帶電粒子的射程

1、2022/7/12粒子探測1第二章 粒子探測的物理基礎2-1 帶電粒子和物質的相互作用2-2 光子和物質的相互作用2-3 強子和物質的強相互作用2-4 高能粒子和物質作用與簇射2022/7/12粒子探測22-1 帶電粒子和物質的相互作用粒子不能被直接觀測，只有通過它們與物質的相互作用才能被探測。粒子探測主要是指 記錄粒子數目，測定其強度，確定粒子的性質（能量、動量、飛行方向等）。根據粒子的帶電性質分類帶電粒子：、p、e、等電磁輻射：x射線、射線中性粒子：n、0、0、等2022/7/12粒子探測3一、帶電粒子電離和激發(fā)損失能量 1. 電離和激發(fā)入射帶電粒子與物質原子的電子發(fā)生庫侖相互作用而損失能

2、量，物質原子的電子獲得能量。當電子獲得能量足以克服原子核的束縛，則電子就脫離原子成為自由電子。這就是電離。電離的結果形成一對正離子和自由電子。若內殼層電子被電離后，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。當電子獲得能量較少，不足以克服原子核的束縛成為自由電子，將躍遷到較高的能級。這就是原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(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，釋放的能量以熒光的形式發(fā)射出來。2022/7/12粒子探測4激發(fā)過程：退激發(fā)原子放出低能熒光光子電離過程：產生電子-離子對。入射粒子動量洛侖茲因子一次散射傳遞給靜止電子的最大動能低能時，2me/

3、m01，若mem0，近似有對其他粒子，任意能量，分母中的平方項均可忽略，對相對論粒子，Ekin E，pc E對輕子， 對電子，2022/7/12粒子探測5電離損失帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞，導致原子電離或激發(fā)，是粒子損失動能的主要方式。電離損失通常把某種物質中粒子通過單位長度所損失的能量稱為該粒子在這種物質中的能量損失或稱為該物質對這種粒子的阻止本領，用 表示。 大，表明這種粒子在該物質中的電離本領大，即該粒子通過單位長度物質損失的能量較多，即該物質對這種粒子的阻止本領大。2. 帶電粒子能量的電離損失2022/7/12粒子探測6Energy transfer: I dE Tmax , I:

4、 mean excitation potential II0Z, I0=10eVRelativistic rise: ln 2 term Relativistic rise cancelled at high by “density effect”. Parametrized by Fermi plateauBethe-Bloch formula2022/7/12粒子探測7Particles can only be detected if they deposit energy in matter.How do they lose energy in matter?Interaction of

5、 charge particlesclassical2022/7/12粒子探測8一個有用的常數在入射粒子能量較低時Bethe-Bloch公式 計算時，能損通常使用的單位是 相應dx單位為g/cm2，代表面質量密度為物質密度（單位：g/cm3），ds為長度（單位：cm）。這樣選取單位的好處是能損在很大程度上與物質的具體性質無關。 2022/7/12粒子探測9電離損失的分布 在厚度為x的介質中，入射粒子的平均電離損失為 當介質厚度較厚時，電離損失分布接近高斯分布；當介質很薄時，由于相互作用的次數少，能量損失的統(tǒng)計漲落很大，電離損失分布很不對稱，在能量大的區(qū)域有很長的尾巴朗道分布。 2022/7/1

6、2粒子探測10 朗道分布與最概然能損之間的偏差實際能損最概然能損j=0.2，=(K/2)z2(Z/A)(x/2)MeV，x單位g/cm2能損分布中對應最大概率處的能損薄層吸收體中能量損失的分布2022/7/12粒子探測11 電子入射帶電粒子與介質相互作用能量損失過程中因碰撞而擊出能量很高的電子，它可以繼續(xù)與其他介質原子相互作用產生次級電離。電子產生的概率很小，其能譜表達式 要求 ，定義同前。當T4后，能量損失又開始緩慢上升，稱作相對論上升。8）隨著能量繼續(xù)增加，由于原子核外電子電荷密度的屏蔽效應，能量損失趨于飽和，物質中沉積的能量接近一個常數，稱作費米坪。9）當粒子能量很高時，軔致輻射能量損失

