核輻射物理及探測學(xué)課件

1第八章

閃爍探測器

時間特性好，探測效率高。

閃爍體光電倍增管閃爍探測器的輸出信號閃爍探測器的性能單晶能譜儀

熒光物質(zhì)，閃爍體。(Scintillationdetectors)2§8.1閃爍探測器基本原理

閃爍體：次級電子，電離激發(fā)，退激發(fā)光；光電倍增管：入射窗，光陰極，打拿極，陽極；分壓器，各個電極電位，前置放大器。3光電倍增管的電子倍增系數(shù)：

光電倍增管通常N有10-14級打拿極，每一打拿極的電子倍增系數(shù)

~3-6，避光外殼：閃爍晶體、光電倍增管、分壓器、射極跟隨器。坡莫合金：防止外界磁場影響對電子的聚焦、傳輸性能。45§8.2閃爍體一．閃爍體的分類二．閃爍體的發(fā)光機(jī)制三．閃爍體的物理特性四．常用閃爍體理想的閃爍體：探測效率高，轉(zhuǎn)換效率高，線性范圍大，自吸收小，發(fā)光時間短，加工性能好。6一．閃爍體的分類7無機(jī)閃爍體：光輸出產(chǎn)額高、線性好，發(fā)光時間較長。1、無機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制

2、有機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制有機(jī)閃爍體：發(fā)光時間短，光輸出產(chǎn)額低。二．閃爍體的發(fā)光機(jī)制8

摻雜的無機(jī)晶體：NaI(Tl)、CsI(Tl)，也叫鹵素堿金屬晶體。無機(jī)閃爍體的發(fā)光機(jī)制：9

導(dǎo)帶上自由電子和價帶上空穴可以復(fù)合成激子；激子也可以吸收熱運(yùn)動能量而變成自由電子-空穴。

入射粒子可以產(chǎn)生電子-空穴對，也可產(chǎn)生激子。退激可能發(fā)出光子，也可能晶格振動而不發(fā)光。純離子晶體：

禁帶寬度大，退激發(fā)光在紫外范圍，光陰極不響應(yīng)。

退激發(fā)出的光子容易被晶體自吸收，傳輸出的光子少；10

在晶體中摻雜，叫做激活劑，含量103量級。

原子受激產(chǎn)生的電子-空穴遷移到雜質(zhì)能量的激發(fā)態(tài)和基態(tài)上，使雜質(zhì)原子處于激發(fā)態(tài)。雜質(zhì)原子退激：熒光：<10

7sec.。猝滅：轉(zhuǎn)換為晶格的熱運(yùn)動。

雜質(zhì)形成特殊晶格點(diǎn)，并在禁帶中形成局部能級。磷光：亞穩(wěn)態(tài)，發(fā)光時間較長。11

在NaI(Tl)中產(chǎn)生一對電子-空穴對需要~20eV能量。

如果入射帶電粒子在NaI(Tl)中損失1MeV能量，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)：NaI(Tl)的閃爍光能占入射能量~13%，

吸收1MeV能量產(chǎn)生總光能：

產(chǎn)生光子數(shù)：

閃爍光子平均能量~3eV，121、發(fā)射光譜2、發(fā)光效率(能量轉(zhuǎn)換效率、光能產(chǎn)額，及相對值)3、發(fā)光時間4、閃爍體其他特性三．閃爍體的物理特性131、發(fā)射光譜

閃爍體發(fā)射光子數(shù)隨光子波長(能量)的關(guān)系曲線。

發(fā)射光譜與閃爍體、激活劑、移波劑、溫度有關(guān)。142、發(fā)光效率

能量轉(zhuǎn)換效率、光能產(chǎn)額，及其相對值。NaI(Tl)晶體：Yph(e)=4.3104/MeV。NaI(Tl)晶體：Cnp()=2.6%，Cnp()=13%。能量轉(zhuǎn)換效率(閃爍效率，發(fā)光效率)：光能產(chǎn)額(光輸出，光產(chǎn)額)：15

能量轉(zhuǎn)換效率與光能產(chǎn)額的關(guān)系：

相對能量轉(zhuǎn)換效率、相對光能產(chǎn)額。閃爍體

和閃爍效率(%)相對NaI(Tl)相對蒽NaI(Tl)100230ZnS(Ag)130蒽43100液體閃爍體20~80幾種閃爍體的相對閃爍效率

希望較高的發(fā)光效率，對不同能量保持常數(shù)。163、閃爍發(fā)光時間

上升時間包括入射粒子耗盡能量的時間和閃爍體中電子激發(fā)時間。

單位時間發(fā)出的光子數(shù)：NaI(Tl)晶體：

0=0.23

s。

閃爍光脈沖中包含的光子數(shù)：所以，17

對大多數(shù)有機(jī)晶體和少數(shù)無機(jī)晶體，對有機(jī)閃爍體：對一些無機(jī)閃爍體：可以用作n

甑別。18閃爍體

f(ns)

s(

s)BaF20.60.62CsI(Tl)101.0芪6.20.37蒽330.37液體閃爍體2.40.20塑料閃爍體1.3NaI(Tl)0.23幾種閃爍體的發(fā)光衰減時間也發(fā)現(xiàn)有三種發(fā)光衰減時間的閃爍晶體(如PbWO4…)。194、閃爍體其他特性

探測效率：與體積有關(guān)，與閃爍體物質(zhì)(

,Z)有關(guān)；

透明度和光學(xué)均勻性；加工性；溫度效應(yīng)；耐輻照的穩(wěn)定性。201、NaI(Tl)晶體2、CsI(Tl)和CsI(Na)晶體3、BGO晶體(Bi4Ge3O12)4、ZnS(Ag)晶體5、BaF2晶體6、蒽晶體7、液體閃爍體8、塑料閃爍體9、氣體閃爍體四．常用閃爍體211、NaI(Tl)晶體優(yōu)點(diǎn)：密度大，

=3.67g/cm3，探測效率高；

Z高，碘(Z=53)占重量85%，光電截面大；相對發(fā)光效率高，為蒽的2.3倍；發(fā)射光譜最強(qiáng)波長415nm，與PMT光譜響應(yīng)配合；晶體透明性能好；能量分辨率較高，~7.5%@662keV-。缺點(diǎn)：容易潮解。22NaI(Tl)晶體封裝結(jié)構(gòu)1-硬質(zhì)玻璃；2-NaI(Tl)晶體；3-光學(xué)耦合劑；4-光反射層；5-金屬鋁殼；6-海綿墊襯；7-密封環(huán)氧樹脂。232、CsI(Tl)和CsI(Na)晶體優(yōu)點(diǎn)：密度大，

=4.51g/cm3；

Z高，銫(Z=55)，碘(Z=53)；機(jī)械強(qiáng)度好；加工性能好；

CsI(Tl)可以用作粒子甑別。缺點(diǎn)：

CsI(Na)容易潮解；CsI(Tl)輕度潮解。243、BGO晶體

(Bi4Ge3O12

，鍺酸鉍)優(yōu)點(diǎn)：密度大，

=7.13g/cm3；

Z高，鉍(Z=83)；缺點(diǎn)：發(fā)光效率低，為NaI(Tl)的8~14%。

機(jī)械性能好；化學(xué)穩(wěn)定性好；光學(xué)透明性好。254、ZnS(Ag)晶體

發(fā)光效率高；多晶粉末；透光性差，厚度約10~20mg/cm2。5、BaF2晶體

密度大，

=4.89g/cm3；發(fā)射光譜紫外波段，雙峰光譜，最強(qiáng)峰310nm；發(fā)光衰減時間0.6ns；發(fā)光效率低，比NaI(Tl)小一個量級。266、蒽晶體

