3 电离辐射与物质的相互作用(快速电子)

电离辐射与物质的相互作用(快速电子)王德忠教授核科学与工程学院2010/3/81/302.3快速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，所以它与物质相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大差异。快速电子在物质中的损失一般需考虑电离损失和轫致辐射损失。电子与原子核库仑场作用发生非弹性碰撞，产生轫致辐射，能量为几个MeV的电子在铅中的轫致辐射能量损失率接近电离损失率。2010/3/82/30β射线与物质的相互作用快速电子或β射线（正电子和电子）与物质发生三种相互作用：弹性散射、非弹性散射和轫致辐射2010/3/83/30a.弹性散射1)弹性散射概念（简称散射）——电子穿过物质时，运动方向的改变主要是由于原子核的库仑力作用而发生的弹性碰撞结果，发生弹性碰撞时电子的能量变化很小，但电子的运行方向变化很大电子愈靠近原子核，散射愈厉害，散射角度也愈大2010/3/84/302)多次散射和反散射电子穿过物质时先后受到许多原子核的弹性散射作用，称为“多次散射”电子在物质中的行程较大，散射次数愈多，电子的偏转就显著。电子经过多次散射，最终散射角可以大于90°，甚至可能是折返去，这种大于90°的散射称为反散射2010/3/85/30b.非弹性散射非弹性碰撞——当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，而体系动能不守恒，入射电子将自己的一部分能量给于原子壳层电子，使原子发生电离或激发电子——电子碰撞：实质上是静电相互作用2010/3/86/30c.轫致辐射（bremsstrahlung)入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射—轫致辐射(Bremsstrahlung)。它是X射线的一种，具有连续的能量分布2010/3/87电子打在荧光屏上产生X射线-轫致辐射X射线达到电视机显像管产生荧光特征:x射线能量连续0–EMax(电子能量)电视机高压15kV电子束能量15keVx射线能量0-15keV产生机制原子核c.轫致辐射2010/3/88轫致辐射研究的意义X射线产生装置的X射线连续谱就是快速电子在厚靶中的轫致辐射谱；放射源的防护必须考虑具有连续能量的粒子的轫致辐射的能量分布；电子加速器的防护更必须考虑轫致辐射；在能谱测量中必须考虑轫致辐射对标准谱和本底的影响等等。2010/3/89/30当+粒子与物质作用，正电子的速度接近于零时，与附近原子中的电子（e-）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为两个方向相反，能量各为0.511Mev的光子而自身消失的过程成为湮没辐射或光化辐射d.湮没辐射（annihilationradiation)2010/3/810/30正电子与物质发生相互作用的能量损失机制即电离损失和辐射损失与电子相同但不同点在于：高速正电子进入物质后迅速被慢化，然后在正电子径迹的末端，即停下来的瞬间与介质中的电子发生湮没，放出光子；或者，它与介质中的一个电子结合成正电子素，即电子——正电子对的束缚态，然后再湮没，放出光子。正电子湮没放出光子的过程称为正电子湮没，放出的光子称为湮没光子。2010/3/811正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。e++e-→γ+γme++me-=0.511+0.511MeV质量转化为能量转化效率(100%）γγ2010/3/812从能量守恒出发：在发生湮没时，正、负电子的动能为零，所以，两个湮没光子的总能量应等于正、负电子的静止质量。即：2221cmcmhhee从动量守恒出发：湮没前正、负电子的总动量为零，则，湮没后两个湮没光子的总动量也应为零。即：chch212010/3/813因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeVMeVcmhhe511.0221而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的2010/3/814辐射能量损失率在单位路程上由于轫致辐射而损失的能量称为辐射能量损失率，可用符号(-dE/dx)rad表示，(-dE/dx)rad与带电粒子的质量M、电荷数z、动能E、吸收物质等的关系可用下式表示：式中，N和Z分别为吸收物质单位体积的原子数目及原子序数。