7、開始起重要作用。2022/7/12粒子探測16二、帶電粒子通過介質時的多次庫侖散射庫侖散射當入射粒子與介質原子的最近距離小于原子半徑(10-8cm)時，受介質原子核庫侖場作用，運動軌跡發(fā)生偏轉，這種現象稱為庫侖散射。Rutherford散射公式 對小角度散射截面很大。帶電粒子穿過厚的介質時將發(fā)生多次小角度庫侖散射。這些小角度散射是彼此獨立的，粒子穿過整個介質層最終的偏轉角是這些小角度散射的總效果。2022/7/12粒子探測17多次庫侖散射的分布可以由Molliere理論描述。理論證明對小角度散射其分布近似為高斯分布，較大角度偏轉為Rutherford散射。2022/7/12粒子探測18經驗公式

8、 進一步簡化， 要減少散射本底，應選用原子系數低的材料做放射源襯托、支架和屏蔽室的內層材料。P入射粒子動量, 單位MeV/c；X0介質的輻射長度, x/X0以輻射長度為單位的介質厚度。2022/7/12粒子探測19三、 軔致輻射（Bremsstrahlung）軔致輻射當入射帶電粒子與介質原子的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，并伴隨弱的電磁輻射。軔致輻射能量損耗 平均能量損失 電子的軔致輻射能損 Emec2/Z1/32022/7/12粒子探測20輻射長度X0：則初始能量為E0的電子穿過厚度為x(g.cm-2)

9、的介質后的平均能量為:當介質厚度x=X0時，電子在介質中因輻射損失而使能量減低到初始能量的1/e，稱X0為介質的輻射長度。當介質為化合物或混合物時，有： Xi第i種成分的輻射長度，wi第i種成分的權重因子，重量百分比。經驗公式2022/7/12粒子探測21臨界能量Ec：電離能損等于軔致輻射能損所對應的入射粒子能量。Rossi定義：快速帶電粒子在介質中通過一個輻射長度后僅由電離而損失的能量。 對固體介質 EEc，軔致輻射損失為主 Ec/n時就會產生切倫科夫輻射。產生機理：介質原子或分子的極化與退極化； 電磁輻射的相干疊加，在一定方向得到加強。產生條件：（1）快速帶電粒子做勻速運動，且（2）均勻透

10、明的介質（3）滿足 在與粒子運動方向成角的 方向上電磁輻射相干加強，才能觀測到。2022/7/12粒子探測25 切倫科夫輻射的特點（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)的可見光2022/7/12粒子探測26五、 穿越輻射穿越輻射當帶電粒子能量很高時穿越兩種介電常數不同的介質交界面時發(fā)生的輻射。帶電粒子穿越兩種介質時，所攜帶電荷與其鏡像電荷在不同介質中建立的電磁場是不同的，在穿越界面的瞬間出現的電磁場的改變，導致了X光的輻射。常用材料是苯乙烯和類似的介質。穿越輻射能量與入射粒子的因子成正比。典型的發(fā)射角輻射光譜從可見光到X光區(qū)。2022/7/12粒子探測27穿越

11、輻射的形成區(qū)厚度 EP介質中等離子體能量，E穿越輻射光子能量由于飽和效應，最大形成區(qū)厚度:粒子能量，正比于E/m。根據穿越輻射總能量的差別可以鑒別相對論性粒子。由于穿越輻射很弱，用多層介質疊起來使用。2022/7/12粒子探測28六、同步輻射（Syncrotron Radiation）同步輻射電子在磁場中偏轉時相當于受到加速而發(fā)出的輻射稱為同步輻射。輻射能量電子在磁場中偏轉的軌道曲率半徑為，則一個相對性單能電子每轉一圈輻射的能量電子的同步輻射比相同動量的重粒子的嚴重得多。電子和質子的同步輻射能量損失之比為2022/7/12粒子探測29電子的能量越高，同步輻射越顯著。具有連續(xù)的能譜。在電子回旋的

12、軌道平面內，輻射能量主要是沿切線方向，平均輻射角同步輻射作為新一代光源，具有以下優(yōu)點：（1）功率大（2）單色性好（3）流強連續(xù)可調2022/7/12粒子探測30七、帶電粒子的射程能量關系射程帶電粒子在某種物質中運動到最后靜止所經過的距離，用R表示。 能量大質量小的粒子在電子密度小的吸收物質中的射程長。平均射程使帶電粒子計數下降到正好是沒有吸收體時的帶電粒子計數一半的吸收體厚度，用R0表示。外推射程吸收曲線的下降直線部分延長與X軸相交對應的射程， 用R外推表示。等效射程Rm=R，單位g/cm2， 吸收物質密度2022/7/12粒子探測31 射程歧離：初始能量相同的單個粒子的路徑長度的漲落。 在薄

