1、第一章 射线与物质的相互作用,Radiation Interactions with Matter,1.1关键词 带电粒子与物质的作用方式 电离 激发 轫致辐射 能量损失率 阻止本领,1.1 概述,1、什么是射线？,射线，指的是如X射线、射线、射线、射线等，本质都是辐射粒子。,射线与物质相互作用是辐射探测的基础，也是认识微观世界的基本手段。,本课程讨论对象为致电离辐射，辐射能量大于10eV。即可使探测介质的原子发生电离的能量。,2、射线与物质相互作用的分类,带电粒子与物质相互作用的分类,带电粒子与物质的相互作用（电磁相互作用）,（3）弱相互作用,本书所涉及领域内，主要考虑带电粒子与物质通过库仑
2、力发生的相互作用。,两个小球的质量分别为m1和m2，沿一直线分别以速度v10和v20运动，两球发生弹性对心碰撞，设碰撞后的速度分别为v1和v2，由于是弹性碰撞，故总动量和总动能保持不变，即,讨论,若 ， 则,动量定理，弹性碰撞,3、弹性碰撞与非弹性碰撞,为内能项,弹性碰撞（即动能守恒）,非弹性碰撞（即动能不守恒）,为第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基态的核碰撞，且使核激发；,为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发态的核碰撞，且使其退激。,4、带电粒子在靶物质中的慢化,载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可分为四种，其中前两种是主要的：,(1)电离损失与核外电子的非弹性碰撞过程,入射带电粒子与
3、靶原子的核外电子通过库仑作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发。,电离核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子。,激发使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光。,当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞，以使靶物质原子电离或激发的方式而损失其能量，我们称它为电离损失。,(2)、辐射损失与原子核的非弹性碰撞过程,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。,当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其能量，我们称它为辐射损失。,粒子质量较大，与原子核碰撞后，运动状态改变
4、不大。尤其粒子质量较小，与原子核碰撞后运动状态改变显著，因此粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失方式。,医疗诊断设备如CT、CR等使用的x射线,(3)、带电粒子与靶原子核的弹性碰撞,带电粒子与靶原子核的库仑场作用而发生弹性散射。弹性散射过程中，入射粒子和原子核的总动能不变，即入射粒子既不辐射光子，也不激发或电离原子核，但入射粒子受到偏转，其运动方向改变。,弹性碰撞过程中，为满足入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒，入射粒子损失一部分动能使核得到反冲。碰撞后，绝大部分能量仍由入射粒子带走，但运动方向被偏转,核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，对粒子能量损失
5、的贡献才是重要的。但对电子却是引起反散射的主要过程。,这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子的能量损失称之为核碰撞能量损失，我们把原子核对入射粒子的阻止作用称为核阻止。,(4)、带电粒子与核外电子的弹性碰撞,受核外电子的库仑力作用，入射粒子改变运动方向。同样为满足能量和动量守恒，入射粒子要损失一点动能，但这种能量的转移很小，比原子中电子的最低激发能还小，电子的能量状态没有变化。实际上，这是入射粒子与整个靶原子的相互作用。,这种相互作用方式只是在极低能量(100eV)的粒子方需考虑, 其它情况下完全可以忽略掉。,1.2 重带电粒子与物质的相互作用,1、重带电粒子与物质相互作用的特点
