核辐射物理与探测学复习

核辐射物理与探测学复习注：本提纲中的问题覆盖范围并不完备，因此不能完全替代书本复习，仅作参考之用！一、关于载流子1)无论是气体探测器，还是闪烁、半导体探测器，其探测射线的本质都是将射线沉积在探测器灵敏体积内的能量转换为载流子。这三种探测器具有不同的载流子，分别是：气体（），闪烁体（），半导体（）；答：气体：电子－离子对；闪烁体：第一个打拿极收集到的光电子；半导体：电子－空穴对；2)在这个转换过程中，每产生一个载流子都要消耗一定的能量，称之为（），对于三种探测器来说，这个能量是不同的，分别大概是多少？气体（），闪烁体（），半导体（）。这个能量是大些好，还是小些好？为什么？答：平均电离能；30eV，300eV，3eV；这个能量越小越好，因为平均电离能越小，产生的载流子就越多，而载流子的数目服从法诺分布，载流子越多则其数目的相对涨落越小，这会导致更好的能量分辨率；3)在这个转换过程中，射线沉积在探测器中的能量是一个（）变量，而载流子的数目是一个（）变量，载流子的数目是不确定的，它服从（）分布，该分布的因子越是大些好，还是小些好？为什么？答：连续型变量；离散型变量；法诺分布；法诺因子越小越好，小的法诺因子意味着小的统计涨落，导致好的能量分辨率；二、关于探测效率1)对于不带电的粒子（如γ、中子），在探测器将射线沉积在其灵敏体积中的能量转换为载流子之前，还需要经历一个过程，如果没有该过程，则探测器无法感知射线。以γ射线为例，这个过程都包含哪些反应（）？这个过程的产物是什么（）？对于1个1MeV的入射γ射线，请随便给出一个可能的该产物能量（）？答：对于γ射线，这些反应包括光电效应、康普顿散射以及电子对效应（如果γ射线的能量1.022MeV）；这些反应的产物都是次级电子；对于1个1MeV的γ射线，次级电子的能量可以是几十keV～几百keV，也可以是接近1MeV；2)这个过程发生将主要地决定探测器的探测效率，那么影响探测效率（本征）的因素都有哪些（）？在选择探测器的时候，为了得到高的探测效率（本征），应该做什么考虑（）？答：影响本征探测效率的因素有：探测器的原子序数、密度、体积、形状，以及γ射线的能量，甚至还包括射线射入探测器的位置、角度；在选择探测器时，为了得到高的本征探测效率，应该选择那些原子序数高、密度大的探测器，探测器的体积要大并且探测器的形状合理（例如正圆柱形）；3)绝对探测效率和本征探测效率的区别是什么？答：绝对探测效率考虑的是对每一个源发射出的粒子，探测器测量到的计数值；本征探测效率考虑的是对每一个射入探测器的粒子，探测器测量到的计数值。绝对探测效率是整个探测系统中所有环节的综合表现；而本征探测效率则主要反映了探测器的特性；三、关于能量分辨率1)能量分辨率是探测器的一项重要指标，但能量分辨率并不是一个特定的量，当我们说某个探测器的能量分辨率是多少的时候，需要指定条件，这个（些）条件是（）。答：需要指定这是对哪个能量说的。比如，当我们说某个NaI(Tl)探测器的能量是7%的时候，指的是对662keV的γ射线能量，如果是对于1.33MeV的γ射线，就不再是7%了，而是要小一些；2)能量分辨率是个绝对的概念还是相对的概念（）？答：是个相对的概念，能量分辨率的分子是全能峰的半宽度，分母是全能峰能量的期望值；3)对于某个确定的探测器，能量分辨率与灵敏体积内沉积能量的关系是什么（）？答：如果仅仅考虑载流子的统计性问题，则能量分辨率与灵敏体积内沉积能量的关系是反比于E的1/2次方；4)虽然我们希望能量分辨率越小越好，但实际上它总是受统计涨落限制的，不可能无限小。请从载流子的角度描述，这个限制是什么？答：一个确定的射线能量经过带电粒子在探测器内的电离过程，变成了数目不等的载流子，载流子的的数目服从法诺分布；当载流子数目的期望值N较大时，它将表现为一个期望值为N，sigma为sqrt(FN)的高斯分布，由此决定的能量分辨率为2.355×sqrt(F/N)；这个分辨率是无法再被改善的，是分辨率的极限，实际中还要考虑其它因素对能量分辨率的影响，因此能量分辨率还要更差。