第1章-电离辐射与物质相互作用

第一章、电离辐射与物质相互作用哈尔滨工程大学核学院第一节带电粒子与物质相互作用一、射线与物质的相互作用•射线的种类很多，能量范围也很宽，但一般只关注能量在10ev量级以上的辐射，能量大于这个最低能值的辐射称作电离辐射。1.辐射的分类（1）带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、α粒子等。亦可称为直接致电离辐射，带电粒子通过物质时，沿着粒子径迹通过许多次的库伦力的相互作用，将其能量传递给物质。（2）非带电粒子的辐射：电磁辐射（γ射线和X射线）和中子等。亦可称为间接致电离辐射，X/γ射线或中子通过物质时，可能会发生少数几次相对而言较强的相互作用，把其部分或全部能量转移给它们所通过物质中的某带电粒子，然后，所产生的快速带电粒子再按直接致电离辐射的方式将能量传递给物质。X/γ射线将其全部或部分能量传递给物质中原子核外的电子，产生次级电子；中子几乎总是以核反应或核裂变过程产生次级重带电粒子。中子的世界在中子看来，世界绝大部分都是空空荡荡的。中子有多大的可能性和原子核发生反应？微观截面MicroscopicCrosssection设有强度为I（#/cm2s）的单能中子束平行入射到一薄靶上，该薄靶厚度为Δx，靶的核密度为N。平行中子束经过薄靶后强度的变化量ΔI正比于入射中子束的强度I、靶的厚度Δx及靶的核密度N.xNIIxINI/xNII微观截面Microscopiccrosssection微观截面表征了一个中子和一个原子核相互作用（发生核反应）的概率大小。2222###ARINcmcmscmscm微观截面Microscopiccrosssection2////ARNNumberofreactionsnucleussNumberofincidentneutronscmsI每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。seinaγftsaScatteringAbsorptionTotal微观截面工程中常用的单位：靶恩(barn)，1靶=10-24cm2中子束入射到厚靶上Neutronbeamincidentonathicktarget未经碰撞的中子束强度的衰减规律tAtdRIdNINdx在x处dx间隔内单位面积上发生反应的中子数为dxNxIINdxxIdxxIxdItt)()]()([)(宏观截面Macroscopiccrosssection•N为单位体积内原子核的数目。whereNisthenumberdensityofthetargetnucleiinunitscm-3N]][/[#][231cmcmcm未经碰撞的中子束强度的衰减规律dxxIxdIt)()(xteIxI0)(方程：给定边界条件下的解：宏观截面的物理解释•表征了一个中子和单位体积内所有的原子核发生反应的概率大小。•为一个中子在介质内穿行单位距离与原子核发生反应的概率大小。dxIdIN/2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几kev到20Mev的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。（1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量，带电粒子的能量减少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。（2）带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞入射带电粒子与物质原子核通过库伦力的相互作用，使入射带电粒子受到排斥或吸引，导致粒子的速度和方向发生变化。当带电粒子加速或减速时必然会产生辐射，因此，这种导致带电粒子骤然变速时伴随产生的电磁辐射称为轫致辐射，通过这种方式损失能量称为辐射能量损失。（3）带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，即卢瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射，只是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这种能量损失称为核碰撞能量损失，这种阻止作用称为核阻止。此过程是引起电子散射严重的主要因素。（4）带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞过程只有很小的能量转移。这种相互作用方式只是在能量极低（100ev）的电子才会考虑。因此，对粒子的能量损失贡献很小，一般忽略。3.带电粒子在物质中的能量损失•带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程可以看成是被物质阻止的过程，把某种吸收物质对带电粒子的线性阻止本领S定义为该粒子在材料中的微分能量损失dE除以相应的微分路径dx，即：也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。•根据带电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，能量损失率由电离能量损失率Sion、辐射能量损失率Srad及核碰撞能量损失率Sn组成，故有：•对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。radnionradniondxdEdxdEdxdESSSS)()()(dxdES3.带电粒子在物质中的能量损失•将具有一定能量的质子、氘核、α粒子和π介子等重带电粒子称为快重带电粒子，将所有z2并失去了部分电子的原子和裂变碎片等粒子称为重离子。•在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的电离能量损失Sion都是最主要的能量损失方式，而辐射能量损失Srad都可以忽略，快重带电粒子的核碰撞能量损失Sn一般很小，但重离子（特别速度很低时）的核碰撞能量损失Sn可与电离能量损失Sion相当。•对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要方式，但辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子能量达到几Mev时，二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失Sn所占份额很小，但这会引起严重的散射。