微觀粒子及其探測原理

§1-1微觀粒子基本性質(zhì)一、組成世界基本粒子.91中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第1頁

按粒子參加相互作用情況來分類強子—參加強相互作用粒子，電荷是電子電量整數(shù)倍。

重子—自旋為1/2和半整數(shù)強子，由三個夸克組成。是費米子，服從費米－狄拉克統(tǒng)計規(guī)律。如：質(zhì)子(uud)、中子、各類超子（含有奇異夸克重子）。

介子—自旋為整數(shù)強子，由夸克和反夸克組成，是玻色子，服從玻色－愛因斯坦統(tǒng)計規(guī)律。如：

+()，k，……輕子—不參加強相互作用，自旋為1/2粒子，如：電子，子，子，各類中微子，……場粒子—自旋為1，傳遞相互作用粒子，它們是光子，膠子，W、Z中間玻色子。二、粒子分類.92中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第2頁三、原子核及其性質(zhì)原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。原子核核子數(shù)

因質(zhì)子和中子質(zhì)量都靠近一個原子質(zhì)量單位，故原子核質(zhì)量靠近A個原子質(zhì)量單位。核素：有確定質(zhì)子數(shù)Z和核子數(shù)A原子核。表示符號：

如碳原子核簡寫為：質(zhì)子數(shù)中子數(shù).93中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第3頁同位素：Z相同，N不一樣核素，處于元素周期表中同一個位置，有相同化學(xué)性質(zhì)。例：原子核性質(zhì)：1.原子核大小經(jīng)驗公式.94中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第4頁2.原子核質(zhì)量3.核物質(zhì)密度4.原子核結(jié)合能

原子核質(zhì)量總是小于組成它核子質(zhì)量之和。定義二者之差m為質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損越大，核子結(jié)合得越緊密，原子核越穩(wěn)定。.95中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第5頁5.比結(jié)合能：每種原子核結(jié)合能除以這種原子核核子數(shù)，得到每一個核子平均結(jié)合能，亦稱比結(jié)合能平均結(jié)合能越大，核子結(jié)合越緊密，原子核越穩(wěn)定。6.原子核反應(yīng)用方程式表示：

a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩下核)+Q或簡寫成A（a，b）B試驗表明任何一個核反應(yīng)，箭頭兩邊總電荷數(shù)Z和總質(zhì)量數(shù)A必須相等；反應(yīng)前后體系總能量（靜止能量和動能之和）不變，總動量不變。Q值>0反應(yīng)，放熱反應(yīng)；Q值<0反應(yīng)，吸熱反應(yīng)。.96中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第6頁7.原子核核子平均結(jié)合能曲線較輕和較重原子核平均結(jié)合能比中等重量原子核平均結(jié)合能小。兩個較輕原子核結(jié)合成較重原子核，發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放能量。一個較重原子核分裂成兩個中等能量原子核，發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放能量。.97中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第7頁四、電子質(zhì)量最輕穩(wěn)定粒子。

衰變：原子核內(nèi)質(zhì)子和中子相互轉(zhuǎn)換過程

1）－衰變：含有過多中子不穩(wěn)定原子核

例

實際上是

反電子中微子.98中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第8頁2）＋衰變

含有過多質(zhì)子不穩(wěn)定原子核例

實際上是被束縛質(zhì)子電子中微子.99中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第9頁3）軌道電子俘獲EC

質(zhì)子過多不穩(wěn)定核，其中一個質(zhì)子也可能俘獲原子殼層中某一個電子變成中子。易俘獲k層電子，稱作k俘獲，并伴隨x射線發(fā)射或俄歇效應(yīng)發(fā)生。例：豐質(zhì)子核發(fā)生

＋衰變和EC是相互競爭過程，各有一定幾率。如：發(fā)生EC幾率發(fā)生＋衰變幾率22Na10％90％65Zn98.5％1.5％.910中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第10頁三個過程都包括三個物體：粒子、中微子和反沖核因為衰變過程中能動量守恒，能量在三體中分配是任意。所以粒子動量由零到最大都有，粒子能譜是連續(xù)譜。粒子能譜是連續(xù)譜.911中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第11頁一些純電子源.912中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第12頁內(nèi)轉(zhuǎn)換電子

處于激發(fā)態(tài)原子核經(jīng)過把能量交給核外電子退激發(fā)，核外電子把取得能量一部分用以克服結(jié)合能，其余作為電子動能脫離原子。能量從keV到MeV，為單能。

.913中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第13頁俄歇電子俄歇電子能量比

粒子和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子能量低。俄歇效應(yīng)與x射線發(fā)射是相互競爭兩個過程。原子內(nèi)殼層失去一個電子出現(xiàn)一個空穴時，外殼層電子就可能躍遷來填補空穴，同時發(fā)射x射線。若不發(fā)射x射線而將能量交給另一個殼層電子，使其克服結(jié)合能而發(fā)射出去，這個過程就是俄歇效應(yīng)，打出電子就是俄歇電子。

電子加速器如BES、LEP等，加速后電子能量可達GeV量級。.914中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第14頁光電子、x射線、俄歇電子.915中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第15頁五、重帶電粒子質(zhì)子

