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1、粒子同固体相互作用物理学,第一章 绪论,1.1 引言,100年前的一个著名物理实验：,大家都学过物理，都知道这么这么一件事情：a离子轰击金箔，观察到背散射的现象，从而证实了原子核的存在，并由此建立了原子的有核结构模型，为微观世界的研究揭开了序幕。 可以这么说，带电粒子同物质相互作用的研究，揭开了原子世界的奥秘，为近代物理学奠定了基础。 人们对微观世界层次（也就是原子核内部和基本离子）的认识也是以此为开端。近代物理学上的许多重大成就，包括上面提到的卢瑟福背散射实验，都是从研究带电粒子的行为获得的。所以说带电粒子同物质相互作用的研究对近现代科学的发展功勋卓著。,时至今日，前一类加速器越造越大，粒子
2、速度也就是能量越来越高。 中科院高能所的电子对撞机：几百米；,欧洲：欧洲大型强子对撞机是世界最大的粒子加速器，建于瑞士和法国交界地区地下米深处、总长大约公里的环形隧道内，开足马力的对撞机能够确保数万亿粒子高速流过将近公里长的地下隧道，最高速度接近每秒万公里，相当于光速的。这时质子束每秒可在隧道内狂飙圈，单束能量达到万亿电子伏特，主要用于研究宇宙起源和各种基本粒子特性。）,为什么要用粒子束流技术？,中国的四大科学装置,高能所粒子对撞机 上海同步辐射光源 合肥同步辐射光源 兰州重离子加速器,所以继卢瑟福之后，高能物理学家们能采用更高能量的粒子束去轰击靶材，或与另一粒子束相撞，从粒子束的散射研究中来
3、探索有关基本粒子结构的信息。这反映了问题的一个方面，即基础研究越来越深入到微观世界更细微的层次。这到今天还远没有停止。,在向物质世界更微观层次进军的同时，在另一方面，昔日的基础研究不断向应用研究转化，促进一系列小型化、低能量、但有更大束流强度、更好的工业实用性的粒子加速器的出现和发展。,北京师范大学核科学与技术学院的离子束加工设备,原子核物理学家和其他领域的科学家们结合起来，利用核物理和小型粒子加速器这一工具，向原子分子物理，固体物理、材料科学、以及化学、生物学和医学、甚至艺术和考古学等方面渗透和发展，目前可以说绝大多数的低能加速器的研究重点已从核物理本身转移到与这些学科的交叉融合中。在这个过
4、程中，不仅大大地促进了这些学科的发展和进化，形成了一些生命力很强的交叉学科，而且把这些由实验核物理发展起来的现代科学技术直接为人类生产和生活服务，进一步推动现代科技的发展和跟新换代。 例如：原始的卢瑟福背散射技术已成为表征固体材料的一种标准方法，可以用来测定固体物质的成分，可以用来测定杂质原子在各种材料、尤其是半导体中的分布；同时还有其它一系列的建立在带电粒子与固体相互作用基础上的高灵敏和高效率的微探针等离子束分析方法，已广泛应用于各个科学技术领域。 而应用高压倍加器及其它低能加速器发展起来的离子注入技术更是在最近的半个世纪以来，推动了人类历史上最显著的的一次技术革命。 指的就是半个世纪以来高
5、速发展的半导体和集成电路技术乃至计算机革命。当然不是说离子注入技术是这些技术革命的唯一推动力，但离开了被称作三束技术的离子束、电子束和光子束，根本不可想象半导体生产还能进入到今天的超大规模集成电路新时代，更别提现在日新月异的计算机和手机。,除了在半导体技术上的成就，离子束技术的另一样显著成就是在固体材料表面改性方面的大量应用。 而研究以上这些低能离子束应用的学科正是这一门介于核物理与固体物理、材料物理之间的交叉学科带电粒子与固体的相互作用。 所以，带电粒子同固体相互作用物理学就是一门原子核物理和固态物理相互渗透的边沿学科，也是理论和实验密切结合的较新学科。它的发展和应用不仅为研究固态物质结构和
6、特点提供了强有力的工具，而且为工业、农业、国防、现代科学技术以及人们生活提供更多更好的新型材料和高科技产品。,附：百度词条：低能加速器的应用 低能加速器的应用是核技术应用领域的重要分支，当前，在世界各地运行着的数千台加速器中大多数是在工业、农业、医疗卫生等领域内得到广泛应用的低能加速器。低能加速器在这些领域的应用，极大地改变了这些领域的面貌，创造了巨大的经济效益和社会效益。 加速器在工业中的应用 1）辐照加工 应用加速器产生的电子束或X射线进行辐照加工已成为化工、电力、食品、环保等行业生产的重要手段和工艺，是一种新的加工技术工艺。它广泛应用于聚合物交联改性、涂层固化、聚乙烯发泡、热收缩材料、半