發(fā)光效率高，常用作標(biāo)準(zhǔn)；原子量低，含氫量大；制作困難，價格昂貴；容易損壞。7、液體閃爍體

發(fā)光衰減時間短，~2.4ns；透明度好，制備容易，成本低。

由溶劑(二甲苯)+熒光物質(zhì)+波長轉(zhuǎn)換劑組成。278、塑料閃爍體

發(fā)光衰減時間短，1~3ns；透明度高，光傳輸性能好；機(jī)械性能好，性能穩(wěn)定；耐輻射特性好。

由溶劑(苯乙烯)+熒光物質(zhì)+波長轉(zhuǎn)換劑，聚合而成。9、氣體閃爍體

粒子進(jìn)入氣體中，通過激發(fā)、退激，發(fā)射光子。

Xe、Ke、Ar、He等高純度氣體都是閃爍氣體；加入少量N，紫外光移波到可見光。光子發(fā)射有競爭過程，氣體閃爍體的效率比較低。氣體退激時間為ns量級，是最快的閃爍材料之一。28反射層、耦合劑、光導(dǎo)。光學(xué)反射層：鏡面反射、漫反射。

鋁箔、鍍鋁塑料薄膜，氧化鎂、二氧化鈦、聚四氟乙烯塑料帶，等。

時間測量中，也可以用吸收材料。五．閃爍光的收集29光學(xué)耦合劑：

當(dāng)光子由光密物質(zhì)(n0)射向光疏物質(zhì)(n1)時，發(fā)生全反射的臨界角：周圍介質(zhì)(折射系數(shù)=n1)閃爍體(折射系數(shù)=n0)

在閃爍體與PMT之間填充硅油(n1

1.5)。30光導(dǎo)：具有一定形狀的光學(xué)透明固體材料，連接閃爍體與光電倍增管。

閃爍體窗面積、形狀與PMT窗面積、形狀不同時；

用硅油填充閃爍體-光導(dǎo)、光導(dǎo)-PMT的交界面。

強(qiáng)磁場中探測時，用較長的光導(dǎo)連接把閃爍體與PMT分隔開。

在空間較小處，用光纖連接較小的閃爍體與PMT。31§8.3電子倍增器件一．光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理二．光電倍增管的供電回路三．光電倍增管的主要性能四．通道型電子倍增器件光電倍增管，通道型電子倍增器件32

光學(xué)窗，光陰極，電子光學(xué)輸入系統(tǒng)，電子倍增系統(tǒng)(打拿極)，電子收集(陽極)。一．光電倍增管(PMT)的結(jié)構(gòu)與工作原理33光學(xué)窗：硼玻璃窗、石英玻璃窗。光陰極：通常為化合物材料，兩種形式。電子光學(xué)系統(tǒng)：聚焦極、加速極。加速電位。34打拿極：二次發(fā)射系數(shù)大；熱電子與光電子發(fā)射??；大電流工作時性能穩(wěn)定；形狀；快速響應(yīng)。陽極：鎳、鉬、鈮，二次電子發(fā)射小。35K-D1電壓較高，提高S/N和能量分辨率；中間各打拿極一般均勻分壓；最后幾個打拿極間高電壓、大電流，電容穩(wěn)壓；最后打拿極與陽極間電壓較小。二．光電倍增管的供電回路36

正高壓供電方式：

負(fù)高壓供電方式：371、光陰極的光譜響應(yīng)2、光陰極的光照靈敏度3、第一打拿極的電子收集系數(shù)4、光電倍增管的放大倍數(shù)5、陽極光照靈敏度6、光電倍增管的時間特性7、光電倍增管的暗電流8、光陰極的均勻性9、穩(wěn)定性三．光電倍增管的主要性能381、光陰極的光譜響應(yīng)

光陰極受到光照射后發(fā)射光電子的幾率是波長的函數(shù)，叫做光陰極的光譜響應(yīng)。

光陰極光譜響應(yīng)需要與閃爍體發(fā)射光譜匹配。

量子效率：39平均量子效率：402、光陰極(陽極)的光照靈敏度

gc對PMT的幅度分辨率影響較大，在有聚焦極的光電倍增管中，gc可達(dá)95%以上。其中：i

是光電子流(

A)，F(xiàn)是光通量(lm)。3、第一打拿極的電子收集系數(shù)414、光電倍增管的電流放大倍數(shù)

聚焦型：g1；非聚焦型：g<1。其中：g是電子傳輸效率，

是各級電子倍增系數(shù)，

n是倍增電極數(shù)。

有的資料把電流放大倍數(shù)定義為：42PMT輸出脈沖中的電荷量：E：入射粒子能量；Yph：光能產(chǎn)額；Fph：光子傳輸系數(shù)；

：平均量子效率；gc：收集效率；

：電子倍增系數(shù)。43

對一般材料，

大致為3~5；雙堿金屬材料，

可以達(dá)到~10；

GaP材料，

可以為50~60。

如果電流放大倍數(shù)M采用后一種定義，也可寫成：

各倍增電極的電子倍增系數(shù)：其中，VD是倍增電極之間的電壓，a、b是常數(shù)。441、單通道型電子倍增器四．通道型電子倍增器件452、多通道型電子倍增器(微通道板，MCP)工作環(huán)境：<10

4Pa

通道軸向偏離法線~8

。

對電子的倍增系數(shù)：其中：A=0.2V為工作電壓；

V0為二次電子初始能量。46

正離子反饋形成自激限制了MCP的電子倍增系數(shù)。

將兩片MCP串聯(lián)使用，以獲得足夠的倍增系數(shù)：

兩片MCP通道方向交錯。

倍增電子由陽極接收：普通陽極，一維(二維)位置靈敏陽極。47

單片倍增系數(shù)：

~103~104。

雙片倍增系數(shù)：

~105~107。

測得飛行時間譜的FWHM可達(dá)200ps。

輸出脈沖上升時間可達(dá)360ps。48一維電阻陽極二維電阻陽極49二維鍥條型陽極（WSA）50第三代電子動量譜儀（EMS-3）

位置分辨率：0.1mm；能量分辨率：1.0-1.2eV；角度分辨率：

=1.9

；入射電子能量：400-2400V；探測效率提高2個量級。（e,2e）5152Momentum(a.u.)RelativeIntensity1b3ginC2H453§8.4閃爍探測器的輸出信號一．閃爍探測器輸出信號的物理過程二．閃爍探測器的輸出回路三．電流脈沖信號四．電壓脈沖信號五．輸出信號的漲落六．閃爍探測器的主要性能54一．閃爍探測器輸出信號的物理過程

倍增電子向后級漂移，感應(yīng)電流從外回路流過。55二．閃爍探測器的輸出回路5657探測器輸出回路小結(jié)58591、光電倍增管的單電子響應(yīng)函數(shù)上升時間：tr~1.2~30ns；響應(yīng)寬度：

~2~40ns；度越時間：

e~20~80ns，

e~1~3ns。總電荷量：q=Me

，~105~1010e

；三．電流脈沖信號602、輸出電流脈沖第一打拿極接收光電子的分布：一次閃爍光引起的輸出電流：

對大多數(shù)無機(jī)閃爍體，單電子響應(yīng)函數(shù)可以用

函數(shù)近似，這時輸出電流，61把單電子響應(yīng)函數(shù)的輸出電流代入，得：輸出電壓信號的一般形式：四．電壓脈沖信號62在短時間區(qū)域，在足夠長的時間區(qū)域，(1)當(dāng)RC>>