H原子核，mp=938MeV=1836me，帶1個正電荷。

粒子

He原子核，由2個質(zhì)子和2個中子組成，帶2個正電荷。

衰變

A≥200原子核可能自發(fā)發(fā)射

粒子例：.916中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第16頁Bi

衰變及Tl能級.917中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第17頁Bi能譜.918中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第18頁核裂片重核裂變產(chǎn)生兩個裂變碎片。依據(jù)動量守恒，每個碎片向相反方向發(fā)射，是帶多電荷正離子。如235U吸收一個慢中子裂變產(chǎn)生兩個裂片。.919中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第19頁一個235U原子核吸收一個中子裂變成兩個含有大約相等質(zhì)量原子核。由平均結(jié)合能曲線，新生原子核平均結(jié)合能比235U大。近似認為每個核子平均結(jié)合能增加1MeV，總結(jié)合能增加約200MeV。這是一個C原子燃燒時釋放化學(xué)能4eV5000萬倍！重離子Z>2離子，核裂片是其中一個，存在于宇宙線中。也能夠經(jīng)過把原子核外電子直接剝離產(chǎn)生，普通用重離子加速器產(chǎn)生并加速，以增加其能量。.920中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第20頁六、射線和x射線電磁波，靜止質(zhì)量為0，含有波粒二象性。波長比普通光波短很多，波長<x波長，粒子性更突出，常稱光子。能量動量

h普朗克常數(shù)，v振動頻率，c光速，波長

.921中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第21頁射線產(chǎn)生1.處于激發(fā)態(tài)原子核向低能級躍遷時發(fā)射

射線試驗室中使用大多數(shù)

輻射源是在放射性母核經(jīng)、衰變過程中形成，所以射線經(jīng)常伴隨、射線產(chǎn)生。2.正反粒子湮滅發(fā)射射線比如正電子與負電子相遇發(fā)生湮滅時，發(fā)射兩個方向相反

光子，

光子能量為0.511MeV。.922中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第22頁.923中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第23頁

生成12C處于激發(fā)態(tài)，向低能級躍遷時產(chǎn)生能量為4.44MeV

射線。

衰變是原子核本身能態(tài)之間躍遷。在衰變中原子核電荷和質(zhì)量數(shù)保持不變，只是原子核內(nèi)部能量狀態(tài)變低了。3.伴隨核反應(yīng)產(chǎn)生

射線.924中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第24頁4.韌致輻射當(dāng)快電子與物質(zhì)相互作用時，因受阻速度改變而輻射電磁輻射現(xiàn)象，其部分能量轉(zhuǎn)換成韌致輻射形式電磁輻射。轉(zhuǎn)換成韌致輻射電子能量份額隨入射電子能量增加而增加，也隨吸收物質(zhì)原子序數(shù)增加而增加。韌致輻射譜是連續(xù)。.925中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第25頁.926中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第26頁

特征X射線產(chǎn)生

處于激發(fā)態(tài)原子，內(nèi)層電子躍遷使原子恢復(fù)到最低能態(tài)或基態(tài)，同時以發(fā)射特征X射線形式釋放能量，該特征X射線能量等于初態(tài)與終態(tài)間能量差。KLMK

K

.927中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第27頁外部輻射激發(fā)靶特征X射線入射粒子束入射粒子能量必須大于預(yù)期由靶發(fā)出最大X射線能量，X射線譜為連續(xù)譜，特征X射線能量是單一，各向同性發(fā)射。.928中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第28頁用于激發(fā)特征X射線粒子源.929中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第29頁七、中子中子性質(zhì)：電中性，自旋1/2，mn=940MeV，束縛在原子核內(nèi)中子是穩(wěn)定，自由中子是不穩(wěn)定。平均壽命＝16.9分。中子源反應(yīng)堆中子源

反應(yīng)堆產(chǎn)生中子在理想慢化條件下，產(chǎn)生熱中子、慢中子、中能中子和快中子。（1）熱中子（2）慢中子（3）中能中子（4）快中子.930中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第30頁經(jīng)典裂變反應(yīng)堆中子通量密度隨能量分布鎘對熱中子吸收截面很大，截止能量：E＝0.55eV.931中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第31頁熱中子能量估算其速度2.加速器中子源

經(jīng)過核反應(yīng)產(chǎn)生中子主要有：(d,n)、(p,n)、(α,n)、(,n)最慣用是T(d,n)4He3.同位素中子源

放射性同位素放出α粒子或

光子，與輕核反應(yīng)產(chǎn)生中子，慣用有：.932中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第32頁

從許多普通放射性核素直接衰變能夠得到含有相當(dāng)能量粒子，把發(fā)射粒子同位素與適當(dāng)靶物質(zhì)混和起來，制成小自給中子源。光致中子源Q＝5.17MeV光子能量>10MeV.933中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第33頁許多超鈾重核素具有自發(fā)裂變幾率，每次裂變時發(fā)射幾個快中子。最常見源是252Cf裂變中子源。10g252Cf自發(fā)裂變中子產(chǎn)額為：3×107中子/秒平均能量為1.5MeV.934中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第34頁八、放射性衰變基本規(guī)律指數(shù)衰減規(guī)律N0：t=0時刻原子核數(shù)目N：t時刻原子核數(shù)目：衰變常數(shù)，單位時間每個原子核衰變幾率.935中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第35頁2.核衰變時間特征半衰期T1/2：

