核试验方法课件

研究射线与物质的相互作用，在原子和原子核物理、固体物理、核辐射探测和防护、核技术应用和核能利用等许多领域中有着重要的意义。对许多有关物理现象的分析、解释，以及在应用和研究工作中实验方案和方法的确定，都要以此为基础。因此，射线与物质的相互作用，是核物理工作者和从事载能粒子束研究与应用工作者必须深入了解和熟练掌握的基础知识。学习背景：知识点：射线（核辐射）：泛指核衰变或核裂变放出的粒子和由加速器加速的离子或核反应产生的各种粒子。包括α、、p、d、t等重带电粒子、重离子和裂碎片射线，等轻带电粒子，γ、X射线和中子等。Ηe3、ee物质：指各种化学元素，可以是单质，也可以是化合物或混合物；可以是气体、液体和固体状态（包括无定形、多晶体和单晶体）。主要内容：第一节带电粒子与靶物质原子的碰撞第二节重带电粒子与物质的相互作用第三节重离子与物质的相互作用第四节β射线与物质的相互作用第五节γ射线与物质的相互作用描述射线的特征量：种类、能量以及强度。第一节带电粒子与靶物质原子的碰撞一、带电粒子在靶物质中的慢化当一束准直的快速带电粒子，入射到靶物质（或称吸收物质和阻止物质）中，带电粒子与靶原子中的电子和与靶原子核发生库仑相互作用，主要是与靶原子中电子的碰撞。碰撞时发生动量和能量转移，入射粒子的一部分动能转移给靶原子中的电子或靶原子核。所以入射粒子穿过靶物质时，要与靶物质的原子核和核外电子连续的发生碰撞，从而能量逐渐损失，速度减慢，这个过程叫慢化。带电粒子经过多次碰撞而不断损失能量，当速度减少到一定程度时，就会与靶物质发生电荷交换效应，俘获靶物质的电子，成为中性原子，停止在靶物质中，（d足够厚）入射粒子最后完全停留在靶物质，这个过程叫吸收。相互作用方式有下列四种：带电粒子与靶物质核外电子发生的非弹性碰撞带电粒子与靶物质原子核发生的非弹性碰撞带电粒子与靶物质原子核发生的弹性碰撞带电粒子与靶物质核外电子发生的弹性碰撞所以，带电粒子在靶物质中的慢化过程，完全是由带电粒子与靶物质原子中的电子和与靶原子核发生各种相互作用的结果。二、带电粒子在靶物质原子的碰撞过程1.带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞（主要方式电离损失）当带有电荷的粒子从靶物质旁掠过时，入射粒子和靶物质的核外电子两者之间的库仑力使电子受到吸引或排斥，从而使电子获得一部分能量，获得的这部分能量分成两种情况：1）传递的能量足够大电子→足以克服原子核的束缚→自由电子（靶原子→一个自由电子+失去了一个电子的正离子→电离）原子最外层电子最容易被电离受核的束缚最弱电离过程中发射出的电子具有足够高的动能（δ电子）可导致二次电离被电离的是内层电子，则会出现内壳层空位，外层电子向内层跃迁的过程中就会产生X射线和俄歇电子在这种情况下：2）传递的能量不够大电子→不足以克服原子核的束缚→但可以使电子从低能级状态跃迁至高能级状态（使原子处于激发状态）→激发处于激发态的原子是不稳定的，通过跃迁返回到基态→退激放出光（可见光或紫外线）带电粒子与靶原子中的核外电子的非弹性碰撞，是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式。（这种相互作用引起的能量损失称为电离损失）2.带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞（主要方式辐射损失）当带电粒子靠近原子核时，它与原子核之间的库仑力作用使粒子受到吸引或排斥。结果：入射粒子的速度和运动方向发生改变，伴随发射电磁辐射（轫致辐射），并使入射粒子的能量有很大的减弱，损失的能量称为辐射损失。3.带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞（核碰撞能量损失）入射带电粒子靠近靶原子核时，由于它们之间库仑力作用使粒子受到偏转，改变其运动方向，但不辐射光子，也不激发原子核，满足能量和动量守恒要求，入射粒子要损失一部分动能，转移给原子核，使之反冲。