6、,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。,Interaction of Heavy Charged Particles,2、重带电粒子在物质中的能量损失规律,1) 能量损失率(Specific Energy Loss),指单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或物质的阻止本领(Stopping Power)。,按能量损失作用的不同，能量损失率可分为“电离能量损失率”和“辐射能量损失率”。,碰撞过程是随机的，所以-dE/dx是平均能量损失率。,对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒
7、子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。,2) Bethe 公式(Bethe formula),Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、电荷Z等关系的经典公式。,1、经典Bethe公式的推导模型,2、结果：求电离能量损失率 单位路径上引起的能量损失，也就是要求单位路径上物质获得的能量，也就是单位路径上核外电子所获得的能量。,Bethe公式的推导,1) 物质原子的电子可看成是自由的。,(入射粒子的动能远大于电子的结合能),2) 物质原子的电子可看成是静止的。,(入射粒子的速度远大于轨道电子的运动速度),3) 碰撞后入射粒子仍按原方向运动。,(碰撞中入射粒子传给电子的能量比其自
8、身能量小得多,入射粒子方向几乎不变),公式推导的简化条件：,重带电粒子与单个电子的碰撞情况：,电子受到的库仑力：,该作用过程的时间为：,在 时间内，带电粒子传给电子的动量 为：,整个作用过程中，传给电子的总动量为：,在x方向，电子获得的动量为：,因此，有：,由于：,所以：,令：,则：,碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：,碰撞参量为b时，单个电子所得动量为：,碰撞参数为b时，单个电子所得的动能为：,碰撞参数为b的电子数为：,在dx距离内,碰撞参数为b的电子得到的总动能为：,单个电子所得的动能与碰撞参数b之间的关系讨论。,在dx距离内,物质中所有电子得到的总动能(也就是入射粒子在dx距离内损失的
9、动能)为：,可以容易知道， 对应电子获得最大能量的情况，按经典碰撞理论，重粒子与电子对心碰撞时，电子将获得最大动能，约为,根据：,对应电子获得最小能量的情况，可以由电子在原子中的结合能来考虑。入射粒子传给电子的能量必须大于其激发能级值，才能使其激发或电离，否则将不起作用。也就是说，电子只能从入射粒子处接受大于其激发能级 的能量。,根据：,对：,按量子理论推导出的公式(非相对论)也可以表示为,只是：,考虑相对论与其他修正因子，可得到重带电粒子电离能量损失率的精确表达式，称为Bethe-Block公式：,其中：,入射粒子电荷数,入射粒子速度,靶物质单位体积的原子数,靶物质原子的原子序数,靶物质平均
10、等效电离电位,m0为电子静止质量,3) Bethe 公式的讨论,(2)、 与带电粒子的电荷z的关系；,(3)、 与带电粒子的速度v的关系：,非相对论情况下，B随v变化缓慢，近似与v无关，则：,(4)、 ，吸收材料密度大，原子序数高的，其阻止本领大。,1)BC段 在粒子能量不太高时， B值改变很小，电离损失率随入射粒子的能量的增加而迅速下降。,2)CD段 B值改变比较显著,能量损失率缓慢上升。,3)AB段 Bethe 公式不满足成立条件。,思考题（电离损失）： 1、相同速度的质子和氘核在同一物质中具有相同的能量损失率。 2、相同速度的粒子和质子在同一物质中的能量损失率相同。 3、相同速度的粒子是
11、质子在同一物质中的能量损失率的4倍。 4、相同速度的质子和氘核具有相同的能量损失率。,作业： 1、带电粒子与物质的作用方式？ 2、p42-2 第一问 3、预习第二节,复习,1、带电粒子与物质相互作用有哪几种作用形式？ 2、能量损失率又叫做（ ）的（ ）。 3、能量损失率主要考虑（ ）和（ ） 损失率。重带电粒子的能量损失率重点考虑（ ）损失率。 4、重带电粒子的能量损失率与重带电粒子的（ ）和（ ）有关，与它的（ ）无关；与物质的（ ）和（ ）有关。,1.2,1.2关键词 能量歧离 重带电粒子射程、单能电子射程和射线射程 射程歧离 辐射能量损失率,4) Bragg曲线与能量歧离,Bragg曲线