0時，

脈沖前沿~

0，脈沖后沿~RC，Vmax

Q。

隨RC減小，后沿下降加快，脈沖寬度變窄。63在短時間區(qū)域，在足夠長的時間區(qū)域，(2)當(dāng)RC<<

0時，

上升時間~RC

，下降時間~

0

，Vmax

。

隨RC減小，上升時間加快。64V(t)在t=RC處取極大值，在實(shí)際使用中，常選取RC=

0

。(3)當(dāng)RC=

0時，

只有當(dāng)C=0時，V=I(t)R；而一般情況下，C0。

當(dāng)單電子響應(yīng)函數(shù)不為

函數(shù)時，使輸出脈寬變大，脈沖前沿變慢。65光電倍增管輸出電荷數(shù)Na是串級型隨機(jī)變量：

(1)閃爍體發(fā)出的光子數(shù)Nph

，服從泊松分布；

(2)對應(yīng)于閃爍體發(fā)出一個光子，第一打拿極收集到的光電子數(shù)Nf

，是貝努里型隨機(jī)變量；

(3)PMT的電子倍增系數(shù)M

。

第一打拿極收集的光電子數(shù)Ne是二級串級型隨機(jī)變量，平均值與方差為：五．輸出信號的漲落66

陽極輸出電子數(shù)Na是由Ne和M組成的二級串級型隨機(jī)變量，其平均值與方差為，PMT電子倍增系數(shù)M是各級倍增因子

i串級而成的多級串級型隨機(jī)變量，平均值為：67所以，于是，Na的方差為，M的方差，68

進(jìn)一步的研究給出更精細(xì)的結(jié)果，

因此，閃爍探測器的能量分辨率為，69§8.5單晶

閃爍譜儀一．

閃爍譜儀的組成與工作原理二．單能射線的次級電子能譜三．射線的輸出脈沖幅度譜四．NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的性能70閃爍探測器高壓電源多道分析器前置放大器主放大器

探測次級電子能譜。光電效應(yīng)，Compton效應(yīng)，電子對效應(yīng)。一．

閃爍譜儀的組成與工作原理711、小尺寸閃爍體二．單能射線的次級電子能譜

閃爍體僅吸收次級電子的能量。2m0c2722、大尺寸閃爍體

閃爍體吸收全部次級電子、次級電磁輻射能量。733、中等尺寸閃爍體

閃爍體吸收次級電子能量，以一定幾率吸收次級電磁輻射能量。741、單能射線三．射線的輸出脈沖幅度譜

輸出幅度漲落使峰寬度、邊界展寬。PMT噪聲與暗電流形成小幅度連續(xù)譜。752、兩種能量的射線較高能射線：全能、單逃、雙逃、康普頓、湮沒峰；較低能射線：全能、康普頓邊緣、康普頓坪；特征x射線峰、反散射峰。76閃爍體原子序數(shù)Z密度發(fā)光效率NaI(Tl)11,533.67100Bi4Ge3O1283,32,87.137~14探測效率、能量分辨率、光電峰、逃逸峰。773、多種能量的射線781、能量分辨率

2、探測效率與坪特性

3、分辨時間

4、閃爍探測器的穩(wěn)定性四．NaI(Tl)單晶閃爍譜儀的性能791、能量分辨率

電子倍增系數(shù)M與工作電壓V0的關(guān)系：其中，V0是PMT總電壓，a、b是常數(shù)，n是打拿極數(shù)。

工作電壓波動引起的倍增系數(shù)變化：通常要求PMT的電源穩(wěn)定性好于0.1%。80所以：閃爍探測器的能量分辨率為，812、探測效率絕對總效率絕對峰效率本征總效率本征峰效率8283放射性現(xiàn)象、放射性衰變基本規(guī)律，連續(xù)衰變規(guī)律、放射系，衰變規(guī)律的應(yīng)用等。第二章

原子核的放射性841896年，Becquerel在鈾礦物中發(fā)現(xiàn)射線。

射線是氦核，帶正電荷，貫穿本領(lǐng)小；

射線是高速電子流，帶負(fù)電，貫穿本領(lǐng)較大；

射線是波長很短的電磁波，貫穿本領(lǐng)大。在磁場中發(fā)現(xiàn)，射線有三種成份：

1、一種在磁場中偏轉(zhuǎn)，與帶正電荷離子流相同；

2、一種在磁場中偏轉(zhuǎn)，與帶負(fù)電荷粒子流相同；

3、一種在磁場中不偏轉(zhuǎn)。分別叫做、、射線。§2.1原子核放射性的一般現(xiàn)象85

天然和人工生產(chǎn)的核素都能自發(fā)地發(fā)射：、、；e+、p、n、…；同時發(fā)射幾種射線。

放射性現(xiàn)象與原子核的衰變密切相關(guān)。原子核的衰變：在沒有外界影響的情況下，原子核自發(fā)地發(fā)射粒子并發(fā)生改變的現(xiàn)象。放射性：原子核自發(fā)地發(fā)射各種射線的現(xiàn)象。放射性核素：能自發(fā)地發(fā)射各種射線的核素，不穩(wěn)定核素。

放射性現(xiàn)象是由原子核的變化引起的，與核外電子狀態(tài)的改變關(guān)系很小。86

衰變：原子核自發(fā)地發(fā)射

粒子而發(fā)生的變化。例如：

衰變：原子核自發(fā)地發(fā)射電子或正電子或俘獲一個軌道電子而發(fā)生的變化。

–衰變：原子核自發(fā)地發(fā)射電子而發(fā)生的變化。

+衰變：核自發(fā)地發(fā)射正電子而發(fā)生的變化。87

軌道電子俘獲：原子核自發(fā)地從核外軌道上俘獲一個電子而發(fā)生的變化。

衰變中母核與子核互為相鄰的同量異位素。

衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核自發(fā)地向基態(tài)躍遷，也稱為

躍遷，在

躍遷中通常放出

射線。

衰變是原子核內(nèi)部能量狀態(tài)發(fā)生變化，不會導(dǎo)致核素發(fā)生變化。因此

衰變的子核與母核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都不會發(fā)生改變。

天然放射性，人工放射性。88270.9d692.440.159%EC0.18%7.7EC99.8%6.47/2

5/2

5/2

3/2

1/2

014.41136.47706.410136.4710.47%e1.54%122.0685.7%e2.05%14.419.64%e79.0%QEC=836.60.6keV30.17y0661.662.55m661.6685.0%e9.6%11/2

3/2

7/2

0=1173.20.9keV

511.694.6%9.6

1173.25.4%12.1衰變綱圖89一．單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律二．衰變常數(shù)、半衰期、平均壽命和衰變寬度三．放射性活度§2.2原子核衰變的基本規(guī)律90不能預(yù)測某個核在某個時刻發(fā)生衰變；因?yàn)樗プ?，原子核的?shù)目隨時間減少有一定規(guī)律。222Rn的衰變圖一．單一放射性的指數(shù)衰減規(guī)律91

的衰變規(guī)律可以用指數(shù)衰減描述，

指數(shù)衰減規(guī)律是各種放射性原子核單獨(dú)存在時都遵守的普遍規(guī)律。

指數(shù)衰減規(guī)律的另外一種形式，

原子核衰變的過程：0N(0)N(t)tt

dNt+dt92

從衰減規(guī)律的微分形式得，

的物理意義：在時間t附近單位時間內(nèi)原子核發(fā)生衰變的幾率。

是常數(shù)，各原子核的衰變幾率相同，各個原子核的衰變是獨(dú)立無關(guān)的。

某一個核的衰變是偶然性事件，大量原子核的衰變規(guī)律就表現(xiàn)出指數(shù)規(guī)律描述的必然性規(guī)律。二．衰變常數(shù)、半衰期、平均壽命和衰變寬度93定義：半衰期T1/2

通過衰變，放射性原子核數(shù)目衰減到原來數(shù)目一半所需的時間。如果一種放射性核素同時具有幾種衰變模式，總的衰變常數(shù)為各分支衰變常數(shù)之和。94定義：平均壽命

放射性原子核平均生存的時間。

在t

t+dt時間內(nèi)，發(fā)生衰變的原子核數(shù)目為：

–dN＝

N(t)dt它們的壽命是t，總壽命是：

(–dN)t

＝tN(t)dt如果t=0時有原子核N(0)個，它們的平均壽命就為：95當(dāng)t=

時，放射性原子核的數(shù)目為，平均壽命

、半衰期T1/2和衰變常數(shù)