7、导体改性、木材-塑料复合材料制备、食品的灭菌保鲜、烟气辐照脱硫脱硝等加工过程。 经辐照生产的产品具有许多优良的特点，例如：聚乙烯电缆经105Gy剂量辐照后，其电学性能、热性能都有很大提高，使用温度辐照前为6070，辐照后长期使用温度可达120以上。当前，中国已有用加速器进行辐照加工的生产线40多条。 2）无损检测 无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部有无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设备可以采用放射性同位素Co60产生的射线、X光机产生
8、的低能X射线和电子加速器产生的高能X射线。尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高，作为一种最终检查手段或其它探伤方法的验证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这种探伤加速器以电子直线加速器为主要机型。 射线检测的方法根据对透过工件的射线接受和处理方法的不同，又可把射线检测法分为三种： a、射线照相法 这种方法与我们体检时拍X光胶片相似，射线接受器是X光胶片。探伤时，将装有X光胶片的胶片盒紧靠在被检工件背后，用X射线对工件照射后，透过工件的射线使胶片感光，同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳胶上，对感光后的胶片进行处理后
9、，就可以清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、位置、形状和大小。 b、辐射成像法 这种方法的射线接受器是阵列探测器或荧光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后者就是用于机场、铁路的行李、包裹的X射线安检系统，也可用于工业的无损检测。这种方法配以图像处理系统可以在线实时显示物品内部的真实情况。 c、工业CT 与医用CT原理类似，CT技术即计算机辅助层析成像技术。选用加速器作为X射线源的CT技术是一种先进的无损检测手段，主要针对大型固体火箭发动机和精密工件的检测而发展起来。它的密度分辨率可达0.1%，比常规射线技术高一个数量级。在航天、航空、兵器、汽车制造等领域
10、精密工件的缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。 3）离子注入 利用加速器将一定能量的离子注入到固体材料的表层，可以获得良好的物理、化学及电学性能。半导体器件、金属材料改性和大规模集成电路生产都应用了离子注入技术。中国现拥有各类离子注入机100多台。其中中国自己累计生产出140多台离子注入机，能量为150KeV600KeV（1KeV=1103eV），流强为0.5mA到十几mA。,加速器在农业中的应用 作为核技术应用装备的加速器在农业上的应用，在一些国家普遍使用已有明显经济效益的主要有三方面： 1）辐照育种 加速器在辐照育种中的应用，主要是利用它产生的高能电子、X射线、快中子或
11、质子照射作物的种子、芽、胚胎或谷物花粉等，改变农作物的遗传特性，使它们沿优化方向发展。通过辐射诱变选育良种，在提高产量、改进品质、缩短生长期、增强抗逆性等方面起了显著作用。马铃薯、小麦、水稻、棉花、大豆等作物经过辐照育种后可具有高产、早熟、矮杆及抗病虫害等优点。 2）辐照保鲜 辐照保鲜是继热处理、脱水、冷藏、化学加工等传统的保鲜方法之后，发展起来的一种新保鲜技术。例如，对马铃薯、大蒜、洋葱等经过辐照处理，可抑制其发芽，延长贮存期；对干鲜水果、蘑菇、香肠等经过辐照处理，可延长供应期和货架期。 3）辐照杀虫、灭菌 当前，在农产品、食品等杀虫灭菌普遍使用化学熏蒸法，由于使用溴甲烷、环氧乙烷等化学熏蒸