1）绝大部分动能由入射粒子带走，运动方向被偏转2）靶核获得反冲能量→晶格原子位移，形成缺陷，造成靶物质的辐射损伤3）发生几率：入射粒子能量很低时低速重离子入射时4.带电粒子与靶物质核外电子的弹性碰撞入射带电粒子与靶原子中核外电子的弹性碰撞，在核外电子的库仑作用，使入射粒子改变运动方向，损失微小一点动能，E最低激发能，电子的能量状态不改变，是入射粒子与整个靶原子的相互作用。（只在Eβ在100eV时方才考虑）第二节重带电粒子与物质的相互作用载能重带电粒子入射到靶物质时，与靶物质发生的相互作用而损失能量与靶物质的核外电子的非弹性碰撞能量损失（电离损失或电子阻止）与靶原子核的弹性碰撞（核碰撞能量损失或核阻止）一、重带电粒子在物质中的能量损失1.快速中带电粒子的能量损失快速重带电粒子穿过靶物质原子电子云时，与电子发生非弹性碰撞，是入射粒子的能量转移给电子，导致靶原子电离或激发。在作一定的假设后，由经典的弹性碰撞理论来讨论重带电粒子在靶物质中经过单位路程长度时的能量损失，及即量损失率（由于碰撞过程是随机的，所以所求的应是平均能量损失率）。设带电粒子质量为m，电荷ze，入射能量E，速度v;靶物质中的“自由电子”的质量m0，电荷-e。按经典处理方法，用碰撞参量来描述入射带电粒子与这个电子之间的弹性碰撞。设带电粒子在离电子的垂直距离为b(碰撞参数)的ox方向射入靶物质时（如图2.1所示），靶物质中的电子就受到库仑力作用而发生入射粒子与电子之间的能量转移。当带电粒子离开电子的距离为r时，电子受到的库仑力为222)(rzerezef（2.1）带电粒子掠过电子近旁的时间为t，t从-∞到+∞，在△t时间内，带电粒子给予电子的动量为△P，△P=f△t传递给电子的总动量为P，fdtP带电粒子掠过电子近旁时，在通过最近点0点之前和之后，库仑力的x方向分量fx大小相等、方向相反，所以在x方向的总量分量Px等于零。因此，只有在垂直于运动方向的P的y分量Py。而库仑力的y分量所以，dtrbzedtfPyy32rbffy而dt=dx/v，并把v看成是一个常数。所以有：bvzebxdxvbzerdxvbzePy22/3222322)((2.2)于是，碰撞参量为b时，入射带电粒子与单个电子碰撞而损失掉的能量，也就是转移给电子的动能应该是：220420222bvmezmPEyb(2.3)要进一步计算入射粒子在靶物质中与许多电子发生这样的碰撞所引起的能量损失，必须对碰撞参量为b的所有电子求和，并对所有的碰撞参量b求和。假定单位体积内有N个靶物质原子，原子序数为Z，单位体积内的电子数就是NZ。在沿着粒子入射方向、半径为b、厚度为db、长度为dx的圆筒内的电子数是：2Πb•db•dx•NZ于是，入射到碰撞参量为b～b+db范围内的带电粒子，在物质中经过dx距离时，它要与2Πb•db•dx•NZ个电子发生碰撞而损失能量。这部分能量损失是：dbdxbvmNZezEbdbdxNZdEbdbbb2042)(42(2.4)对所有可能的b值，从b的最小值bmin到b的最大值bmax整个范围内求积分，就得到单位路程上的能量损失（也称比能量损失）为maxmaxminmin24()2024max20min4()4lnbbebbdbbbdEzeNZdbdEdbdxmvbbzeNZmvb(2.5)(-dE/dx)e称为电子碰撞能量损失率，或电子阻止本领。脚标“e”表示电离能量损失率。负号表示能量的减少。对于（2.5）式，我们可以从经典碰撞角度和量子力学的基础上给以求解。根据经典理论，碰撞时电子获得的最大动量等于2m0v，由（2.2）式得：bmin=ze2/m0v2，求bmax时，引入平均激发能I。由（2.3）式得2z2e4/m0v2b2≥I，得到：2/102max)2(Imvzeb于是，将bmin和bmax值代入（2.5）式，得到电子碰撞能量损失率的近似表达式为：2/1202042)2ln(4)(IvmvmNZezdxdEe（2.6）从量子理论导出的能量损失率公式（非相对论）是：)2ln(4)(202042IvmvmNZezdxdEe（2.7）可见（2.6）与（2.7）式仅在对数项中有些差异。