的關(guān)系，衰變寬度：

原子核激發(fā)態(tài)能量E0，能級有寬度。根據(jù)測不準(zhǔn)原理，能級寬度

與能級壽命

有，96

由量子力學(xué)躍遷概率公式，處于中心能量E0的能級上不同能量E的概率為，其中A(E)為能量為E的態(tài)的振幅。

由測不準(zhǔn)關(guān)系，衰變寬度與能級壽命

聯(lián)系起來。原子核激發(fā)態(tài)處于能量E的概率97定義：在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)，稱為放射性活度A(t)，也稱為衰變率J(t)，

放射源發(fā)出放射性粒子的多少，與放射源含有的放射性原子核數(shù)目有關(guān)，還與衰變常數(shù)

有關(guān)。三．放射性活度98

放射性活度是指單位時間發(fā)生衰變的原子核數(shù)目，而不是放射源發(fā)出的粒子數(shù)目。歷史上，采用Ci(居里)作為放射性活度的單位，1975年國際計量大會新規(guī)定：放射性活度的國際單位為Bq(貝可勒爾)，99例如137Cs，每發(fā)生100次衰變，發(fā)出的粒子數(shù)有：

最大能量為1.17MeV的粒子5個；最大能量為512keV的粒子95個；能量為662keV的粒子85個；能量約為662keV的內(nèi)轉(zhuǎn)換電子10個；還有特征x射線等。30.17y0661.662.55m661.6685.0%e9.6%11/2

3/2

7/2

0=1173.20.9keV

511.694.6%9.6

1173.25.4%12.1100

一種核素同時具有幾種不同的衰變模式，每一種衰變模式都有相應(yīng)的衰變常數(shù)

i。核素總的衰變常數(shù)為各分支衰變常數(shù)

i之和，定義：分支比Ri為各分支衰變的相對強(qiáng)度，例如：純60Co

1200Ci/g，目前生產(chǎn)最高700Ci/g。定義：比活度為單位質(zhì)量放射源的放射性活度，Bq/g101一．兩次連續(xù)衰變規(guī)律二．多次連續(xù)衰變規(guī)律三．放射性平衡連續(xù)衰變：原子核的衰變一代又一代連續(xù)進(jìn)行，直至最后達(dá)到穩(wěn)定為止?！?.3連續(xù)衰變規(guī)律102

母體衰變成子體，子體衰變成穩(wěn)定核。如

設(shè)兩次連續(xù)衰變的一般表達(dá)式，其中：A、B、C的衰變常數(shù)為

1、

2、

3=0；t時刻

A、B、C的原子核數(shù)為N1、

N2、

N3

；t=0時A、B、C的原子核數(shù)為N10、

N20=

N30=0

。一．兩次連續(xù)衰變規(guī)律103

子體B的原子核數(shù)目同時受到母體衰變速度和子體衰變速度影響，

求解微分方程，得子體B的原子核數(shù)目隨時間的變化，

由母體和子體的衰變常數(shù)共同決定。

母體A的衰變不受子體影響，其原子核數(shù)N1為，104

子體C不發(fā)生衰變，其原子核數(shù)N3只受到子體B衰變速度的影響，

將N2(t)代入，并求解微分方程，得子體C的原子核數(shù)目隨時間的變化，

也由母體和子體的衰變常數(shù)共同決定。

當(dāng)t

，N3(t)N10，母體全部衰變成子體C。子體C是穩(wěn)定的，不再發(fā)生衰變。105

多次連續(xù)衰變的一般表達(dá)式，

子體C也會發(fā)生衰變，其原子核數(shù)N3受到子體B衰變速度和子體C衰變速度的影響。

母體衰變成若干代子體，最終子體衰變成穩(wěn)定核。二．多次連續(xù)衰變規(guī)律106求解微分方程，并利用初始條件(t=0，N30=0)得，其中，c1、

c2、

c3是常數(shù)。107

對于n代連續(xù)放射性衰變過程，共有n+1種核素，

設(shè)前面n種核素的衰變常數(shù)為

1,

2,

3,…,

n；初始條件：N10，N20=N30=…=Nn0=Nn+1=0。其中，前面n種都是不穩(wěn)定核素，都有衰變過程；第n+1種是穩(wěn)定核素。其中，c1,

c2,…,cn是常數(shù)。

可得第n種核素An的原子核數(shù)隨時間的變化，108…………在連續(xù)放射性衰變中，母體衰變是單一放射性衰變，服從指數(shù)衰減規(guī)律；其余各代子體的衰變規(guī)律不再是簡單指數(shù)規(guī)律，而與前面各代衰變常數(shù)都有關(guān)。109

在連續(xù)放射性衰變中，各代母核子核的衰變常數(shù)有大有小，衰變有快有慢。

在連續(xù)放射性衰變中，母體的衰變情況總是服從單一指數(shù)衰減規(guī)律的。三．放射性平衡問題：如果時間足夠長，各代核素的衰變規(guī)律會出現(xiàn)什么情況？110條件：

T1>T2，

1<

2，但是T1也不是很大，在觀察時間內(nèi)可以看出母體放射性的變化。結(jié)論：經(jīng)過足夠長時間后，子體的原子核數(shù)目將與母體的核數(shù)目建立起固定的比例關(guān)系，子體按照母體的半衰期衰減。1、暫時平衡111

根據(jù)子體B的原子核數(shù)目隨時間的變化，

由于

1<

2，當(dāng)t足夠大時，

即，112

子體的原子核數(shù)目(t=0)從零開始增長，t很大后按母體半衰期衰減，核數(shù)減少，存在一個極大值，

在tm處取得極大值，

1<

2，tm>0，且僅與

1、

2有關(guān)。即，

在t=tm時，N2(t)取極大值，113b：母體衰變(T1=12.6h)時的放射性活度A1指數(shù)規(guī)律；暫時平衡(

1<

2)tmea：子體的放射性活度A2隨時間的變化；c：母子體的總放射性活度(A1+A2)隨時間的變化；d：子體單獨(dú)存在時的衰變規(guī)律(T2=0.81h)，e：a的直線部分外推。114

對于多代連續(xù)放射性衰變過程，

只要母體A1的衰變常數(shù)

1比

2,

3,…,

n都小，當(dāng)時間足夠長以后，整個衰變系列會達(dá)到暫時平衡。即：各代子體的放射性活度之比不隨時間變化；各代子體都按母體的半衰期衰減。

因?yàn)?/p>

1最小，經(jīng)過足夠長時間，A2和A1建立起暫時平衡，A2按照

1衰變；

然后，A3和A2建立起暫時平衡，A3又按照

1衰變；以后各代也都會到達(dá)平衡。115條件：

T1?T2，

1?

2，并且在觀察時間內(nèi)看不出母體放射性的變化。結(jié)論：在經(jīng)過足夠長的時間后，子體的原子核數(shù)目和放射性活度達(dá)到飽和，并且子體和母體的放射性活度相等。2、長期平衡116

根據(jù)子體B的原子核數(shù)目隨時間的變化，

由于

1?

2，當(dāng)t足夠大時(t>5T2)，

即，

時間足夠長，子體母體之間出現(xiàn)長期平衡，子體的放射性活度與母體相同，達(dá)到飽和。117a：子體的放射性活度A2隨時間的變化；長期平衡(

1?