平均壽命：

能級寬度：

粒子處于某一狀態(tài)有一定時間范圍，處于該狀態(tài)平均時間稱為壽命或稱這個能級有一定寬度。放射性原子核數(shù)目衰減到二分之一所需時間放射性原子核數(shù)目衰減到1/e所需時間.936中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第36頁放射性活度

單位時間放射性物質(zhì)衰變數(shù)

單位

居里（Ci）：3.7×1010衰變/s，mCi，Ci貝可勒爾（Bq）：1衰變/s，KBq，MBq

1Ci=3.7×1010Bq

N－放射性核數(shù)－衰變常數(shù)A0－t=0時刻放射性活度3.放射性活度及單位.937中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第37頁比放射性活度(比活度）放射性樣品中某種放射性核素活度與樣品質(zhì)量（或體積）之比，即單位質(zhì)量放射性樣品內(nèi)該核素活度。其單位是KBq.g-1、MBq.g-1等。濃度對放射性溶液和氣體慣用放射性濃度來表示其中所含有某放射性核素量，其含意是單位體積溶液或氣體中所含該核素活度。其單位是Bq.L-1、Bq.m-3、KBq.L-1等。.938中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第38頁如知道某放射源活度和半衰期，可推知其原子核數(shù)及其質(zhì)量。例題：試驗用1Ci60Co源，求其質(zhì)量。已知其T1/2=5.27年解：其所含原子核數(shù)

其質(zhì)量可見普通放射源質(zhì)量甚微，卻含有大量原子核，足以確保衰變規(guī)律良好統(tǒng)計性。.939中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第39頁4.射線強度定義放射源在單位時間內(nèi)放出某種射線粒子個數(shù)為射線強度。若某放射源每一次衰變只放出一個粒子，則該射線強度就等于該放射源活度。若某放射源每一次衰變放出幾個粒子，則該射線強度就不等于該放射源活度。如：60Co一次衰變放出一個粒子，則射線強度就是放射源活度，同時60Co一次衰變級聯(lián)放出2個粒子，則射線強度為放射源活度2倍。.940中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第40頁5.輻射劑量描述輻射場量。射線經(jīng)過輻射場內(nèi)物體時，與物體發(fā)生相互作用，把能量沉積在物體中。吸收劑量：描述輻射場內(nèi)受照物體吸收能量劑量單位。定義：

1千克物體質(zhì)量吸收1焦耳能量為1Gy。1Gy＝1J/kg，或1Gy＝6.24×1012MeV/kg，老單位是rad，為1g物質(zhì)吸收100爾格能量。故1Gy＝100rad。等效劑量：輻射引發(fā)生物效應(yīng)及其嚴重程度不但取決于能量沉積，還取決于輻射種類。定義：WR與輻射類型及能量相關(guān)因子，單位1Sv=1J/kg.941中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第41頁輻射權(quán)重因子輻射類型輻射能量WR光子電子和介子中子質(zhì)子（反沖質(zhì)子除外）粒子、裂變碎片、重核全部能量全部能量<10keV10-100keV>100keV－2MeV>2MeV-20MeV>20MeV>2MeV1151020105520.942中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第42頁§1-2帶電粒子探測基本原理粒子探測主要是指統(tǒng)計粒子數(shù)目，測定其強度，確定粒子性質(zhì)（能量、動量、飛行方向等）。依據(jù)粒子帶電性質(zhì)分類帶電粒子：、p、e±、±、±、±等電磁輻射：x射線、射線中性粒子：n、0、0、等.943中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第43頁一、帶電粒子與物質(zhì)相互作用1.電離和激發(fā)入射帶電粒子與物質(zhì)原子軌道電子發(fā)生庫侖相互作用而損失能量，軌道電子取得能量。當(dāng)電子取得能量足以克服原子核束縛，則電子就脫離原子成為自由電子。這就是電離。電離結(jié)果形成一對正離子和自由電子。若內(nèi)殼層電子被電離后，該殼層留下空穴，外層電子躍遷來填補，同時放出特征x射線或俄歇電子。當(dāng)電子取得能量較少，不足以克服原子核束縛成為自由電子，將躍遷到較高能級。這就是原子激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)原子不穩(wěn)定，作短暫停留后，將從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，這就是退激。退激時，釋放能量以熒光形式發(fā)射出來。.944中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第44頁Particlescanonlybedetectediftheydepositenergyinmatter.Howdotheyloseenergyinmatter?Interactionofchargeparticlesclassical.945中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第45頁2.帶電粒子能量電離損失電離損失帶電粒子與核外電子非彈性碰撞，造成原子電離或激發(fā)，是粒子損失動能主要方式。電離損失通常把某種物質(zhì)中粒子經(jīng)過單位長度所損失能量稱為該粒子在這種物質(zhì)中能量損失或稱為該物質(zhì)對這種粒子阻止本事，用表示。大，表明這種粒子在該物質(zhì)中電離本事大，即該粒子經(jīng)過單位長度物質(zhì)損失能量較多，即該物質(zhì)對這種粒子阻止本事大。Bethe-Bloch公式單位體積吸收物質(zhì)電子數(shù)目，即吸收物質(zhì)電子密度。阻止系數(shù)，對重帶電粒子和電子B不一樣。電子靜止質(zhì)量ze、v是入射粒子電荷和速度.946中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第46頁Energytransfer:I

dETmax

,I:meanexcitationpotentialI~I0Z,I0=10eVRelativisticrise:ln2termRelativisticrisecancelledathigh

by“densityeffect”.ParametrizedbyFermiplateauBethe-Blochformula.947中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第47頁一個有用常數(shù)在入射粒子能量較低時Bethe-Bloch公式