四、射线与物质相互作用1)带电粒子在射入某个物质时，可以与物质发生四种类型的作用，分别是（）？虽然从微观上看，带电粒子与物质发生的每次相互作用的效果是（）的，但是从宏观上看，我们可以认为带电粒子在进入介质中之后，一定和介质发生了相互作用。答：带电粒子使原子核外电子电离或激发；带电粒子受到原子核库仑力时发生的轫致辐射；带电粒子与原子核发生的弹性碰撞；带电粒子与原子核外电子发生的弹性碰撞（实际相当与整个原子）；带电粒子与物质发生的每次相互作用都是随机的（例如，碰撞参数不同，导致其传递给电子的能量就是不同的）；2)重带电粒子与介质发生相互作用的主要类型是（）；假设你是一个α（～5MeV）粒子，当你进入某一个介质并被其阻止时，你是否会知道该介质的原子序数是多少，为什么？随着进入该介质的深度不断增加，你的能量将会不断（），对于某个确定的深度，你的能量也是确定的吗，为什么？你是否可以准确预测你将在哪里停下来，为什么？你在介质中损失能量的同时，也在介质中造成了影响（“乒乒乓乓，有的电子被电离，有的电子被激发……”），那么随着你的不断深入，你在路上观察到的自由电子是越来越密集，还是越来越稀疏，为什么（不考虑你快要停下来时候的情形）？你的行进道路是曲折的，还是直来直去的，为什么？曾经有一些电子，距离你的路径是那样的近，当你从它们身边掠过的时候，它们被你强劲地拉动了，形成了（）？它们在停止之前又做了些什么？答：重带电粒子与介质发生相互作用的主要类型是电离（激发）；如果我是一个α粒子，我无法判断介质的原子序数，因为尽管电离能量损失率是与原子序数Z成正比的，但是同时也是与原子密度N成正比的；仅仅通过电离能量损失一项无法判断Z的大小；随着进入介质深度的增加，能量将会不断下降；在某个确定的深度，α粒子的能量不是确定的。原因是α粒子的能量损失过程是一个随机过程，其能量会随着射程的延伸而表现出能量歧离；不过α粒子能量的期望值是确定的；不能确定地预测α粒子将在哪里停下来，同样是因为能量损失过程的随机性导致的射程歧离；随着射程的延伸，α粒子的能量逐渐降低，在单位路径上交给电子的能量越来越多，因此看到的自由电子越来越密集（未考虑最终阶段）。α粒子的径迹基本是直线，因为α粒子质量远远超过电子的质量，α粒子的方向很难被改变；那些碰撞参数很小的电子形成了delta电子，这些电子的能量足够高，还能接着去电离；3)快电子与物质发生相互作用的主要类型包括（）和（），二者都可以使快电子的能量损失，其比例关系是（）。如果你是个快电子，射入了某一个介质，你有无可能告诉我们该介质的原子序数是高还是低，为什么？为什么你看起来像个醉汉，东歪西扭地走路？是什么原因，使你突然发生了接近180度的偏转？对于α粒子，知道了起始位置和入射方向，其终点位置就差不多确定了，那么对于快电子呢？答：快电子与物质相互作用的主要类型为电离（激发）和轫致辐射；二者的比例关系为EZ/700（轫致辐射能量损失率vs电离（激发）能量损失率）；如果是个快电子，进入介质之后，有可能根据两种能量的损失关系来判断原子序数的高低；与入射电子发生碰撞的可能是电子，二者质量相同，因此入射电子的方向可能发生很大的变化；与入射电子发生碰撞的也可能是原子核，高原子序数的原子核提供的强大库仑力可能会使入射电子发生大角度的反散射；因此电子的径迹是曲曲折折的；高原子序数原子核对电子的吸引使得电子180度的反散射成为可能；对于α粒子来说，入射方向和入射位置确定，基本终点就可以确定了，但是对电子是不可能的；4)假如一个α粒子和一个电子同时从坐标（0，0，0）（单位：cm）的位置出发，并也碰巧都停在了某个介质中的（10，0，0）位置处。问它们各自走了多少路程，α粒子答曰：“10.01cm左右吧！”电子答曰：“屈指算来，与α粒子相仿也是10cm左右”。