2)b：母體衰變(T1

)時的放射性活度A1；c：母子體的總放射性活度(A1+A2)隨時間的變化；d：子體單獨(dú)存在時的衰變規(guī)律。118

對于多代連續(xù)放射性衰變過程，

只要母體A1的半衰期T1很大，在觀察期間看不出母體的變化，而且各代子體的半衰期都比母體半衰期小得多(而不管各代子體的半衰期的差異如何)，當(dāng)時間足夠長以后，整個衰變系列達(dá)到長期平衡。

各代子體的核數(shù)目保持固定比例，不隨時間改變；各代子體的放射性活度都與母體的活度相同。i=2,3,4,…119例：長期平衡系列中227Ac的半衰期為21.8a，

求231Pa的半衰期。解：120條件：T1<T2，

1>

2，母體衰變比子體快。3、不成平衡的情況(逐代衰變)結(jié)論：當(dāng)時間足夠長，母體幾乎全部衰變，轉(zhuǎn)變成子體，子體按照自己的衰變常數(shù)衰變。

當(dāng)t足夠大時，

根據(jù)子體B的原子核數(shù)目隨時間的變化，121a：子體的放射性活度A2隨時間的變化；逐代衰變(

1>

2)b：母體衰變時的放射性活度A1；c：母子體的總放射性活度(A1+A2)隨時間的變化；d：子體單獨(dú)存在時的衰變規(guī)律。122

如果多代連續(xù)放射性衰變過程中，上一代核素都比下一代核素衰變得快，在經(jīng)過足夠長的時間后，不會形成平衡，而是形成逐代衰變的情況。

多代連續(xù)放射性衰變過程在經(jīng)過長時間后，往往出現(xiàn)暫時平衡、長期平衡和逐代衰變的混合情況。

暫時平衡：T1>T2，

N2

N1，N2(

1)，A2>A1；長期平衡：T1?T2，N2

N1，N2(

1)，A2=A1；不成平衡：T1<T2，

N10，N2(

2)。123第九章

半導(dǎo)體探測器(Semiconductordetectors)本章內(nèi)容：半導(dǎo)體基本性質(zhì)；

PN結(jié)型、鋰漂移型、高純鍺半導(dǎo)體探測器探測器的信息載流子：氣體探測器，電子離子對，w~30eV；閃爍探測器，D1收集的電子，w~300eV；半導(dǎo)體探測器，電子空穴對，w~3eV。半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)：能量分辨率高，探測效率高。124§9.1半導(dǎo)體基本性質(zhì)一．本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體二．半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能

常用半導(dǎo)體材料：Si、Ge(IV族元素)1251、本征半導(dǎo)體

理想的、純凈的半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體中由于熱運(yùn)動產(chǎn)生的電子和空穴密度：禁帶寬度：室溫下的本征硅，

本征鍺，一．本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體

半導(dǎo)體中的載流子密度小，隨溫度變化。1262、雜質(zhì)半導(dǎo)體

在半導(dǎo)體材料中有選擇地?fù)饺胍恍╇s質(zhì)。雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體禁帶中產(chǎn)生局部能級，影響半導(dǎo)體的性質(zhì)。3、施主雜質(zhì)和施主能級V族元素，如P、As、Sb。能級接近導(dǎo)帶底端能量；室溫下熱運(yùn)動使雜質(zhì)原子離化；離化產(chǎn)生的電子進(jìn)入導(dǎo)帶。

摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，叫做N型半導(dǎo)體。1274、受主雜質(zhì)和受主能級III族元素，如B、Al、Ga。能級接近滿帶頂端能量；室溫下滿帶中電子容易躍遷這些能級上；在滿帶中出現(xiàn)空穴。

摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，叫做P型半導(dǎo)體。1281、載流子密度

半導(dǎo)體中電子和空穴的密度乘積為，

因此，本征半導(dǎo)體的載流子密度ni、pi和雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子密度n、p滿足，2、補(bǔ)償效應(yīng)N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)幾乎全部電離，n>p

。二．半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)的物理性能1293、平均電離能

入射粒子在半導(dǎo)體介質(zhì)中平均產(chǎn)生一對電子空穴需要的能量。

半導(dǎo)體中的平均電離能與入射粒子能量無關(guān)。

300K，w(Si)=3.62eV77K，w(Si)=3.76eV，w(Ge)=2.96eV。

如果在N型半導(dǎo)體中加入受主雜質(zhì)，

當(dāng)p>n，N型半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為P型半導(dǎo)體。叫做補(bǔ)償效應(yīng)。

當(dāng)p=n，完全補(bǔ)償。130當(dāng)電場升高時，漂移速度隨電場的增加速率變慢；當(dāng)E~1045V/cm時：達(dá)到飽和漂移速度~107cm/sec.4、載流子的遷移率300K，(Si)77K，(Si)遷移率隨溫度下降而上升，300K，(Ge)

電子遷移率與空穴遷移率相差倍數(shù)，當(dāng)E~103V/cm時：131空穴在Ge中的漂移速度

電場一定時，低溫的漂移速度大。

低溫：Es~103V/cm；室溫：Es~104V/cm。

電場強(qiáng)度較小時，u與場強(qiáng)成正比；電場強(qiáng)度較大時，u隨場強(qiáng)增加速度變慢。電子在Si中的漂移速度132

摻雜會大大降低半導(dǎo)體材料的電阻率；降低半導(dǎo)體材料溫度可以提高電阻率。5、電阻率

電阻率與電子、空穴濃度及其遷移率有關(guān)，

(Si)=2.3105

；

(Ge)=50~100

通過補(bǔ)償效應(yīng)，可以提高電阻率；完全補(bǔ)償時，n=p，電阻率最高。133

半導(dǎo)體探測器需要載流子的漂移長度大于靈敏體積的長度。6、載流子壽命載流子從產(chǎn)生到消失(俘獲、復(fù)合)的平均時間間隔

。

載流子的漂移長度：

高純度的半導(dǎo)體Si和Ge：

~10

3sec.半導(dǎo)體探測器材料：長載流子壽命；高電阻率(漏電流小，結(jié)電容小)。134§9.2P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器一．工作原理二．P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的類型三．輸出信號四．P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用為什么要用P-N結(jié)？1351、P-N結(jié)(勢壘區(qū))的形成

在P型半導(dǎo)體上摻雜，通過補(bǔ)償效應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N型半導(dǎo)體，形成P-N結(jié)。

由于密度的差異，電子和空穴朝著密度小的方向擴(kuò)散。

擴(kuò)散的結(jié)果形成空間電荷區(qū)，建立起自建電場。

在自建電場的作用下，擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡。形成P-N結(jié)區(qū)，也叫勢壘區(qū)、耗盡區(qū)。一．工作原理136

少數(shù)能量較高的電子空穴會穿過勢壘區(qū)擴(kuò)散到對方區(qū)域，形成正向電流If。

由于熱運(yùn)動在勢壘區(qū)產(chǎn)生電子空穴，在自建電場作用下形成反向電流IG，

擴(kuò)散到勢壘區(qū)的少數(shù)載流子在電場作用下也會形成反向電流IS

。

達(dá)到平衡時，1372、外加電場下的P-N結(jié)在外加反向電壓時的反向電流：少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流，結(jié)區(qū)面積不變，IS不變；結(jié)區(qū)體積加大，熱運(yùn)動產(chǎn)生電子空穴多，IG增大；反向電壓產(chǎn)生漏電流IL，主要是表面漏電流。