計算時，能損通常使用單位是，對應(yīng)單位為，代表面質(zhì)量密度

為物質(zhì)密度（單位：g/cm3），ds為長度（單位：cm）。這么選取單位好處是能損在很大程度上與物質(zhì)詳細性質(zhì)無關(guān)。

.948中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第48頁小結(jié)1）公式不包含入射粒子質(zhì)量，即電離損失與入射粒子質(zhì)量無關(guān)。電荷和速度相同粒子在同一個物質(zhì)中電離損失相同。2）電離損失與入射粒子電荷數(shù)z2成正比。3）電離損失與粒子速度相關(guān)，在區(qū)間，當(dāng)前尚無令人滿意理論解釋，只能依賴唯象擬合公式。4）對于能量很低粒子，當(dāng)其運動速度與原子中電子速度相當(dāng)初，公式不再適用。當(dāng)粒子運動速度（

為精細結(jié)構(gòu)常數(shù)）時，能損正比于

5）對，Bethe-Bloch公式均可適用。在非相對論性速度時，與v2成反比。.949中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第49頁6）伴隨入射粒子能量增加，電離損失很快減小，當(dāng)1，電離損失到達一個很寬范圍極小值區(qū)域。這個極小值區(qū)域最低點在~3－4附近，且與介質(zhì)無關(guān)。大多數(shù)相對論性粒子能量損失與這個最低點值很靠近。稱最小值處能量損失為最小電離，把能量損失為最小值粒子稱為最小電離粒子(MinimumIonizingParticles或MIP)。7）在>4后能量損失又開始遲緩上升，稱作相對論上升。8）伴隨能量繼續(xù)增加，因為原子核外電子電荷密度屏蔽效應(yīng)，能量損失趨于飽和，物質(zhì)中沉積能量靠近一個常數(shù)，稱作費米坪。.950中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第50頁

能量歧離

單能帶電粒子束穿過一定厚度吸收體之后發(fā)生能量離散。這種能量分布寬度是能量歧離量度，它隨沿粒子徑跡距離而變。.951中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第51頁

β射線即電子流，帶有負電，其質(zhì)量很小，所以在運行中輕易被其它電子所偏轉(zhuǎn)，所以其徑跡波折，其實際穿透深度小于其徑跡長度。在β射線徑跡末端，電離密度最大，這是因為此時電子能量已顯著降低，速度減慢,與靶物質(zhì)原子作用幾率加大,單位距離內(nèi)形成離子對增多。β射線射程長短取決于電子能量大小。

β

射線與物質(zhì)作用.952中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第52頁電離損失分布

在厚度為x介質(zhì)中，入射粒子平均電離損失為

當(dāng)介質(zhì)厚度較厚時，電離損失分布靠近高斯分布；當(dāng)介質(zhì)很薄時，電離損失分布很寬，不對稱，在能量大區(qū)域有很長尾巴——朗道分布。因為有能量很高電子產(chǎn)生。電子

入射帶電粒子與介質(zhì)相互作用能量損失過程中因碰撞而擊出能量很高電子，它能夠繼續(xù)與其它介質(zhì)原子相互作用。.953中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第53頁3.韌致輻射（Bremsstrahlung）韌致輻射當(dāng)入射帶電粒子與介質(zhì)原子最近距離比原子半徑~10-8cm小，而又比核半徑~10-13cm大時，在核庫侖場中受到庫侖散射，使其運動減速，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并伴隨弱電磁輻射。韌致輻射能量損耗

當(dāng)E>>mec2時

當(dāng)E>>137mec2Z-1/3時.954中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第54頁輻射長度X0：則初始能量為E0電子穿過厚度為x(g.cm-2)介質(zhì)后平均能量為當(dāng)介質(zhì)厚度x=X0時，電子在介質(zhì)中因輻射損失而使能量減低到初始能量1/e，稱X0為介質(zhì)輻射長度。當(dāng)介質(zhì)為化合物或混合物時，有：Xi第i種成份輻射長度，wi第i種成份權(quán)重因子，重量百分比。.955中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第55頁臨界能量Ec：快速帶電粒子在介質(zhì)中經(jīng)過一個輻射長度后僅由電離而損失能量稱為該介質(zhì)臨界能量。

對電子E>Ec，韌致輻射損失為主E<Ec，電離損失為主韌致輻射能量損失與入射粒子質(zhì)量M2成反比

重帶電粒子質(zhì)量比電子大很多，經(jīng)過原子核附近時，偏轉(zhuǎn)較小，加速度較小，所以韌致輻射損失較小。其在介質(zhì)中韌致輻射是速度相同電子倍。韌致輻射能量損失與介質(zhì)原子系數(shù)Z2成正比