222)/(NZMEzdxdErad∝2010/3/815/30从上式可以看出如下几点：（1）辐射能量损失率和带电粒子的静止质量的平方成反比，重带电粒子的辐射能量损失率是很小的，只有电子才需要考虑辐射损失。（2）辐射能量损失率和吸收物质原子的原子序数Z的平方成正比，所以，重物质比轻物质更易产生的轫致辐射。在使用重物质防护电子时，必须考虑在挡住电子的同时所产生的轫致辐射。（3）辐射能量损失率随粒子动能的增加而增加，这是与电离损失的情况不同的。2010/3/816/30快速电子的辐射能量损失率可用下式计算快速电子的(-dE/dx)rad：式中：E：快速电子能量；N：单位体积内的原子数目；：每个原子的轫致辐射截面。radradNEdxdE)/(rad2010/3/817/30计算公式可用如下公式表示：式中，e为电子电荷，为电子的静止质量；C为光速；B为与计算轫致辐射微分截面有关的常数。radradBZZcmeerad)1()(1371222em2010/3/818/302.3.3快速电子在物质中的能量损失快速带电粒子穿过物质时的总的能量损失率应是电离能量损失率与辐射能量损失率之和，可用下式表示：radiondxdEdxdEdxdE)()(/2010/3/819/30800//ZEdxdEdxdEionrad对快电子而言，能量损失率是电离能量损失和辐射能量损失率之和，两者之比为：E的单位为MeV一般情况下所涉及快电子的能量E一般不超过几个MeV，所以，辐射能量损失只有在高原子序数的吸收材料中才是重要的2010/3/820对电子而言，在相近能量下，其速度远大于重带电粒子α，所以，电子是弱电离粒子对1MeV的α粒子和电子的比电离密度分别为和（对标准状态空气而言）cm离子对4106cm离子对452010/3/821α射线与β射线电离效应比较α射线β射线径迹粗直细弯α电离作用强电离作用严重产生离子对数目多电离作用Z1Z2/v2Z1入射粒子原子序数Z1靶粒子原子序数v入射粒子速度实验结果2010/3/822临界能量为了比较电离和辐射能量损失的作用大小，把某种物质中电离能量损失率和辐射能量损失率相等的电子能量，称为该物质的临界能量，用符号Ec表示。当电子能量EEc时，辐射能量损失率超过电离能量损失率。当EEc时，电离能量损失率超过辐射能量损失率。2010/3/823/302.3.5快速电子的吸收和射程无论是单能电子束，还是能量连续分布的β射线，在经过一定厚度的物质时，电子的数目随着距离的增加而逐步减少，这种现象称为吸收。2010/3/824/30nmEER412)(Enln0954.0265.1MeVEMeV301.0MeVEMeV205.2106530)(EERm单能电子在吸收介质中的射程Rm与其能量E(MeV)之间的关系：经验公式：Sr90例发出的的射程MeVE83.2maxcmR82.1max快电子射程2010/3/825/30为何不能用α粒子那样的平均射程的概念来说明β粒子的情况2010/3/826/30β射线的射程因为β粒子的能量是从零到Eβ最大连续分布，所以各个β粒子的射程差别很大即使是初始能量相同的一束电子，由于它们在电离过程中损失的能量涨落很大，同时还存在轫致辐射和多次散射，因而它们在同一物质中经过直线距离差别也是很大的，不能用α粒子那样的平均射程的概念来说明β粒子的情况2010/3/827/30射线的防护对于能量为几MeV的电子或射线来说，电离能量损失仍是主要的。举例来讲，10MeV的粒子在铅中的辐射能量损失仅占能量总损失率的16%，尽管如此，在对射线的防护中需要考虑辐射能量损失，在射线测量时对于轫致辐射造成的本底计数也不能忽略。因此为了减少轫致辐射的本底干扰，在用于屏蔽宇宙射线的铅室内部宜采用原子序数低的材料作为内壁和探测器支架。2010/3/828/30小结：重带电粒子与物质相互作用的特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量，同时使介质原子电离或激发；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线2010/3/829快电子与物质相互作用的特点：快电子的速度大快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略快电子散射严重,甚至发生反散射。2010/3/830