在P-N結(jié)上加反向電壓，由于結(jié)區(qū)電阻率很高，電位差幾乎都降在結(jié)區(qū)。

反向電壓形成的電場與自建電場方向一致。

外加電場使結(jié)區(qū)寬度增大。反向電壓越高，結(jié)區(qū)越寬。1383、勢壘區(qū)的電場分布

在高電阻率半導(dǎo)體材料表面摻雜形成勢壘區(qū)。

勢壘區(qū)中的電場：

空間電荷密度為，

由于空間電荷數(shù)相等：E(x)1394、勢壘區(qū)的寬度可以得到勢壘高度：所以，勢壘區(qū)的寬度：

對電場積分，可以得到勢壘分布：E(x)1405、結(jié)區(qū)電容

根據(jù)結(jié)區(qū)電荷隨外加電壓的變化率，可以計算得到單位面積的結(jié)區(qū)電容：

結(jié)區(qū)電容隨外加電壓變化而變化，外加電壓的不穩(wěn)定可以影響探測器輸出電壓幅度的不穩(wěn)定。[

m][

m][pF/cm2][pF/cm2]141Si例如：問：反向工作電壓？

結(jié)區(qū)厚度？

結(jié)區(qū)電容？

W=200

m

C=41pF

V=45V1421、擴(kuò)散結(jié)型探測器2、面壘型探測器

在N型Si上蒸薄Au，透過Au層的氧化作用，形成P型氧化層。叫做金硅面壘探測器，Si(Au)。入射窗薄，噪聲小。光敏，耐高溫特性不好。

把施主雜質(zhì)(P)擴(kuò)散到P型Si材料中，形成P-N結(jié)。用高溫擴(kuò)散和離子注入的方法，通過控制擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時間，得到1

m以下的薄入射窗。性能穩(wěn)定，高溫使載流子壽命減小，窗損失能量。二．P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的類型1431、輸出回路三．輸出信號1442、輸出電流脈沖與電荷收集時間

探測器中電子的漂移速度，從電子產(chǎn)生位置x0到x積分，可以得到電子漂移時間，馳豫時間：

電子感應(yīng)電流，145

認(rèn)為電子漂移到x=0.99W處就把電子電荷全部收集，則電子的收集時間為，通常，電子和空穴的最大收集時間為，

空穴漂移引起的感應(yīng)電流：最大收集時間1463、輸出電壓幅度

當(dāng)RC>>tc時，探測器輸出電壓脈沖幅度為，這時，輸出電壓脈沖前沿由電流脈沖形狀決定，后沿以輸出回路時間常數(shù)RC指數(shù)規(guī)律下降。

輸出回路等效電容，而探測器結(jié)區(qū)電容Cd隨反向工作電壓變化，147采用電荷靈敏前置放大器。這時前置放大器的輸出脈沖幅度為，

電荷靈敏前置放大器等效輸入電阻：探測器輸出回路等效電容：148等效輸出回路RC：輸出回路等效電阻：電荷靈敏前置放大器輸出脈沖后沿按照RfCf指數(shù)下降:149

輸出電壓脈沖上升前沿隨電子空穴產(chǎn)生位置變化。會引起定時誤差。輸出脈沖的形狀：1501、能量分辨率(1)輸出脈沖幅度譜的統(tǒng)計漲落

探測器的能量分辨率為，

入射粒子產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)服從法諾分布，四．P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的性能與應(yīng)用151(2)探測器和電子學(xué)的噪聲

反向電流的漲落構(gòu)成探測器的噪聲信號。P-N結(jié)的反向電流：少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流IS；結(jié)區(qū)中熱運(yùn)動產(chǎn)生電子空穴的反向電流IG；反向電壓產(chǎn)生漏電流IL，主要是表面漏電流。電子學(xué)噪聲主要是前置放大器中第一級的噪聲。等效噪聲電荷ENC：放大器輸出端噪聲電壓均方根值等效到輸入端的電荷數(shù)。比較：152電荷靈敏前置放大器的噪聲參數(shù)：零電容噪聲(keV)；噪聲斜率(keV/pF)。例如：一電荷靈敏前置放大器，零電容噪聲1keV，噪聲斜率0.03keV/pF。

與反向電流有關(guān)的噪聲隨偏壓V增加；

探測器結(jié)電容隨偏壓V增加而減?。?/p>

總噪聲電壓隨偏壓V有極小值。

若探測器電容100pF，則總的噪聲對譜線的展寬為：153(3)窗厚對能量分辨率的影響2、分辨時間3、輻照壽命4、P-N結(jié)型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用

不同角度入射的帶電粒子穿過探測器的窗厚度不同，在窗中損失的能量不同，造成能譜展寬，

各種因素對系統(tǒng)能量分辨率的影響，…………154§9.3P-I-N型半導(dǎo)體探測器一．工作原理二．輸出信號與主要性能三．P-I-N型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用為什么要發(fā)展P-I-N型探測器？1MeV的粒子在硅中的射程~2mm，而P-N結(jié)型探測器靈敏體積的線度一般不超過1mm。

P-N結(jié)型探測器探測和的效率太低。155

帶正電的鋰離子與帶負(fù)電的受主離子結(jié)合成中性的正負(fù)離子對。

在高電阻率的P型半導(dǎo)體材料表面摻入鋰原子，制成P-N結(jié)。

在高溫下，外加反向電場，使鋰離子沿電場方向擴(kuò)散。

由于補(bǔ)償作用，形成本征區(qū)。構(gòu)成P-I-N結(jié)構(gòu)。一．工作原理156

本征區(qū)I電子空穴密度相等，

N區(qū)和P區(qū)多數(shù)載流子密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于少數(shù)載流子密度，

存在不等式：

多數(shù)載流子擴(kuò)散，出現(xiàn)空間電荷。

I區(qū)是耗盡區(qū)，電阻率很大，叫做本征區(qū)。

空間電荷建立電場，阻止多數(shù)載流子進(jìn)一步擴(kuò)散。157

鋰離子在外加電場作用下向右漂移。

NLi較大處會引起電場變化，加速多余的鋰離子向右漂移。ab

鋰離子漂移區(qū)域不存在空間電荷，為均勻電場分布。1581、鋰漂移探測器的輸出信號

2、能量分辨率

3、線性

4、探測效率絕對效率，本征效率總效率，峰效率

5、峰康比

6、分辨時間二．輸出信號與主要性能159＋–鋰漂移探測器的輸出信號ut160探測效率絕對總效率絕對峰效率本征總效率本征峰效率161162三．P-I-N型半導(dǎo)體探測器的應(yīng)用1、使用中的注意事項(xiàng)

2、鋰漂移探測器與其它射線譜儀的比較與碘化鈉閃爍譜儀的比較與正比計數(shù)器的比較與晶體衍射譜儀的比較

3、半導(dǎo)體譜儀在核物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

4、半導(dǎo)體譜儀在工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用163要求低溫條件：室溫下，離子對會離解；降低反向電流和噪聲。164§9.4高純鍺HPGe半導(dǎo)體探測器一．工作原理二．主要性能與應(yīng)用為什么要發(fā)展HPGe探測器？

鋰漂移探測器需要低溫保存與使用。生產(chǎn)周期(鋰漂移時間)長。165耗盡層的寬度：

純化，N~1010原子/cm3，達(dá)W~10mm，高純鍺(HPGe)探測器。大體積靈敏區(qū)：增加工作電壓V，降低雜質(zhì)密度N。一．工作原理高純鍺探測器：

P-N結(jié)型探測器，常溫保存，低溫使用。

補(bǔ)償，鋰漂移型探測器。166靈敏區(qū)厚度：5~10mm

：E

220MeV

p：Ep60MeV

：300~600keV

工作在全耗盡狀態(tài)；液氮溫度77

K。形成P+-P-n+結(jié)構(gòu)。P型區(qū)存在電荷，電場強(qiáng)度不均勻。平面型HPGe探測器167168

同軸型靈敏區(qū)體積大，~400cm3。同軸型HPGe探測器雙端同軸單端同軸

雙端同軸型表面漏電流較大，增加噪聲。

單端同軸型電場徑向一致性較差，通過磨園、加長內(nèi)芯電極加以改善。1691701、能量分辨率：同軸型測量的分辨率：1.5~2.0keV@1.332MeV；

Si(Li)、Ge(Li)測量x

：160~200eV@5.95keV。2、探測效率：相對33吋的NaI(Tl)晶體

~85cm3的HPGe測量的探測效率~19%。3、峰康比：

峰頂計數(shù)與康普頓坪平均計數(shù)之比，~20~80。4、電流脈沖寬度：109~108sec.。二．高純鍺和鋰漂移探測器的主要性能171各種探測器測量分辨率比較探測器55FeX5.9keV137Cs

