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1、辐射防护复习一、射线与物质的相互作用（一）带电粒子与物质的相互作用：（1）最常见的有电子、射线、质子、粒子等。（2）凡静止质量大于电子的带电粒子，称为重带电粒子，如介子、质子、粒子、被加速的原子核（3）射线和电子本质上是相同的，通常所说的电子是指核外电子，而射线则是指原子核发射出来的高速电子弹性碰撞弹性碰撞v与靶原子核的弹性碰撞入射带电粒子靠近靶原子核时，由于它们之间的库仑力作用，粒子受到偏转，改变其运动方向，但不辐射光子，也不激发原子核，且满足能量及动量守恒，入射粒子损失一部分动能，转移给原子核。碰撞后，绝大部分动能仍由入射粒子带走，这样带电粒子在物质中可继续进行许多次弹性碰撞。由这种与靶原
2、子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失，称它为弹性碰撞能量损失，或核碰撞能量损失。从靶物质对入射粒子的阻止作用来讲，也称核阻止作用。核阻止作用，只是在入射带电粒子能量很低时，和重离子入射时，对能量损失的贡献才是重要的。由于粒子比粒子轻，粒子所受到的偏转比粒子严重，因此射线穿透物质时，电子散射现象严重。v与靶原子核外电子的弹性碰撞核外电子的库仑力作用，使入射粒子改变运动方向。为满足能量和动量守恒要求，入射粒子要损失一点动能，但这种能量转移一般是很小的，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。因此，这种相互作用方式只是在极低能量的粒子入射到物质时方需考虑，其它情况下完全可以忽略掉。非
3、弹性碰撞非弹性碰撞v与靶原子核的非弹性碰撞入射带电粒子靠近靶物质的原子核时，它与原子核间的库仑力作用，使入射粒子受到吸引或排斥，结果使入射粒子的速度和方向发生改变。入射粒子的这种运动状态的改变，伴随着发射电磁辐射，并使入射粒子的能量有很大的减弱。此过程即为韧致辐射当入射粒子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，称它为辐射损失。粒子质量较大，与原子核碰撞后，运动状态改变不大。粒子质量较小，与原子核碰撞后运动状态改变很显著。因此，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。v与靶原子核外电子的非弹性碰撞当带有正电荷或负电荷的粒子从靶物质原子近旁掠过时，入射粒子和靶原
4、子的核外电子之间的库仑力作用，使电子受到吸引或排斥，从而使电子获得一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子核的束缚，那么这电子就脱离原子，成为自由电子。这时原子就分离成一个自由电子和一个失去一个电子的正离子，这种过程称电离。原子最外层的电子受原子核的束缚最弱，故这些电子最容易被击出。如果入射带电粒子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，但可以使电子从低能级状态跃迁到高能级状态，使原子处于激发状态，这种过程称为激发。处于激发状态的原子是不稳定的，在激发态停留很短时间之后，原子要从激发状态跃迁回到基态，这种过程称为退激。退激时，释放出来的能量以光的形式发射出来，
5、这就是受激原子的发光现象。与上部分相关的一些概念v辐射分为电离辐射和非电离辐射。v有些辐射如红外线、微波等，由于能量低，不能引起物质电离，称为非电离辐射。v凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的一切辐射，称为电离辐射。v放射性原子核数目由于自发衰变减小到原来的一半所需要的时间称为半衰期v带电粒子进入物质直到被吸收，沿入射方向所穿过的最大距离称为带电粒子在物质中的射程v一组单能粒子射程的平均值称为平均射程，相同能量的粒子在同一种物质中的射程并不完全相同，这种现象称为射程歧离。产生这种现象的原因是，每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电粒子失去的能量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是