它们的回答是否正确，为什么？答：对于α粒子来说，是正确的，因为其射程与路程长度相当；对于电子来说，不对，它的路程长度远远超过射程；5)在一个半径为1cm的NaI晶体球的球心处，有一个能量为3MeV的电子想要“跑出去”，很不幸，它没有成功，为什么？如果有10000个这样的电子被“抓住”了，那么能否说NaI晶体球内沉积的能量增加了30GeV呢，为什么？答：因为3MeV电子的在NaI中的射程仅为～4mm，不足以射出1cm的NaI球；由于电子能量可能以轫致辐射的方式损失，而轫致辐射产生的X射线可能穿透NaI球出去，因此NaI晶体球沉积的能量小于30GeV；6)β射线与单能快电子的区别是什么？当一束β射线射入某种介质时，随着入射深度的不断延伸，我们能够观测到的电子数目会越来越少，其减少规律近似地服从一种规律，是什么（）？答：β射线的电子能量是连续的，不是单一的；这个规律是“指数”衰减规律；7)对于不带电的粒子，我们通常关心的是γ射线和中子。它们是间接致电离粒子，需要先通过某些反应变成带电粒子才可以电离。对于γ射线来说，它能不能和射入的介质发生相互作用是一个（）事件。在射入某个介质之后，它可能和介质中的原子发生三种反应（虽然不局限于此三种，但我们只感兴趣这三种），分别是什么？这三种反应的截面与原子序数和能量关系很重要，这个关系是什么？请说出这三种反应的产物及其可能存在的后续反应的产物都是什么？答：随机事件；光电效应、康普顿散射、电子对效应（γ射线能量超过1.022MeV）；这三种反应的截面与原子序数的关系是Z的5次方、1次方和2次方；与能量的关系总的来讲：随着能量提高，光电效应和康普顿散射反应的截面下降，而电子对效应的截面提高（有阈值1.022MeV）；光电效应的产物：光电子，内层电子空位导致的后续X射线或俄歇电子；康普顿散射：反冲电子，散射光子；这个散射光子还能继续发生反应（光电、康普顿、电子对等）；电子对效应：其动能分享了γ射线能量与1.022MeV之差的正负电子，正电子迅速减速湮没（固体：ps时间）放出两个背向出射的511keVγ光子；γ光子还能继续发生光电效应或康普顿散射；8)对于中子来说，通常有核反应法、核反冲法、裂变法和活化法来将其转换为带电粒子。这些带电粒子可能是（）？核反应法常常用于测量低能的慢中子，此时中子的反应截面与中子的能量之间存在一个关系，是什么关系？在慢中子能区，当中子的能量减小为原来的1/4时，其反应截面将变为原来的（）？答：α粒子，质子，裂变碎片，反应生成的子核，电子；1/v关系，2倍；9)如果不考虑积累因子，γ和中子穿透某种介质的概率服从什么规律？决定衰减系数的因素有哪些？为什么要提出质量衰减系数这个概念？水和水蒸气的衰减系数是否相同，质量衰减系数呢？积累因子的来源又是什么呢？答：指数衰减规律；决定线性衰减系数的是反应截面和原子的空间密度；对于γ射线：反应截面由原子序数和入射的γ射线能量决定；对于中子：反应截面由原子核和入射的中子能量决定；提出质量衰减系数概念的原因是为了描述同种物质在不同物理状态下对射线的衰减；水的衰减系数比水蒸汽的答，但是质量衰减系数二者是相同的；积累因子的主要来源是康普对散射（电子对效应亦有可能）。五、统计学问题1)在辐射探测中，统计性是固有的数学特性，是无法消除的。对同一个物理量，即使保持一切条件不变，不次的观测也会得到不同的结果，这些结果服从一定的概率分布。这些概率分布都是哪些？（）答：泊松分布（期望值20后近似为高斯分布），指数分布，法诺分布；2)请回答下列问题：a)一个活度为10微居的Cs-137源（半衰期为30.17年），一秒钟放出的γ射线的数目服从什么分布？答：泊松分布b)设某探测器对上述源发出的γ射线的绝对探测效率为10%，则探测器每秒测到的信号数目服从什么分布？答：泊松分布c)γ射线进入探测器，通过三种效应产生了次级电子，这个次级电子的能量具体为多少是与发生的反应类型有关的，不妨设次