根据量子论并考虑了相对论和其他修正因子，推导出的能量损失率（电离能量损失率）的精确表达式为：ZCIvmvmNZezdxdEe2220204211ln)2ln(4)(（2.8）式中β=v/c，c是光速，方括号中第二、三项是相对论修正值。I是靶原子的平均激发和电离能，是一个重要参数。式中单位是erg/cm，实际常换算成Mev/cm。由上述的公式可知：组织本领只与入射粒子的速度有关（1/v2），而与他的质量无关。阻止本领与重带电粒子的电荷数平方成正比。阻止本领与靶物质的NZ有关。从低能到高能的重带电粒子的阻止本领与入射粒子的能量Ｅ的关系可用右图来表示。２.低速重带电粒子的能量损失当重带电粒子的速度低于轨道电子的平均速度时，入射粒子与靶物质之间的电荷交换效应变得很重要，离子要从靶物质中俘获电子，这是要考虑入射离子的有笑点和减少。由LSS理论得出：（2.9）023323202618vvZzZzNaezdxdEe式中a0是玻尔半径。由（2.9）式可知，在离子速度小于v0z2/3的低能区，离子的电子阻止本领随离子速度减小而减小。3.能量损失的布拉格相加法则电子阻止本领（dE/dx)e除以靶物质单位内的原子数N，得eedxdEN)(1（2.10）YXYXbaba∑e称为电子阻止截面。单位是每原子eV•cm2。对于化合物（或混合物），它们的阻止截面可布拉格相加规则，由化合物的各组成成分的原子阻止截面乘上权重因子相加所得。例如化合物XaYb，则有：（2.11）式中∑X和∑Y分别表示X和Y的原子截面。单位体积中的化合物分子数为NXaYb，则（-dE/dx)XaYb=NXaYb•∑XaYb，则有化合物分子的阻止本领的布拉格相加规则为YYXXYXdxdEWdxdEWdxdEba)()()(（2.12）式中ρ分别是用化合物、单质元素X和Y的ρ代入，WX和WY分别是X原子和Y原子在化合物中的重量百分比（权重因子）YXYYYXXXbMaMbMWbMaMaMW（2.13）M是原子质量。4.核阻止本领核阻止就是入射粒子与靶物质原子核的弹性碰撞引起的能量损失。采用前面计算电子组织本领相类似的步骤，得到了核阻止本领如下：nnLvmNZezdxdE222424)(（2.14）将前面的（2.7）式改成如下：eeLvmNZezdxdE20424)(（2.15）将两式相比得：enenLLdxdEdxdE40001)()(（2.16）对高速粒子，Ln/Le~2，所以上式之比为1/2000。所以我们有下列结论：入射离子速度很大时，核阻止作用可以忽略掉不计。当入射离子是低速重离子时，核阻止作用就显得非常重要。5.能量岐离现象一束相同能量的入射粒子，当它们穿过相同厚度的靶物质时，它们的能量并不完全相同而有一定的分布的现象，叫能量岐离现象。能量损失的岐离分布可以用高斯分布来描绘。二、重带电粒子在物质中的射程1.比电离由（2.8）和（2.9）式单位路程上产生的电子-离子对数目也就与粒子速度和电荷态有关。同种粒子，速度慢的在单位路程上产生的电子-离子对数目较多；速度相同的粒子电荷态高的，在单位路程上产生的离子对数目较多。因此，重带电粒子贯穿物质时，从路程的开始端到路程的末端，一路上所产生的电子-离子对数目分布是不均匀的。我们把单位路程上的离子对数目称为比电离，以s表示。2.α粒子的射程带电粒子在物质中运动时，不断损失能量，待能量耗尽，就停留在物质中。它沿原来入射方向所穿过的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程,以R表示。注意：00EdERdEdx（2.17）射程与路程是来两个不同的概念。射程是指入射粒子是指沿入射方向穿透的深度，是指从入射点到它的终止点之间的直线距离；而路程是入射粒子在吸收体中所经过的实际轨迹的长度。第三节重