的核裂变核：233U，235U，239Pu。如2