13、吸收體中的能量損失 吸收體厚度2022/7/12粒子探測32能量相同的同一種重粒子在給定的物質中具有基本相同的固定射程。粒子徑跡2022/7/12粒子探測33射程與粒子能量關系（經驗公式） 在標準狀態(tài)空氣中 質子 粒子 粒子在其他介質中的射程，近似有 電子（0.5MeVE5MeV)在鋁中的射程：2022/7/12粒子探測34高能子的射程能量為1TeV的子在鐵中的射程達265m。能量大于10GeV的子在巖石(Z=11,A=22)中的射程2022/7/12粒子探測352022/7/12粒子探測362022/7/12粒子探測37小結帶電粒子與物質原子的相互作用主要是與物質原子的核外電子的非彈性碰撞，

14、導致物質原子的電離或激發(fā)，是帶電粒子通過物質時損失能量的主要方式。利用電離或激發(fā)效應來記錄入射粒子是絕大多數探測器的物理基礎。它們的差別在于記錄方式不同，大致分為三類：（1）收集電離電荷的探測器主要收集電離效應產生的大量正負離子，記錄它們的電荷所形成的電壓或電流脈沖。這類探測器必須加上適當的工作電壓，形成電場以有效收集電荷。如氣體探測器、半導體探測器。2022/7/12粒子探測38（2）收集熒光的探測器，被帶電粒子激發(fā)的原子退激時發(fā)出熒光。由于熒光很弱，需要通過一定的轉換放大，即把光脈沖轉換成較大的電脈沖光電倍增管。如閃爍計數器等。（3）利用離子集團作為徑跡中心的探測器，徑跡探測器。如核乳膠、

15、云室、氣泡室、火花室等。（4）收集切倫科夫輻射的探測器，切倫科夫探測器。（5）收集記錄穿越輻射的探測器，穿越輻射探測器。韌致輻射和同步輻射是附加產物，對高能電子探測器必須考慮它們的影響。2022/7/12粒子探測39射線與物質的相互作用主要有三個過程：光電效應、ComptonWu效應和電子對產生。產生的次級帶電粒子被探測器記錄，射線被間接探測。射線穿過物質時其強度按指數衰減規(guī)律衰減。 I0入射光子束強度，為物質 對光子 的吸收衰減系數，x為物質厚度。 若=/，t=x 質量厚度， 為光子的質量衰減長度 或光子的平均自由程，則 2-2 光子和物質的相互作用2022/7/12粒子探測40發(fā)生作用光子

16、數（s1 cm2）靶物質原子數（cm2） 入射光子數（s1 cm2）射線與物質發(fā)生三重相互作用都具有一定的幾率，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)生作用的幾率，單位靶恩（b） 1b=10-24cm2 吸收衰減系數與光子的各種相互作用過程的截面有關。i為第i種過程的作用截面，A為原子量，NA為阿伏加德羅常數2022/7/12粒子探測41一、光電效應光電效應低能光子被介質原子吸收而放出電子的效應。光電子能量 hv為入射光子能量，Ei為第i殼層電子的結合能原子退激發(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2022/7/12粒子探測42X射線譜 L

17、限K限吸收限吸收限光子能量光電質量衰減系數X射線譜X射線吸收限2022/7/12粒子探測43射線與物質原子發(fā)生光電效應的總截面 1）重元素的光電效應比輕元素強得多；2）低能射線比高能射線強得多；3）當射線能量接近電子的結合能時，光電效應截面最大。光子與原子內層電子作用.2022/7/12粒子探測44二、康普頓吳有訓效應光子與原子外層電子作用,可看作在自由電子上的散射。Compton wavelength2022/7/12粒子探測45 根據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2022/7/12粒子探測46反沖角和散射角之間關系 2022/7/12粒子探測47Com

18、pton-Wu效應的散射截面Compton wavelength 對有Z個電子的原子，其散射截面 2022/7/12粒子探測48Compton-Wu散射反沖電子能譜2022/7/12粒子探測49三、電子對效應電子對效應： 光子從原子核旁經過，當光子能量超過2個電子靜止質量之和即1.02MeV時，在原子核庫侖場作用下，光子轉化為正負電子對，正負電子能量之和等于入射光子能量。對一定能量的入射光子電子對效應產生的正負電子的動能之和為常數，但就電子或負電子而言其動能從02mec2都有可能，動能分配是任意的。入射光子能量越大，正負電子的發(fā)射方向越前傾。入射光子原子核正負電子對EE+E-e+e-2022/