實際工作中為了降低電子韌致輻射本底，選取Z小物質(zhì)，如塑料、鋁等材料做放射源托片核支架。韌致輻射發(fā)射角

朝前方向.956中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第56頁幾個慣用介質(zhì)輻射長度和臨界能量介質(zhì)X0(g.cm-2)Ec(MeV)H263140Al2447Ar2035Fe13.824Pb6.36.9鉛玻璃SF39.6~11.8Plexiglass40.580H2O3693碘化鈉NaI(Tl)9.512.5鍺酸鉍BGO8.0~7.957中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第57頁4.契倫科夫輻射Cherenkovradiation契倫科夫輻射快速帶電粒子穿過均勻透明介質(zhì)，其速度大于光在該介質(zhì)中相速度v>c/n時就會產(chǎn)生契倫科夫輻射。產(chǎn)生機理：介質(zhì)原子或分子極化與退極化；電磁輻射相干疊加，在一定方向得到加強。產(chǎn)生條件：（1）快速帶電粒子做勻速運動，且（2）均勻透明介質(zhì)（3）滿足在與粒子運動方向成角方向上電磁輻射相干加強，才能觀察到。.958中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第58頁

切倫科夫輻射特點（1）切倫科夫輻射角（2）閾速度（3）閾動能（4）最大輻射角（5）有連續(xù)可見光.959中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第59頁5.穿越輻射穿越輻射當(dāng)帶電粒子能量很高時穿越兩種介電常數(shù)不一樣介質(zhì)交界面時發(fā)生輻射。帶電粒子穿越兩種介質(zhì)時，在不一樣介質(zhì)中建立電磁場是不一樣，在穿越界面瞬間出現(xiàn)電磁場改變，造成了X光輻射。慣用材料是苯乙烯和類似介質(zhì)。經(jīng)典發(fā)射角輻射光譜從可見光到X光區(qū)。。.960中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第60頁穿越輻射形成區(qū)厚度EP介質(zhì)中等離子體能量，E

穿越輻射光子能量因為飽和效應(yīng)，最大形成區(qū)厚度:穿越輻射總能量正比于入射粒子能量，正比于＝E/m。依據(jù)穿越輻射總能量差異能夠判別相對論性粒子。因為穿越輻射很弱，用多層介質(zhì)疊起來使用。.961中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第61頁6.同時輻射（SyncrotronRadiation）同時輻射電子在磁場中偏轉(zhuǎn)時相當(dāng)于受到加速而發(fā)出輻射稱為同時輻射。輻射能量電子在磁場中偏轉(zhuǎn)軌道曲率半徑為，則一個相對性單能電子每轉(zhuǎn)一圈輻射能量電子同時輻射比相同動量重粒子嚴重得多。電子和質(zhì)子同時輻射能量損失之比為.962中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第62頁電子能量越高，同時輻射越顯著。含有連續(xù)能譜。在電子盤旋軌道平面內(nèi)，輻射能量主要是沿切線方向，平均輻射角同時輻射作為新一代光源，含有以下優(yōu)點：（1）功率大（2）單色性好（3）流強連續(xù)可調(diào).963中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第63頁

α射線即氦核組成粒子流，由2個質(zhì)子和2個中子組成，故帶有2個正電荷，質(zhì)量數(shù)為4，比電子質(zhì)量大約8000倍。α粒子在組織中經(jīng)過較慢，穿透距離甚短，最多只幾百微米。故α射線由外照射對機體不會產(chǎn)生嚴重危害。但若α放射性核素進入人體內(nèi)時，因為其電離密度較大，造成損傷非常嚴重。另外，放射性治療中用快中子或負π介子照射組織時，在組織中將產(chǎn)生α粒子，對殺傷癌細胞將起主要作用。

射線與物質(zhì)作用.964中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第64頁

快中子作用于組織時可產(chǎn)生帶電重粒子。另外，高能加速器還可將帶電重粒子加速，使其含有很強穿透能力。比如，質(zhì)子、氦核、負π介子等可在人體數(shù)厘米深處產(chǎn)生高密度電離，到達集中殺死癌細胞作用。關(guān)于負π介子研究近年來尤其受到放射治療領(lǐng)域關(guān)注。負π介子屬于亞原子粒子,其質(zhì)量為電子276倍,電荷同電子。由同時盤旋加速器將質(zhì)子加速到極高能量(500-700MeV)轟擊石墨或鉛靶時產(chǎn)生負π介子。當(dāng)其穿入人體組織被碳、氧、氫等原子核捕捉，釋放α粒子、中子和質(zhì)子，產(chǎn)生高密度電離作用，殺死癌細胞。

帶電重粒子與物質(zhì)作用.965中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第65頁二、射程射程帶電粒子在某種物質(zhì)中運動到最終靜止所經(jīng)過距離，用R表示。

能量大質(zhì)量小粒子在電子密度小吸收物質(zhì)中射程長。平均射程使帶電粒子計數(shù)下降到恰好是沒有吸收體時帶電粒子計數(shù)二分之一吸收體厚度，用R0表示。外推射程吸收曲線下降直線部分延長與X軸相交對應(yīng)射程，用R外推表示。等效射程Rm=R，單位g/cm2，吸收物質(zhì)密度.966中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第66頁

