核辐射探测 第一章.ppt

授课老师：屈老师 角）较小；若很贴近原子核，库仑力大，电子运动方向改变的角度就大。绝大多数电子运动方向发生小角度偏转。电子通过一定厚度的物质时要经过多次弹性散射，电子运动方向将会改变很大。在实际应用中，用下式表示多次散射偏转角的水平投影角?： 式中Z为物质原子序数，P和?为电子的动量和x0是辐射长度。 Es常数能量： （1.26) (1.27) 有的电子经过多次散射后，偏转的角度可以大于900,这种现象称为反散射。入射电子的能量越低，物质的原子序数越高，反散射越显著。 四,正电子与物质的相互作用 （1.28) 正电子与物质发生相作用的能量损失机制和电子的相同。但是当它的能量与周围物质达到平衡后，将与电子发生湮灭，放出?光子，或者与一个电子结合形成正电子素，即电子—正电子对的束缚态，然后再湮没。因此，对正电子的探测一般是通过探测湮没??光子间接进行的。 理论计算表明，在大数情况下，正电子湮没放出两个?光子的发射方向在它们和质心坐标系中是相反的，而实验室坐标系中，由动量守恒得到相对于共直线的偏转角为： 式中PT是电子--正电子对的动量在垂直于光子发射方向上的分类。通常?10。显然，（1800--?）是实验室坐标系中两个?光子之间的夹角，因此，习惯上说正电子湮没辐射发射的两个?光子方向相反。两个?的角关联曲线描述了物质中被湮没的电子的动量分布。 (1.29) 式中re是电子的经典半径，c是光在实验室中的速度，ne是正电子湮没时所处物质的电子密度；?、Z、A分别为物质的密度、原子序数和原子量。湮没概率?的单位为s-1。正电子湮没技术（PAT）在材料科学、环境科学、生命科学中得到广泛应用。 根据能量守恒，正电子湮没放出的两个?光子的能量在它们的质心坐标系中都等于电子的静止质量能 第二节 X和?射线的探测原理 X射线和?射线在物质中没有直接电离和激发效应，因此，不能直接被探测到。只有利用它们在物质中的光电效应、康普顿散射和电子对产生效应等产生的次级电子再引起的电离和激发才能探测到。 一、光电效应 光子通过物质时和物质原子相互作用，光子被原子吸收后发射轨道电子的现象，称为光电效应，也称光电吸收。光电效应发出来的电子叫做光电子。光电子可以从原子的K、L、M等各壳层中发射出来。在光电效应过程中，因为动量守恒要求，除入射光子和光电外，还必需有第三者参加，即原子核，严格的讲是发射光电子之后余下的整个原子。所以自由电子不能产生光电效应， 而且原子的内层电子由于受到原子核的强束缚更容易满足动量守恒而更容易发射光电子。一般的说，如果入射光子的能量超过K层电子结合能，那么，大约80%的光电吸收发生在K层电子上。 图书1.5 光电效应、特征X射线和俄歇电的发射示意图 1 、光电子的能量 入射光电子的能量（E0=h?)一部分用来克服电子在原子核中的结合能，另一部分转化为光电子的动能。 i=K,L,M…. 式中Bi为第i壳层的电子的结合能， L层 K层 M层 式中，h为普朗克常量（h=6.582*10-22)；R?为里德伯常量（hc R?=13.60Mev). 原子发射光电子，从内壳层打出电子，便处于激发状态 。退激有两种形式，一种是外层电子向内层跃迁伴随着放射特征X射线，其能量为两个壳层结合能之差（以K层为例，EKX=BK-BL）另一种是原子的激发能直接交给外壳层的其它电子，使外壳层电子从原子中发射出来，即发射俄歇电子，其能量也仅以K层为例： 2 、光电截面 ?射线和X射线与物质相互作用发生光电效应的概率就是光电吸收截面。当h?mec2而h ?BK 时，对于K层电子，每个原子的光电截面为： （1.55式） 当h?mec2时 （1.56式) 式中：?=e2/hc=1/137是精细结构常数，?th是每个电子的汤姆逊散射截面，其值为： 由（1.55）式和 (1.56)式，可见? KPh?Z5,.所以重元素光电效应比轻元 素的强的多，许多?探测器常用高Z材料，以获得较高的探测效率,由于同样原因，也选用高Z材料作为?射线的屏蔽材料。另一方面，?KPh随h?增加而 减小。低能时，变化得更快一些，高能时变化得缓慢一些。这可解释为：?射线能量低时，相对而言，电子被束缚得也就越紧，越容易发生光电效应；而当?射线能量高时，电的束缚能相对来说可以被忽略不计，这种电子接近“自由电子”，所以光电截面小。当? KPh接近BK时， ? KPh达到峰值，因此h?=BK称为K吸收限。同样还有L吸收限、M吸收限。吸收限是在入射光子能量与K、L、M层电子的结合能相一致时