12、法引起的残留毒性、破坏大气臭氧层等原因，根据蒙特利尔公约，到2005年要在全球范围内禁止使用溴甲烷。因而利用加速器进行农产品、食品等辐照杀虫、灭菌得以迅速发展。利用加速器产生的高能电子或X射线可以杀死农产品、食品中的寄生虫和致病菌，这不仅可减少食品因腐败和虫害造成的损失，而且可提高食品的卫生档次和附加值。,加速器在医疗卫生中的应用 随着科学技术的进步，人民生活和质量的提高，人们对医疗卫生条件提出了更高的要求。而加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长。当前，加速器在医疗卫生方面的应用主要有三个方面，即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。 1） 放射治疗
13、用于恶性肿瘤放射治疗（简称放疗）的医用加速器是当今世界范围内，在加速器的各种应用领域中数量最大、技术最为成熟的一种。 用于放疗的加速器由50年代的感应加速器，到60年代发展了医用电子回旋加速器，进入70年代医用电子直线加速器逐步占据了主导地位。当前，世界上约有3000多台医用电子直线加速器装备在世界各地的医院里。 除了应用加速器产生的电子线、X射线进行放疗外，还可应用加速器进行质子放疗、中子放疗、重离子放疗和介子放疗等，这些治癌方法还处在实验阶段，实验的结果表明，疗效显着。但这些加速器比电子直线加速器能量高得多，结构复杂得多，价格昂贵得多，尚未普及。 利用电子直线加速器开展立体定向放疗，俗称X
14、刀，是数年来发展的新的放疗技术。这种技术与常规放疗相比，可多保护15%20%的正常组织，而肿瘤增加20%40%的剂量，可更有效地杀灭癌细胞，从而增加放疗疗效。 60年代中国医院装备了医用感应加速器，70年代中期医用电子直线加速器开始装备中国各地医院。截止到2000年初，中国已拥有各种能量的医用加速器约530台，其中国产医用加速器约230台，进口医用加速器约300台。 2）医用同位素生产 现代核医学广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤，如今已确定为临床应用的约80种同位素，其中有2/3是由加速器生产的，尤其是缺中子短寿命同位素只能由加速器生产。这些短寿命同位素主要应用在以下方面： a、正电子与
15、单光子发射计算机断层扫描PET与SPECT PET是由病人先吸入或预先注射半衰期极短的发射正电子的放射性核素，通过环形安置的探测器从各个角度检测这些放射性核素发射正电子及湮灭时发射的光子，由计算机处理后重建出切面组织的图像。而这些短寿命的放射性核素是由小回旋加速器制备的。最短的半衰期核素如15O仅为123秒，一般为几分钟到1小时左右。所以，这种加速器一般装备在使用PET的医院里。生产PET专用短寿命的放射性核素的小回旋加速器，吸引了众多的加速器生产厂开发研制。当前，国外几个加速器生产厂家生产的小回旋加速器已达到几十台。 b、图像获取 利用放射性核素进行闪烁扫描或利用照相获取图像的方法，可以诊断
16、肿瘤、检查人体脏器和研究它们的生理生化功能和代谢状况，获取动态资料。例如201Tl用于心肌检查，对早期发现冠心病和心肌梗塞的定位等是当前最灵敏的检查手段。而这些放射性核素绝大部分也是由加速器生产的。 3）辐照消毒 利用加速器对医用器械、一次性医用物品、疫苗、抗生素、中成药的灭菌消毒是加速器在医疗卫生方面应用的一个有广阔前途的方向。与前面介绍加速器在食品中的杀虫、灭菌道理一样，可取代当前应用的高温消毒、化学消毒等方法。但灭菌需要的射线剂量要大于杀虫所需的剂量。,1.2 粒子与固体相互作用物理学讨论范围,粒子（微观粒子） 带电粒子：电子、质子、质量不等的各种离子、带电的基本粒子 中性粒子：原子、中子、中性介子和中微子等 粒子与固体相互作用物理学是讨论一束质量为M1,电荷为Z1e的带电粒子（有时也叫投射体，通俗点的叫法还称为子弹）以速度v打到一片含有原子序数为Z2和质量为M2的固态物质（有时也叫基体，或靶）上，所发生的相互作用现象和物理过程。 研究对象：1、带电的入射粒子，不包括中性粒子 2、固态