射程歧離：初始能量相同單個粒子路徑長度漲落。

在薄吸收體中能量損失

吸收體厚度.967中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第67頁能量相同同一個重粒子在給定物質(zhì)中含有基本相同固定射程。粒子徑跡.968中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第68頁射程與粒子能量關(guān)系（經(jīng)驗公式）

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣中質(zhì)子

粒子4MeVE11MeV，精度1%;11MeVE15MeV，精度4%試驗表明不一樣物質(zhì)近于常數(shù)射程表示為動能和質(zhì)量函數(shù).969中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第69頁.970中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第70頁.971中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第71頁三、帶電粒子經(jīng)過介質(zhì)時屢次庫侖散射庫侖散射當(dāng)入射粒子與介質(zhì)原子最近距離小于原子半徑(10-8cm)時，受介質(zhì)原子核庫侖場作用，運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為庫侖散射。Rutherford散射公式

對小角度散射截面很大。帶電粒子穿過厚介質(zhì)時將發(fā)生屢次小角度庫侖散射。這些小角度散射是彼此獨立，粒子穿過整個介質(zhì)層最終偏轉(zhuǎn)角是這些小角度散射總效果。.972中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第72頁屢次庫侖散射分布能夠由Molliere理論描述。理論證實對小角度散射其分布近似為高斯分布，較大角度偏轉(zhuǎn)為Rutherford散射。.973中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第73頁經(jīng)驗公式

Es常數(shù)能量

要降低散射本底，應(yīng)選取原子系數(shù)低材料做放射源襯托、支架和屏蔽室內(nèi)層材料。P、v入射粒子動量和速度Z、t、X0介質(zhì)原子系數(shù)、厚度和輻射長度。.974中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第74頁小結(jié)帶電粒子與物質(zhì)原子相互作用主要是與物質(zhì)原子核外電子非彈性碰撞，造成物質(zhì)原子電離或激發(fā)，是帶電粒子經(jīng)過物質(zhì)是損失能量主要方式。利用電離或激發(fā)效應(yīng)來統(tǒng)計入射粒子是絕大多數(shù)探測器物理基礎(chǔ)。它們差異在于統(tǒng)計方式不一樣，大致分為三類：（1）搜集電離電荷探測器主要搜集電離效應(yīng)產(chǎn)生大量正負離子，統(tǒng)計它們電荷所形成電壓或電流脈沖。這類探測器必須加上適當(dāng)工作電壓，形成電場以有效搜集電荷。如氣體探測器、半導(dǎo)體探測器。.975中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第75頁（2）搜集熒光探測器，被帶電粒子激發(fā)原子退激時發(fā)出熒光。因為熒光很弱，需要經(jīng)過一定轉(zhuǎn)換放大，即把光脈沖轉(zhuǎn)換成較大電脈沖——光電倍增管。如閃爍計數(shù)器等。（3）利用離子集團作為徑跡中心探測器，徑跡探測器。如核乳膠、云室、氣泡室、火花室等。（4）搜集切倫科夫輻射探測器，切倫科夫探測器。（5）搜集統(tǒng)計穿越輻射探測器，穿越輻射探測器。韌致輻射和同時輻射是附加產(chǎn)物，對高能電子探測器必須考慮它們影響。.976中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第76頁§1-3

射線探測

射線與物質(zhì)相互作用主要有三個過程：光電效應(yīng)、Compton－Wu效應(yīng)和電子對產(chǎn)生。

射線穿過物質(zhì)時其強度按指數(shù)衰減規(guī)律衰減I0入射

光子束強度，

為物質(zhì)對

光子吸收衰減系數(shù)，x為物質(zhì)厚度。若=/，t=x質(zhì)量厚度，為光子質(zhì)量衰減長度或光子平均自由程，則.977中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第77頁射線與物質(zhì)發(fā)生三重相互作用都含有一定幾率，用截面表示。定義：

表示一個入射光子與單位面積上一個靶原子發(fā)生作用幾率，單位靶恩（b）

1b=10-24cm2發(fā)生作用光子數(shù)（s－1cm－2）靶物質(zhì)原子數(shù)（cm－2）

入射光子數(shù)（s－1cm－2）.978中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第78頁一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)低能光子被介質(zhì)原子吸收而放出電子效應(yīng)。光電子能量

hv為入射光子能量，Ei為第i殼層電子結(jié)合能原子退激發(fā)時發(fā)射特征X射線或俄歇電子。入射光子

原子光電子hv俄歇電子LK原子核.979中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第79頁光電子角分布光電子角分布與入射X光子能量相關(guān)能量低—大角度分散能量高—小角度集中（電離方向）.980中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第80頁X射線譜

L限K限吸收限吸收限光子能量光電質(zhì)量衰減系數(shù)X射線譜X射線吸收限.981中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第81頁射線與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)總截面

1）重元素光電效應(yīng)比輕元素強得多；2）低能射線比高能射線強得多；3）當(dāng)射線能量靠近電子結(jié)合能時，光電效應(yīng)截面最大。光子與原子內(nèi)層電子作用..982中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第82頁二、康普頓－吳有訓(xùn)效應(yīng)光子與原子外層電子作用,可看作在自由電子上散射。Comptonwavelength.983中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第83頁

依據(jù)能動量守恒散射光子能量反沖電子能量入射光子

核外電子出射電子E

出射光子.984中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第84頁反沖角和散射角之間關(guān)系