6、一个定值。由于每个粒子都必须经过多次的碰撞，因此，各个粒子的射程间的相互差别并不很大。重带电子粒子的射程涨落一般都很小。v为何不能用粒子那样的平均射程的概念来说明粒子的情况：一束单能粒子具有平均射程，这个射程与粒子能量有关，对于射线来说，因为粒子的能量是从零到E最大连续分布，所以各个粒子的射程差别很大。即使是初始能量相同的一束电子，由于它们在电离过程中损失的能量涨落很大，同时还存在轫致辐射和多次散射，因而它们在同一物质中经过直线距离差别也是很大的，所以不能用粒子那样的平均射程的概念来说明粒子的情况。v带电粒子与靶原子的核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离或激发，这种电离称为原电离，由原电离产生的
7、电子如果具有足够的动能，它也能使原子电离，这种电离称为次电离。v带电粒子在单位路程上产生的离子对数称为比电离，比电离应包括原电离和次电离产生的离子对。（二）射线与物质相互作用过程射线与物质相互作用过程 射线与物质的相互作用主要有三类过程，光电效应、康普顿效应和电子对效应。光电效应当光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称为光电效应。光电效应中发射出来的电子叫光电子。发生光电效应时，从内壳层上打出电子，在此壳层上就留下空位，并使原子处于激发状态。这种激发状态是不稳定的，退激的过程有两种。一种过程是外层电子向内层跃迁，来填补这空
8、位，使原子恢复到较低的能量状态。两壳层的结合能之差，就是跃迁时释放出来的能量，这能量将以特征X射线形式释放出来。另一种过程是原子的激发能也可以交给外壳层的电子，使它从原子中发射出来，这电子称俄歇电子。康普顿效应在康普勒效应中,光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞,一部分能量转移给电子,使它脱离原子成为反冲电子,而散射光子的能量核运动方向发生改变。康普勒效应与光电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电子；康普勒效应中光子只损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；康普勒效应总发生在束缚得最松的外层电子上。电子对效应当光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转化为
9、一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应。根据能量守恒定律，只有当入射光子能量hv大于2mC2，即hv时，才能发生电子对效应。入射光子的能量除一部分转化为正负电子对的静止能量外，其余就作为它们的动能。与光电效应相似，电子对效应除涉及光子和电子对外，必须有一个第三者原子核参加，才能满足能量和动量守恒定律。v作用截面：一个微观粒子与单位面积上一个原子发生作用的几率。v电子对产生中的正电子和电子与物质的原子发生相互作用，负电子最终被物质吸收（物质厚度大于该电子的射程）。正电子在损失其绝大部分能量后和周围物质达到热平衡时与物质中的一个电子发生湮没，放出两个能量均为的光子，这种现象称为电子对的湮没
10、，湮没时放出的光子叫湮没辐射和和射线与物质相互作用相关的内容射线与物质相互作用相关的内容v射线窄束衰减实验发现，射线在窄束衰减情况下服从上式。I0：单位时间内入射到垂直于光子束单位面积物质上的光子数目；I：单位时间内穿透厚度为的物质以后垂直于原来光子方向单位面积上的光子数目；N：物质单位体积内的原子数目； ：每个原子对光子的作用截面。这是三种效应的总截面令可以得到在这里，称为物质对射线的线衰减系数，它的物理意义从上式可以看出，应该是单位路程上射线与物质发生相互作用的总几率，而不必区分究竟发生哪一种相互作用（三)中子与物质的相互作用v势散射是最简单的核反应，它是中子波和核表面势相互作用的结果。此
11、情况下的中子并未进入靶核。任何能量的中子都有可能引起这种反应。这种作用的特点是：散射前后靶核的内能没有变化。入射中子把它的一部分或全部动能传给靶核，成为靶核的动能。势散射时，中子改变了运动的方向和能量。势散射前后中子与靶核系统的动能和动量守恒，所以势散射为一种弹性散射v直接相互作用是指：入射中子直接与靶核内的某个核子碰撞，使某个核子从核里发射出来，而中子却留在核内。v如果从靶核里发射出来的核子是质子,这就是直接相互作用（n，p）反应。如果从靶核里发射出来的核子是中子，而靶核发射射线，同时由激发态返回基态，这就是直接非弹性散射过程。v入射中子要具有较高的能量才能与原子核发生直接相互作用。v复合核