19、7/12粒子探測50 電子對效應與湮滅輻射2022/7/12粒子探測51電子對湮滅 電子對效應產生的正負電子在吸收物質中通過電離損失和韌致輻射損失能量。正電子很快被慢化。正電子與物質的電子相互作用轉化為兩個光子的現象稱作電子對湮滅。發(fā)生湮滅時，能動量守恒。正負電子動能為0，所以兩個湮滅光子的總能量等于正負電子的靜止質量 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 。電子對效應的截面2022/7/12粒子探測52光電效應、康普頓效應是光子與核外電子的作用結果，電子對效應是光子與原子核電磁場的作用結果。三種效應相互競爭，可能同時存在。三種效應的相對重要性 對低能射線和原子序數高的物質光

20、電效應占優(yōu)勢； 對中能射線和原子序數低的物質康普頓效應占優(yōu)勢； 對高能射線和原子序數高的物質電子對效應占優(yōu)勢。小結2022/7/12粒子探測53在三種效應中，每個光子都是在一次作用中就損失其全部能量或相當大部分能量，并發(fā)射出電子。正是這些電子使得探測射線成為可能。光電效應和電子對效應所發(fā)射的次級電子的能量單一，因此探測射線應選用Z盡可能大的材料做探測器。2022/7/12粒子探測54五、X ()射線的吸收 當線通過物質時，由于光電效應、康普頓效應和電子對效應等作用，使射線的強度逐漸減弱。2022/7/12粒子探測55射線的吸收吸收系數2022/7/12粒子探測56高能強子通過介質與原子核發(fā)生彈

21、性散射和非彈性散射。能量在GeV以上的質子質子散射總截面趨于常數50mb。1mb=10-27cm2在低能區(qū)隨能量不同，彈性散射和非彈性散射截面有較大變化。p52 表2.3.1核作用長度I核碰撞長度T2-3 強子與物質的強相互作用一、強相互作用2022/7/12粒子探測57強子截面與能量相關，對不同的強相互作用粒子也不同。計算吸收長度和相互作用程度時，一般假設非彈性散射截面和總截面不隨能量變化，也不因粒子種類而改變。Z6的物質的吸收長度和相互作用長度都大于輻射長度X0計算發(fā)生強相互作用幾率 設N是每個核子的相互作用截面，則單位面質量密度發(fā)生一次相互作用的幾率為： g-1cm2=NNA 若已知原子

22、截面A，則 g-1cm2=ANA/A2022/7/12粒子探測58中子與物質相互作用主要是中子與原子核的強相互作用，即核反應。探測中子就是探測中子與原子核發(fā)生核反應產生的次級粒子。中子不帶電，不受庫侖斥力影響，容易進入原子核發(fā)生核反應。通過探測中子與物質相互作用的次級產物來探測中子。不同能量中子的探測原理和探測器不同。二、中子與物質的強相互作用 2022/7/12粒子探測591、核反沖法核反沖法是記錄中子與原子核彈性散射后的反沖核。在彈性散射過程中，中子運動方向改變，能量減少。這減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定的速度運動，該核稱作反沖核。反沖核具有電荷，可以作為帶電粒子記錄。記錄了反沖核

23、，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En0的反應，放熱反應； Q值0的反應，吸熱反應。2022/7/12粒子探測62目前應用最多的三種核反應： 都是放熱反應，反應放出的能量變成次級粒子的動能。0是熱中子的反應截面，都很大。不同動能中子在239Pu中的總反應截面2022/7/12粒子探測63實際應用最廣的是 反應。因為硼材料比較容易得到，氣態(tài)可選用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 反應有兩個過程： p56-57 表2.3.2給出一些常用材料的中子反應截面。2022/7/12粒子探測643、核裂變法核裂變法就是通過記錄中子與

24、重核作用產生的裂變碎片來探測中子的方法。探測不同能量的中子選用不同的裂變材料 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200 MeV，兩個裂變碎片共帶走170MeV的能量。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能很大，所以本底對測量沒有影響，可以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。利用一系列不同閾能的裂變元素來判斷中子的能量，這種探測器稱為閾探測器。2022/7/12粒子探測65常用裂變閾探測器材料特性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)232Th231Pa234U236U238U237Np209Bi0.2100.6 Ec時，粒子以輻射損失能量為主 E 1000 GeV)Electromagnetic Shower輻射長度Xo：高能電子由于韌致輻射損失能量，其平均能量減小到原初能量的1/e時所通過介質的平均厚度。近似有2022/7/12粒子探測72電磁簇射能量沉積的平均縱向發(fā)展分布可用amma分布描述 簇射極大值位置電磁簇射的橫向發(fā)展 用莫里埃（M