.985中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第85頁Compton-Wu效應(yīng)散射截面Comptonwavelength.986中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第86頁Compton-Wu散射反沖電子能譜.987中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第87頁(3).散射光子和反沖電子角分布.988中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第88頁三、電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)：光子從原子核旁經(jīng)過，當(dāng)光子能量超出2個電子靜止質(zhì)量之和即1.02MeV時，在原子核庫侖場作用下，光子轉(zhuǎn)化為正負電子對，正負電子能量之和等于入射光子能量。對一定能量入射光子電子對效應(yīng)產(chǎn)生正負電子動能之和為常數(shù)，但就電子或負電子而言其動能從0－2mec2都有可能，動能分配是任意。入射光子能量越大，正負電子發(fā)射方向越前傾。入射光子原子核正負電子對E

E+E-e+e-.989中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第89頁電子對效應(yīng)與湮滅輻射.990中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第90頁電子對湮滅電子對效應(yīng)產(chǎn)生正負電子在吸收物質(zhì)中經(jīng)過電離損失和韌致輻射損失能量。正電子很快被慢化。正電子與物質(zhì)電子相互作用轉(zhuǎn)化為兩個光子現(xiàn)象稱作電子對湮滅。發(fā)生湮滅時，能動量守恒。正負電子動能為0，所以兩個湮滅光子總能量等于正負電子靜止質(zhì)量。湮滅前正負電子總動量為0，湮滅后兩個光子總動量也為0。電子對效應(yīng)截面.991中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第91頁

A.相干散射四、X(γ)線與物質(zhì)作用其它過程

射線與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生干涉(衍射)散射過程叫相干散射。比如X線對鎳晶體衍射產(chǎn)生勞厄斑就是相干散射現(xiàn)象.相干散射是唯一不產(chǎn)生電離過程。

光子與原子核作用發(fā)生核反應(yīng)過程。比如釋放中子、質(zhì)子、β粒子和γ光子等。

B.光核作用.992中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第92頁光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)是光子與核外電子作用結(jié)果，電子對效應(yīng)是光子與原子核電磁場作用結(jié)果。三種效應(yīng)相互競爭，可能同時存在。三種效應(yīng)相對主要性

對低能射線和原子序數(shù)高物質(zhì)光電效應(yīng)占優(yōu)勢；對中能射線和原子序數(shù)低物質(zhì)康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢；對高能射線和原子序數(shù)高物質(zhì)電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。小結(jié).993中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第93頁在三種效應(yīng)中，每個光子都是在一次作用中就損失其全部能量或相當(dāng)大部分能量，并發(fā)射出電子。正是這些電子使得探測射線成為可能。光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)所發(fā)射次級電子能量單一，所以射線探測器物質(zhì)應(yīng)選取Z盡可能大材料。.994中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第94頁五、X(γ)射線吸收

當(dāng)

線經(jīng)過物質(zhì)時，因為光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)等作用，使射線強度逐步減弱。.995中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第95頁射線吸收吸收系數(shù).996中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第96頁A、單能γ線在物質(zhì)中衰減規(guī)律(1)窄束γ線在物質(zhì)中衰減規(guī)律.997中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第97頁光子數(shù)表示則滿足

光子數(shù)降低但頻率不變?。é?0.2cm-1).998中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第98頁(2)寬束γ線在物質(zhì)中衰減規(guī)律積累因子:某物質(zhì)元中γ光子計數(shù)率與未碰撞物質(zhì)γ光子計數(shù)率之比B。Ns:物質(zhì)元散射γ光子計數(shù)率Nn:入射γ光子計數(shù)率B是描述散射光子影響反應(yīng)寬束和窄束區(qū)分物理量寬束γ線衰減規(guī)律B能夠經(jīng)過泰勒級數(shù)展開近似計算求得：.999中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第99頁§1-4中子探測中子與物質(zhì)相互作用主要是中子與原子核強相互作用，即核反應(yīng)。探測中子就是探測中子與原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生次級粒子。中子不帶電，不受庫侖斥力影響，輕易進入原子核發(fā)生核反應(yīng)。不一樣能量中子探測原理核探測器不一樣。中子能量區(qū)分：（1）熱中子（2）慢中子（3）中能中子（4）快中子.9100中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第100頁

中子不帶電，經(jīng)過物質(zhì)時，只有在與原子核直接碰撞時發(fā)生相互作用。但慢中子或熱中子進入原子核易被俘獲，而快中子與原子核主要發(fā)生彈性碰撞。在中子與質(zhì)子(氫核)一次碰撞中,中子部分能量傳給質(zhì)子,產(chǎn)生反沖質(zhì)子,這種帶正電重粒子在組織中速度很快下降,引發(fā)高密度電離作用。中子與氧、碳、氮等原子核也發(fā)生彈性散射，其反沖核引發(fā)高密度電離?？熘凶优c組織中更重原子核相互作用可引發(fā)非彈性散射產(chǎn)生γ射線。另外,中子與物質(zhì)原子核作用還會產(chǎn)生核反應(yīng),在反應(yīng)過程中釋放帶電重粒子、γ光子或產(chǎn)生放射性核素。