二、重带电粒子与物质的相互作用•在我们感兴趣的能量范围内（大约0.1Mev到20Mev）的重带电粒子与物质的主要相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性碰撞，导致原子电离和激发，但粒子的运动方向几乎没有什么变化；（2）电荷交换，即俘获和损失电子；（3）与核的弹性碰撞（卢瑟福散射）；（4）核反应。•造成能量损失的主要机制是电离和激发，即电离能量损失。但是离子的种类不同，相互作用的方式有所差别。1.能量损失率•在考虑相对论的情况下，从理论上推出：1.能量损失率关于上式的几个结论：（1）电离能量损失率与重带电粒子电荷数z2成正比。如α和质子的速度相等，物质对α粒子的阻止本领是对质子的4倍。因此，带电粒子的电荷越多，能量损失就越大，穿透力越差。（2）电离能量损失率与入射粒子速度v有关，而与质量无关。这是由于重带电粒子的质量远大于电子的静止质量。因此，只要两种入射粒子的速度相等，并具有相等的电荷数，那么他们的能量损失率就相等。（3）电离能量损失率与物质的电子密度NZ成正比。N表示单位体积内靶物质的原子数，Z是其原子序数，则单位体积内的电子数是NZ。物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，则此种物质对粒子的阻止本领越强。（4）电离能量损失率与入射粒子的能量有关。4Em0/M≈2m0v21.能量损失率2.比电离带电粒子穿过物质时，通过电离和激发产生许多电子—离子对，把单位距离上产生的平均离子对数称作比电离。3.射程带电粒子在物质中运动时不断损失能量，最终会停留在物质中。它沿初始运动方向所行进的最大距离称作入射粒子在该物质中的射程。入射粒子在物质中行经的实际轨迹长度称作路程。重带电粒子的质量大，它与电子的相互作用不会导致其运动方向有大的改变，其轨迹几乎是直线，射程基本等于路程。3.射程•能量为E0的带电粒子的射程R可以表示为：•一般用实验测定。•可以看出粒子的计数率n从开始下降到降为零这段距离内被全部吸收，把计数率下降为一半的透射距离定义为粒子的平均射程R0.•对曲线a求导得到曲线b，称为微分曲线，代表单位路程上的粒子数随路程的分布，其峰值正好为平均射程R0。微分曲线分布的宽度表示射程的涨落，表明相同能量的粒子在同一物质中的射程并不完全相同，这种涨落称为射程岐离。•α粒子在空气中的射程数据总结出了半经验公式：4.能量岐离•上面说到了射程岐离，产生此现象的根本原因是重带电粒子沿其径迹所经受的碰撞次数和每次碰撞所损失的能量，都是一个随机量，同样此原因导致了能量岐离现象的出现。•可以看出，同一能量的大量粒子在进入靶后，在不同深度处的能量岐离是不同的，进入靶越深，平均能量越小，而能量分布越宽，岐离越严重。三、电子与物质的相互作用•快速电子包括β射线（正电子和电子）和单能电子束。由于电子的静止质量约是α粒子的1/7000，所以与物质的相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大的差异。•快速电子与物质的相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性碰撞，引起原子的电离和激发；（2）核弹性库伦散射，散射严重；（3）在电子减速或加速的过程中发射电磁辐射（轫致辐射）；（4）正电子或负电子的湮灭。•虽然电离和激发仍是重要的，但轫致辐射的作用不能随意的忽略。并且在与轨道电子的一次作用中，可以损失相当大份额甚至全部的能量，并显著改变自己的运动方向。1.电离损失•快电子的能量损失率有电离损失和辐射损失组成。快电子与物质相互作用的损失能量率远小于重带电粒子，在相同的能量情况下，电子的速度远大于重带电粒子的速度，因此，电子在单位路程上损失的能量远小于重带电粒子。•描述电离能量损失率的公式：2.辐射损失•带电粒子在原子核库仑场中被减速或加速，其部分或全部动能，转变为连续谱的电磁辐射。其能量损失称为辐射损失。•电磁辐射的强度应正比于z2Z2NE/m2。对电子的辐射损失率公式：•可以看出几个结论：（1）辐射能量损失率与m2成反比。粒子质量越小，轫致辐射强度越大。（2）辐射能量损失率与Z2成正比。电子打到高原子序数的材料时更易产生轫致辐射。用于产生X射线源。（3）辐射能量损失率与粒子能量E成正比。3.能量损失•快速电子在物质中的能量损失率可表示为：•有公式可以看出：电子的能量低时，电离损失占有主要的地位；而电子能量较高时，辐射损失就会越来越占有重要作用。在相对论区，有：4.弹性散射•电子穿过物质时，运动方向的改变虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要还是由于原子核的库伦力作用而发生弹性碰撞的结果。弹性碰撞过程中电子的能量变化很小，但方向变化很大，这就是弹性散射。•电子穿过物质时要先后受到许多次原子核的弹性散射作用，称为多次散射。经过多次散射后，散射角可以大于90°，甚至可能是180°，通常把大于90°的散射称为反散射。•fb随反散射体厚度增加而增大，但厚度增加到一定程度后，fb达到饱和。5.电子的吸收•实验表明，对于不同的吸收介质，μm随原子序数的增加而缓慢的上升，对于同一种介质，吸收系数μm与β粒子最大能量密切相关。对铝有如下经验公式：max17Em6.β射线的射程•β射线在低Z材料中的射程有如下经验公式，当0.01≤E≤2.5Mev时：当E2.5Mev时：R0=0.530E-0.106其中，射程R0用质量厚度表示，单位是g·cm-2，E为β粒子的最大能量，单位是Mev。EERln0954.027.10412.07.正电子与物质的相互作用•正电子在通过物质时，与核外电子及原子核相互作用，损失能量的主要过程和负电子一样，即电离损失和辐射损失。在吸收体中的径迹类似于负电子，其能量损失率及射程也与初始能量相等的负电子相同。•特点在于，在其慢化而快终止时，会与介质中的电子发生湮灭而消失，同时放出两个光子。两个湮灭光子能量均是0.511Mev，发生的方向相差180°，即总动量是零。四、其它形式的辐射•上述讨论了带电粒子穿过介质时的两种主要的能量损失方式—电离损失和辐射损失，这也是能量低于20Mev的带电粒子与物质相互作用损失能量的主要过程。•对于高能带电粒子而言，除了上述过