12、的形成是最重要的中子与原子核的相互作用形式。（1）复合核的形成：中子+靶核复合核（2）复合核的分解（中间过程）：复合核反冲核+散射粒子v弹性散射可以分为共振弹性散射和势散射。前者经过复合核的形成过程，后者不经过复合核的形成过程，因此共振弹性散射只对特定能量的中子才能发生。v弹性散射的一般反应式为v式中前者为共振弹性散射，后者为势散射。v只有入射中子的动能高于靶核的第一激发态的能量时才能使靶核激发，也就是说，只有入射中子的能量高于某一数值时才能发生非弹性散射。由此可知，非弹性散射具有阈能的特点。v在中子能量降低到非弹性散射阈能以下之后，便需藉助弹性散射来使中子慢化。我们也可根据中子与靶核相互作用
13、结果的不同，将中子与原子核的相互作用分为两大类：v散射：包括弹性散射和非弹性散射。v吸收：包括辐射俘获、核裂变、（n，）和（n，p）反应等二、核辐射探测原理及探测 常用的探测器有三大类：气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器。（一）气体探测器 由于电离室、正比计数器和GM计数器把核辐射转变成电信号的物理过程是在探测器充特定气体的体积中进行的，所以称之为气体探测器。 常用的气体探测器有电离室、正比计数管和盖革-弥勒计数管vI：复合区：电极收集到的离子对数目N低于由带电粒子产生的离子对数目N0，N0中有一部分因复合而消失。vII：饱和区（电离室工作区）：N正好等于N0，电极收集到的离子对数目达到饱和
14、。vIII：正比区（正比计数器工作区）：气体放大倍数M表示N与N0的比值，其为定值，完全由探测器结构与外加直流电压的数值所决定vIV：有限正比区：M的数值与N0的大小有关，N0比较大时M比较小。vV：G-M（盖革弥勒）工作区（G-M计数器工作区）：N保持定值，仅由技术器的结构与外加电压的数值所决定，与N0无关。（二）半导体探测器 工作原理vPN结区在没有核辐射入射时由于载流子很少，其绝缘电阻很大，漏电流就很小。v带电粒子进入半导体探测器灵敏区后与半导体相互作用，使半导体的原子电离而产生电子和空穴对（初电离）。灵敏区的电子和空穴在电场作用下分别向两电极漂移，从而在半导体探测器输出电路上形成电压脉
15、冲。为使半导体探测器输出稳定，输出端接电荷灵敏前置放大器。 半导体探测器示意图（三）闪烁探测器 工作原理v核辐射进入闪烁体，损失能量使闪烁体的原子电离和激发，激发态原子退激时发射荧光（又称闪烁光）。v光子从产生地点穿过闪烁体和光导到达光电倍增管的光阴极，发生光电效应v光电子首先达到第一倍增管，从光阴极到第一个倍增极的传输系数即第一个倍增极收集效率为K。由于光电倍增管各电极的电位必须使后一级相对于前一级为正电位，所以光电子从第一倍增极飞向其后各倍增极经过倍增（飞行时间几十ns），最后在阳极上收集的电子电荷v电流在阳极负载电路上产生脉冲信号，送给电子仪器处理。闪烁探测器组成示意图1-反射层；2-闪
16、烁体；3-硅油；4-光导；5-光电倍增管；6-前置放大器；7-高压电源；8-电子学仪器；9-暗盒几个概念v当工作电压加到一定数值后，核辐射产生的脉冲大部分超过阈电平的幅度，噪声也只有极少超过阈电平，此时被记录的脉冲数目基本趋于饱和，随工作电压增加计数增加很小，这个区域称为坪区。v探测器以脉冲方式工作时，通过电子仪器记录的脉冲计数率随探测器所加电压的变化曲线称为探测器的坪曲线。v起始电压Vs：记录脉冲计数的电子学仪器开始计数时探测器所加的电压称为起始电压。探测器的起始电压愈低，探测器性能就愈好。v坪长：坪曲线中计数率随着探测器所加电压的增加变化不大，出现比较平坦的一段，即所谓坪。坪区电压范围称为坪长。v坪斜：在坪区，实际上计数率仍随探测器所加电压的增加而有所增加，可用探测器所加电压每增加100V或1V时计数率增加的百分数来表示坪斜。（四）中子探测的主要作用过程v用于中子探测的主要作用过程（或机制）是势弹性散射、产生带电粒子的核反应和核裂变。v因为中子不带电，它进入物质后不能直接引起物质原子的电离或激发，它的探测只能利用中子与原子核相互作用产生的各种带电粒子或射线间接探测。1、核反冲法v利