中子與物質(zhì)作用.9101中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第101頁一、核反沖法核反沖法是統(tǒng)計中子與原子核彈性散射后反沖核。在彈性散射過程中，中子運動方向改變，能量降低。這降低能量傳遞給原子核，使原子核以一定速度運動，該核稱作反沖核。反沖核含有電荷，能夠作為帶電粒子統(tǒng)計。統(tǒng)計了反沖核，就探測到中子。該方法主要用于探測快中子。由能動量守恒，對En<30MeV中子，反沖核取得動能En入射中子En’散射中子E反沖反沖核

M原子核質(zhì)量反沖角.9102中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第102頁若以質(zhì)量數(shù)代替質(zhì)量，則mn=1,M=A由此可見，反沖核越小取得能量越大。當(dāng)＝0，A＝1時，E反沖＝En，最大。反沖質(zhì)子法

選取含氫物質(zhì)做輻射體，此時反沖核就是質(zhì)子。實際中慣用石蠟、水等含氫物質(zhì)作為中子慢化劑。核反沖法探測中子時應(yīng)選擇輕核物質(zhì)做靶材料。如氫、甲烷等氣體，有機玻璃、有機晶體、塑料等固體。核反沖能夠測量快中子能量。當(dāng)一定時，E反沖正比于En。實際中測量沿入射中子束方向張角為±10度反沖質(zhì)子，此時探測器接收到質(zhì)子數(shù)較多，反沖質(zhì)子能量粗略地等于入射中子能量。.9103中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第103頁二、核反應(yīng)法核反應(yīng)法主要用于測量慢中子通量。個別情況下也可測量快中子能譜。中子通量：單位時間經(jīng)過單位面積中子數(shù)。中子與原子核反應(yīng)作用數(shù)目與中子通量成正比。原子核反應(yīng)用方程式表示：

a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩下核)+Q或簡寫成A（a，b）B試驗表明任何一個核反應(yīng)，箭頭兩邊總電荷數(shù)Z和總質(zhì)量數(shù)A必須相等；反應(yīng)前后體系總能量（靜止能量和動能之和）不變，總動量不變。Q值>0反應(yīng)，放熱反應(yīng)；Q值<0反應(yīng)，吸熱反應(yīng)。.9104中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第104頁當(dāng)前應(yīng)用最多三種核反應(yīng)：

都是放熱反應(yīng)，反應(yīng)放出能量變成次級粒子動能。

0是熱中子反應(yīng)截面，都很大。截面改變速度反比定律

中子能量小于1KeV很大范圍內(nèi)，反應(yīng)截面與中子速度成反比。.9105中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第105頁實際應(yīng)用最廣是反應(yīng)。因為硼材料比較輕易得到，氣態(tài)可選取BF3氣體，固態(tài)有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量較高，易濃縮。中子與10B反應(yīng)有兩個過程：.9106中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第106頁三、核裂變法核裂變法就是經(jīng)過統(tǒng)計中子與重核作用產(chǎn)生裂變碎片來探測中子方法。探測不一樣能量中子選取不一樣裂變材料

對熱中子和慢中子選235U(=528b)，239Pu(=743b)，233U(=531b)。裂變時放出能量很大，大約是200MeV，兩個裂變碎片共帶走170MeV能量。入射中子能量遠小于它，故該法不能測量中子能量，主要測量中子通量。核裂變法特點是放出反應(yīng)能很大，所以本底對測量沒有影響，能夠在強本底下測量中子。許多重核只有在入射中子能量大于某個閾值后才能發(fā)生裂變。利用一系列不一樣閾能裂變元素來判斷中子能量，這種探測器稱為閾探測器。.9107中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第107頁慣用裂變閾探測器材料特征裂變材料熱中子裂變截面（mb)閾能（MeV）3MeV時裂變截面（mb)半衰期（y)232Th231Pa234U236U238U237Np209Bi<0.210<0.6－<0.5191.750.50.40.81.450.75500.191.11.50.850.551.51.41×10103.28×10102.45×1052.34×1074.47×1092.14×106.9108中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第108頁四、活化法活化法是中子輻照樣品，使之發(fā)生核反應(yīng)，生成含有一定壽命放射性核素，放射性核素經(jīng)過發(fā)射射線或射線回到穩(wěn)定核。這種俘獲中子，輻射射線或射線過程稱為輻射俘獲，亦稱活化。例用115In做激活材料，受中子照射后，新生成核素普通都不穩(wěn)定，116In就是放射性，測量經(jīng)中子輻照后材料放射性，就能夠知道中子強度?；罨ㄓ袕V泛應(yīng)用，很多、放射性核素就是利用這種方法在反應(yīng)堆中照射生成。.9109中國科大汪曉蓮微觀粒子及其探測原理第109頁活化分析方法是經(jīng)過分析樣品俘獲中子后產(chǎn)生放射性來實現(xiàn)對樣品成份非破壞性分析?；罨ㄔ敿毑僮鬟^程

設(shè)活化靶為薄片，單位時間單位面積1cm2靶物質(zhì)俘獲中子數(shù)每個原子有效俘獲截面，d靶厚N單位體積1cm3中靶原子數(shù)，?中子通量中子輻照靶時，首先靶中放射性核不停增加，另首先生成放射性核按一定半衰期衰變。只要中子輻照時間遠大于激活放射性半衰期，則放