662keV60Co

1332keV241Am

5.485MeV屏柵電離室~1%Si(Au)~3‰Si(Li)~3%正比計數(shù)器~16%Ge(Li)~1.3‰NaI(Tl)~52%~7%~6%172NaI(Tl)和Ge(Li)的108Ag和110Ag能譜173重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用；快速電子與物質(zhì)的相互作用；射線與物質(zhì)的相互作用；中子與物質(zhì)的相互作用。第六章

射線與物質(zhì)的相互作用具有一定動能的射線會與物質(zhì)發(fā)生相互作用。叫做致電離輻射。174一．致電離輻射的種類二．彈性碰撞和非彈性碰撞

三．帶電粒子在物質(zhì)中的慢化§6.1概述175

致電離輻射：能量大于~10eV量級的射線。一．致電離輻射的種類176

相互作用過程中，滿足能量守恒：

當(dāng)

E=0時，彈性碰撞；當(dāng)

E0時，非彈性碰撞；

E>0時，與基態(tài)原子碰撞，原子被激發(fā)；

E<0時，與激發(fā)態(tài)原子碰撞。二．彈性碰撞和非彈性碰撞

帶電粒子通過庫侖力與物質(zhì)發(fā)生相互作用。177從微觀上看：碰撞機(jī)制：與原子、原子核碰撞；彈性、非彈性碰撞。碰撞后：入射粒子能量損失；或能量、方向改變后出射；或入射粒子消失，產(chǎn)生新粒子。從宏觀上看：

不管作用機(jī)制如何，穿過物質(zhì)的射線強(qiáng)度比入射強(qiáng)度減小。178

入射帶電粒子所帶電荷與原子中核外電子、原子核發(fā)生的庫侖相互作用。

入射帶電粒子在相互作用過程中逐漸慢化。

在入射帶電粒子與電子的一次碰撞中，電子能獲得的最大能量：

質(zhì)子入射時：三．帶電粒子在物質(zhì)中的慢化1791、帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞核外電子獲得能量，引起電離和激發(fā)。電離：產(chǎn)生自由電子、正離子，主要在最外層電子。

電子進(jìn)一步產(chǎn)生電離。激發(fā)：電子躍遷，原子處于激發(fā)態(tài)，退激發(fā)光。電離損失是帶電粒子在物質(zhì)中損失動能的主要方式。2、帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞

入射帶電粒子速度和方向發(fā)生變化，同時發(fā)射韌致輻射。輻射損失是輕帶電粒子損失動能的一種重要方式。1803、帶電粒子與靶原子核的彈性散射

入射粒子不輻射光子，不激發(fā)原子核，方向偏轉(zhuǎn)；入射粒子損失一部分動能，靶核得到反沖。

叫做核碰撞損失，核阻止；主要對低能重離子入射。4、帶電粒子與核外電子的彈性散射

與電子的庫侖作用，使入射粒子方向偏轉(zhuǎn)；入射粒子損失一部分動能，但能量轉(zhuǎn)移很小，電子能量狀態(tài)不發(fā)生改變。100eV以下的粒子才需考慮。181一．電離損失率二．重帶電粒子的射程§6.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

與核外電子的非彈性碰撞；與原子核的非彈性碰撞。182一．電離損失率能量損失率：入射帶電粒子在物質(zhì)中經(jīng)過單位路程損失的能量。

有：電離損失率，輻射損失率。所以，也叫線性阻止本領(lǐng)。183假設(shè)：入射粒子與“自由電子”發(fā)生碰撞；入射粒子與“靜止”電子發(fā)生碰撞；入射粒子的電荷態(tài)是確定的。在時間

t內(nèi)傳給電子的動量，因此，在全部相互作用中，傳給電子的總動量，

距離入射帶電粒子r的電子受到庫侖力，184由于，

x方向的動量分量為零。所以，

碰撞參數(shù)為b的電子獲得的動能，185

入射粒子經(jīng)過dx距離，碰撞參數(shù)為b

b+db范圍內(nèi)的電子得到的能量為，

入射粒子在單位距離內(nèi)損失的能量，

對心碰撞時，bmin對應(yīng)電子獲得最大動能，186

bmax對應(yīng)電子獲得的最小能量，需大于靶原子的平均激發(fā)能I，代入得，改寫為，187Bethe-Block公式：根據(jù)量子理論，并考慮了相對論修正

幾點(diǎn)討論：例如，1MeV的p與2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S與入射粒子質(zhì)量無關(guān)，只與電荷與速度有關(guān)。1882、S與入射粒子的電荷平方z2成正比，例如，相同速度的p與

，S

=4Sp

。3、S與靶物質(zhì)的電子密度NZ成正比，4、S與v2的關(guān)系

v2較小，S1/v2；

v2較大，對數(shù)項(xiàng)增大，S上升

；

v2很小，電荷交換效應(yīng)，俘獲；

v2極小，核阻止作用。189Bragg曲線與能量歧離單個粒子的情形；平行粒子粒子束：能量歧離190二．重帶電粒子的射程射程R：帶電粒子在物質(zhì)中沿初始入射方向行進(jìn)的最大距離。路程：帶電粒子在物質(zhì)中實(shí)際經(jīng)過的軌跡。

對重帶電粒子，射程=路程；對輕帶電粒子，射程<路程。射程歧離：重帶電粒子百分之幾，輕帶電粒子百分之十幾。191把射程公式改寫為：對重帶電粒子，192幾點(diǎn)討論：1、同種粒子以相同速度，入射在不同物質(zhì)中，如果Z比較接近，電子在硅和碘化鈉中的射程1932、不種粒子以相同速度，入射在同物質(zhì)中，3、作為2的特例，當(dāng)z相同時，例：p、以相同速度入射在同種物質(zhì)中，

m/z2均為1，它們的射程相等。194射程的實(shí)驗(yàn)測量：平均射程R；外推射程Re；最大射程Rmax。t195

粒子在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣中的射程，當(dāng)4MeVE11MeV時，精度為1%。在不同的物質(zhì)中，與空氣對比，可得，196對由多種元素組成的化合物或混合物，例：210Po，放射源，E=5.3MeV，計算得到：R0=3.8cm。

在人體組織中，R=43m，R=4.3mg/cm2

；而人體皮膚的厚度R=7mg/cm2

。

在Al中，A=27，

=2.7，計算得到：R=23.4m。197

特點(diǎn)：§6.3快速電子與物質(zhì)的相互作用1、運(yùn)動速度大；2、電離損失，輻射損失；3、碰撞中能量轉(zhuǎn)移大，方向改變大(散射)。

快速電子：e

，

。

一．能量損失率二．吸收與射程三．正電子與物質(zhì)的相互作用198快速電子的電離損失率：快速電子在物質(zhì)中穿透本領(lǐng)比重帶電粒子大得多。一．能量損失率199快速電子損失能量的方式：電離損失，輻射損失。在單位路程上通過輻射損失的能量叫做輻射損失率：幾點(diǎn)討論：1、輻射損失率與入射粒子質(zhì)量平方成反比，重帶電粒子的輻射損失可以忽略不計；2、輻射損失率與靶物質(zhì)NZ2成正比；3、輻射損失率與入射粒子能量E成正比。

輻射損失的方式是發(fā)出韌致輻射。200快速電子總的能量損失：

入射電子能量高，輻射損失起主要作用；入射電子能量低，電離損失起主要作用。例如：靶物質(zhì)Pb，Z=82，當(dāng)Ee~9MeV，兩者相當(dāng)。201

快速電子在物質(zhì)中有散射現(xiàn)象。大于90的散射叫做反散射。吸收：電子束通過一定厚度的物質(zhì)時，強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。特點(diǎn)：電子的路程遠(yuǎn)大于射程；電子的射程有較大歧離。二．吸收與射程2021、單能電子束的吸收2、射線的吸收203204在鋁中：2053、射線在鋁中的射程典型物質(zhì)中

