粒子探测技术第2章

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1、2013/9/15 中国科大 汪晓莲 1 第二章第二章 粒子探测的物理基础粒子探测的物理基础 2-1 带电粒子和物质的相互作用带电粒子和物质的相互作用 2-2 光子和物质的相互作用光子和物质的相互作用 2-3 强子和物质的强相互作用强子和物质的强相互作用 2-4 高能粒子和物质作用与簇射高能粒子和物质作用与簇射 2013/9/15 中国科大 汪晓莲 2 2-1 带电粒子和物质的相互作用带电粒子和物质的相互作用 粒子不能被直接观测，只有通过它们与物质的相互粒子不能被直接观测，只有通过它们与物质的相互 作用才能被探测。粒子探测作用才能被探测。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

2、粒子的性质（能量、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）。动量、飞行方向等）。 根据粒子的带电性质分类根据粒子的带电性质分类 带电粒子带电粒子： 、p、e、 、 、 等等 电磁辐射：电磁辐射：x射线、射线、 射线射线 中性粒子：中性粒子：n、 0、 0、 等等 2013/9/15 中国科大 汪晓莲 3 一、带电粒子电离和激发损失能量一、带电粒子电离和激发损失能量 1. 电离和激发电离和激发 入射带电粒子与物质原子的电子发生库仑相互作用而损失入射带电粒子与物质原子的电子发生库仑相互作用而损失 能量，物质原子的电子获得能量能量，物质原子的电子获得能量。当电子获得能量足

3、以克当电子获得能量足以克 服原子核的束缚，服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就则电子就脱离原子成为自由电子。这就 是电离。是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳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，层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补， 同时放出特征同时放出特征X X射线或俄歇电子射线或俄歇电子。 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

4、 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。 2013/9/15 中国科大 汪晓莲 4 cmmvp0atomqatomatomq 2 0/cmE激发过程：激发过程： 退激发原子放出低能荧光光子退激发原子放出低能荧光光子 电离过程：电离过程：产生电子产生电子-离子对。入射粒子动量离子对。入射粒子动量 洛仑兹因子洛仑兹因子 一次散射传递给静止电子的最大动能一次散射传递给静止电子的最大动能 222 022 00222max/

5、22 )/(/212 cEmmmpm mmmmcmTeeeeee 低能时，2me/m04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效，由于原子核外电子电荷密度的屏蔽效 应，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数，物质中沉积的能量接近一个常数， 称作称作费米坪费米坪。 9）当粒子能量很高时，轫致辐射能量损失开始起重要作用。）当粒子能量很高时，轫致辐射能量损失开始起重要作用。 2013/9/15 中国科大 汪晓莲 16 二、带电粒子通过介质时的多次库仑散射

6、二、带电粒子通过介质时的多次库仑散射 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径当入射粒子与介质原子的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，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。这种现象称为库仑散射。 Rutherford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生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，粒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总效子穿过整个介

7、质层最终的偏转角是这些小角度散射的总效 果。果。 2013/9/15 中国科大 汪晓莲 17 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。 2013/9/15 中国科大 汪晓莲 18 经验公式经验公式 进一步简化，进一步简化， 要减少散射本底，应选用原子系数低的材料做放射源衬要减少散射本底，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。托、支架和屏蔽室的内层材料。 013.6rms plane

8、x cpX20013.61 0.038rms planeplanexxzncpXX P入射粒子动量入射粒子动量, 单位单位MeV/c；X0介质的辐射长度介质的辐射长度, x/X0以辐射长度为单位的介质厚度。以辐射长度为单位的介质厚度。 019.22rmsrms spaceplanex cpX2013/9/15 中国科大 汪晓莲 19 三三、 轫致辐射（轫致辐射（Bremsstrahlung） 轫致辐射轫致辐射当入射带电粒子与介质原子的最近距离比原子当入射带电粒子与介质原子的最近距离比原子 半径半径10-8cm小，而又比核半径小，而又比核半径10-13cm大时，在核库仑大时，在核库仑 场中受到库

9、仑散射，使其运动减速，轨迹发生偏转，并场中受到库仑散射，使其运动减速，轨迹发生偏转，并 伴随弱的电磁辐射。伴随弱的电磁辐射。 轫致辐射能量损耗轫致辐射能量损耗 平均能量损失平均能量损失 电子的轫致辐射能损电子的轫致辐射能损 Emec2/Z1/3 3/122202183 41) 1(4ZnEmcezAZZNdxdE A 轫致3/12183) 1(4ZnErAZZNdxdE eA轫致2013/9/15 中国科大 汪晓莲 20 辐射长度辐射长度X0： 则则 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)的介质后的平的介质后的平 均能量为均能量为: 当介质厚度当介质厚度x=

10、X0时，电子在介质中因辐射损失而使能量时，电子在介质中因辐射损失而使能量 减低到初始能量的减低到初始能量的1/e，称，称X0为介质的辐射长度为介质的辐射长度。 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，重量种成分的权重因子，重量 百分比。百分比。 /)/183() 1(42 3/120cmgZnrZZNAXeA0 0x XEE e01iiiw XX0XE dxdE/)/287() 1(4 .7162 0cmgZnZZAX经验公式经验公式 2013/9/15 中国科大 汪晓莲 21 )()(ccEdxd

11、EEdxdE轫致电离临界能量临界能量Ec：电离能损等于轫致辐射能损所对应的入射粒子能量。电离能损等于轫致辐射能损所对应的入射粒子能量。Rossi定义：快速带电粒子在介质中通过一个辐射长度后仅由电离而定义：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。损失的能量。 对固体介质对固体介质 EEc，轫致辐射损失为主，轫致辐射损失为主 Ec/n时就会产生时就会产生 切伦科夫辐射。切伦科夫辐射。 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。 产生条件：产生条件： （1）快速

12、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。 1cosncvn2013/9/15 中国科大 汪晓莲 25 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 11cosv nc1 n阈021/21(1)nEEn阈1 max1cosn2013/9/15 中国科大

13、汪晓莲 26 五五、 穿越辐射穿越辐射 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同的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。介质交界面时发生的辐射。 带电粒子穿越两种介质时，所携带电荷与其镜像电荷在不带电粒子穿越两种介质时，所携带电荷与其镜像电荷在不 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，导致了的电磁场的改变，导致了X X光的辐射。光的辐射。 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。 穿越辐射能量与入射粒子的穿越辐射能量与入射粒子的 因子成正比。因子成正

14、比。 典型的发射角典型的发射角 辐射光谱辐射光谱从可见光到从可见光到X X光区。光区。 12013/9/15 中国科大 汪晓莲 27 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: 粒子能量，正比于粒子能量，正比于 E/m。根据穿越辐射总能量的差别。根据穿越辐射总能量的差别 可以鉴别相对论性粒子。可以鉴别相对论性粒子。 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。 12222PEcDEEmax2PcDE2/3pEz 3234

15、/2 413.6pe eeeN r m cN aeV2013/9/15 中国科大 汪晓莲 28 六、六、同步辐射（同步辐射（Syncrotron Radiation） 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。 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 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 4224 3eeEEm c 41310pePemE Em2013/9/15 中国科大 汪晓莲 29 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。 具