射線的射程：

Ge：R~E

max

，(mm,MeV)Al：R~2E

max

，(mm,MeV)Air：R~400E

max

，(cm,MeV)對比：4MeV

在空氣中的射程約為2.5cm。當(dāng)時，當(dāng)時，2064、反散射

入射電子在物質(zhì)中發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，又從入射表面發(fā)射出來。定義：反散射系數(shù)，

E小，

大；

Z大，

大。207

對電子與物質(zhì)相互作用的全部規(guī)律都適用于正電子與物質(zhì)相互作用過程。

正電子在物質(zhì)中也會發(fā)生電離損失、輻射損失。

處于熱能的正電子會與吸收物質(zhì)中的電子發(fā)生正電子湮沒。三．正電子與物質(zhì)的相互作用208§6.4

射線與物質(zhì)的相互作用

光子不帶電；

光子與電子或原子核存在電磁相互作用，在一次作用中損失全部能量或大部分能量。

射線是能量很高的電磁波，具有波粒二象性。

一．光電效應(yīng)二．康普頓散射三．電子對效應(yīng)四．射線的吸收209光電效應(yīng)特征：1、光電子動能等于光子能量與結(jié)合能之差：通常，所以，

光子與一個原子作用，把能量全部交給原子，使一個束縛電子從原子中發(fā)射出來，光子消失。一．光電效應(yīng)2102、自由電子不能發(fā)生光電效應(yīng)。入射光子與內(nèi)層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率較大。3、光電效應(yīng)伴隨有特征x射線和Auger電子。

從內(nèi)殼層打出電子，原子處于激發(fā)態(tài)。原子退激過程：發(fā)出特征x射線，發(fā)出Auger電子。2114、光電截面

ph的主要特征當(dāng)當(dāng)其中，

=1/137212總光電截面

ph：光電效應(yīng)主要發(fā)生在K殼層上：吸收邊(限)2135、光電子的角分布

入射能量增加，最大截面向小角度方向移動。

在

=0和

=180方向上沒有觀察到光電子。214

散射光子，散射角

；反沖電子，反沖角

。與原子外層電子的散射，“自由電子”；

光子的一部分能量交給電子，使電子從原子中發(fā)射出來，光子的能量和方向發(fā)生改變。二．Compton散射軌道電子速度遠(yuǎn)小于光速，“靜止電子”。

散射光子還可繼續(xù)發(fā)生Compton散射和光電效應(yīng)。2151、能量與角度關(guān)系未知數(shù)：h’，Ee，

，

。根據(jù)能量守恒：根據(jù)動量守恒：216聯(lián)解得到康普頓移動：解得：2172、幾點(diǎn)討論(1)散射光子和反沖電子的能量是連續(xù)的。

大，Ee大，h’?。?/p>

小，Ee小，h’大。(2)幾種特殊情況：

=0，h’=h；

=，h’=(h)’min；

大于150以后，

h’200keV，形成反散射峰。218(3)散射角與反沖角存在一一對應(yīng)的關(guān)系。(4)當(dāng)h<<m0c2時，h’~h，湯姆孫散射。

當(dāng)h>>m0c2時，Ee~h

。2193、康普頓散射截面和角分布Klein-Nishina公式：220221222康普頓散射總截面：整個原子的康普頓散射總截面：當(dāng)h<<m0c2時，其中，223當(dāng)h>>m0c2時，2244、反沖電子角分布和能量分布

由反沖電子能量和方向與散射光子能量和方向的一一對應(yīng)關(guān)系，可以得到：

由此得到反沖電子微分截面與散射光子微分截面的關(guān)系：

可以由散射光子微分截面求得反沖電子微分截面。225反沖電子角分布：226反沖電子能量分布：與入射光子能量h

相差~200keV?？灯疹D邊緣：康普頓坪連續(xù)分布。227電子對效應(yīng)的特征：

光子從原子核旁經(jīng)過，在核的庫侖場作用下，光子轉(zhuǎn)化成為正負(fù)電子對。1、能量關(guān)系

從能量守恒：電子對效應(yīng)發(fā)生的條件：電子動能范圍：三．電子對效應(yīng)2282、電子對效應(yīng)必須在有原子核參加時才能發(fā)生。

在電子的庫侖場中也可以發(fā)生電子對效應(yīng)：3、電子對效應(yīng)之后伴隨正電子湮沒。

（同學(xué)自己證明。）

原子核帶走多余的動量，又不帶走過多的動能。229

如果吸收物質(zhì)足夠大，吸收的總能量為：正負(fù)電子來自何方？

不是從原子核中釋放的；

如果一個湮沒光子從吸收物質(zhì)逃逸，

如果兩個湮沒光子都從吸收物質(zhì)逃逸，

也不是來自原子中的電子軌道；

是射線轉(zhuǎn)化而來，是物質(zhì)不同形態(tài)的轉(zhuǎn)化。2304、截面

當(dāng)入射光子能量不同時，各種作用截面不同；

當(dāng)時，三種作用都可能發(fā)生，入射光子與物質(zhì)原子作用的總截面為：231小結(jié)：

低能、高Z，光電效應(yīng)占優(yōu)勢；光電效應(yīng)康普頓散射電子對效應(yīng)

高能、高Z，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢；

中能、低Z，康普頓散射占優(yōu)勢。232233能量改變；強(qiáng)度不變；射程概念。能量改變；強(qiáng)度改變；最大射程。四．射線的吸收234能量改變；強(qiáng)度不變；射程概念。能量改變；強(qiáng)度改變；最大射程。能量不變；強(qiáng)度改變；無射程概念。四．射線的吸收2351、射線通過物質(zhì)時的吸收

一束準(zhǔn)直射線，初始強(qiáng)度I0，在厚度t處經(jīng)過dt時強(qiáng)度變化：利用初始條件t=0時，解得：2362、吸收系數(shù)線性吸收系數(shù)：質(zhì)量吸收系數(shù)：2372383、半吸收厚度和平均自由程半吸收厚度：射線在物質(zhì)中強(qiáng)度減弱一半時的厚度，可以用半吸收厚度表示指數(shù)衰減規(guī)律：平均自由程：2394、寬束條件下的吸收規(guī)律寬束條件下的衰減規(guī)律：平行窄束：準(zhǔn)直后的平行射線束，探測器記錄直射光子。寬束：直射光子＋散射光子。

累積因子B與入射

能量E

和探測器的類型有關(guān)；還與測量時的幾何條件有關(guān)。240§6.5中子與物質(zhì)的相互作用中子的分類：慢中子：E<1keV，其中：熱中子E~0.0253eV；中能中子：E~1~100keV；快中子：E<0.1~20MeV；慢中子(En<1keV)與核發(fā)生相互作用：轉(zhuǎn)移給核的動能很小，反應(yīng)截面很大，對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行測量?？熘凶?En>100keV)與核發(fā)生相互作用：轉(zhuǎn)移給核的動能較大，反應(yīng)截面很小，測反沖核。

中子主要通過核反應(yīng)或彈性散射產(chǎn)生重帶電粒子。2411、中子在核能釋放過程中起著關(guān)鍵的作用；

2、中子技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域有很大發(fā)展；

3、中子不帶電，與原子核發(fā)生相互作用不受庫侖位壘的阻擋。

中子與物質(zhì)的相互作用是與原子核的相互作用。中子探測的基本方法：核反應(yīng)、核反沖、核裂變、活化。中子探測的特殊地位：242

利用中子產(chǎn)生的發(fā)射帶電粒子核反應(yīng)，記錄帶電粒子引起的電離現(xiàn)象就可以探測中子。主要探測器中子的強(qiáng)度，也可探測快中子的能譜。