12、：带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线。,能量歧离(Energy Straggling)： 单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散。,能量歧离是由能量损失是一个随机过程所决定的。,原来是单能的带电粒子束在不同穿透距离的能量分布,3、重带电粒子在物质中的射程,1) 射程(Range)的定义,带电粒子沿入射方向所行径的最大距离，称为入射粒子在该物质中的射程R。,入射粒子在物质中行径的实际轨迹的长度称作路程(Path)。,路程 射程,重带电粒子的质量大，与物质原子相互作用时，其运动方向几乎不变。因此，重带电粒子的射程与其路程相近。,若已知能量损失率，从原理上可以求出射程：
13、,非相对论情况：,讨论射程,射程往往通过实验测定：,探测器,平均射程,外推射程,重带电粒子的射程实验,当重带电粒子源和荧光屏距离大于某一值时，荧光屏发光很快减弱，则此距离即为重带电粒子在空气中的射程。,射程歧离：,由于带电粒子与物质的相互作用是一个随机过程，因此单能粒子的射程也是有涨落的，称为射程歧离。,对图中曲线进行微分，得到一峰状分布，其宽度常用以度量该粒子在所用吸收体中的射程歧离。,1) 粒子在空气中的射程,为粒子能量，单位为MeV。,公式适用范围：,2) 相同能量的同一种粒子在不同吸收物质中射程之间的关系,A为相应物质的原子量； 为相应物质的密度。,相同能量的同一种粒子在不同吸收物质中
14、射程之间的关系可用一半经验公式描述：,多种元素组成的物质的原子量怎么计算？,定比定律,对由多种元素组成的化合物或混合物，其等效原子量为：,化合物或混合物中，第i种元素的原子百分数。,对空气：,3)已知粒子在空气中的射程，可以求得粒子在其他物质中的射程：,3) 同一吸收物质中不同重带电粒子速度相等时的射程之间的关系。,粒子初速度的单值函数，当两种粒子的速度相等时，不同粒子取相同的数值。,定比定律,入射粒子的属性,4、重带电粒子在薄吸收体中的能量损失,带电粒子在薄吸收体中的能量损失可计算为：,简单测厚仪原理：,讨论,重带电粒子的电离能量损失率 1、电离能量损失率；2、电离能量损失率进入物质后的变化
15、情况；,5、裂变碎片的能量损失,裂变碎片是核裂变所产生的，具有很大质量、很大电荷及相当高能量的重带电粒子。,很大，射程很短,随着它在吸收体内损耗能量而减小。,减小,1.3 快电子与物质的相互作用,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。,Interaction of Fast Electrons,重带电粒子相对速度小；,重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；,重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。,1、快电子的能量损失率,对快电子，必须考虑相对论效应时的电离能量损失和辐射能量损失。,电子电离能量损失率的Bethe公式：,碰撞损失
16、(Collisional losses),医疗诊断设备如CT、CR等使用的x射线,辐射能量损失：,辐射能量损失率：,量子电动力学计算表明，辐射能量损失率服从：,入射粒子的电荷、能量及质量,吸收物质的原子序数和单位体积的原子数,讨论：,(1) ：辐射损失率与带电粒子静止质量m的平方成反比。所以仅对电子才重点考虑。,讨论:1、应当选用什么样的材料屏蔽射线？,2、当要获得强的X射线时，为什么用重材料作靶？,(2) ：辐射损失率与带电粒子的能量E成正比。即辐射损失率随粒子动能的增加而增加。,(3) ：辐射损失率与吸收物质的NZ2成正比。所以当吸收材料原子序数大、密度大时，辐射损失大。,对电子，其辐射能
17、量损失率为：,方程式还可以写为：,解方程式得：,叫辐射长度,电子的两种能量损失率之比：,E的单位为MeV,探测学中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(大Z)的吸收材料中才是重要的。,电子的散射与反散射,电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射光子的过程称为弹性散射。由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。,定义反散射系数：,探测器,一个源在有反散体和无反散体情况下测得的。,反散射的测量装置,反散射的利用与避免,1) 对放射源而言，利用反散射可以提高
18、源的产额。,2) 对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。,给源加一个高Z厚衬底。,使用低Z材料作探测器的入射窗和探测器。,探测器,2、快电子的吸收与射程,电子的运动径迹是曲折的。,电子的射程和路程相差很大。,电子的射程比路程小得多。,1) 单能电子的吸收与粒子吸收的差别,由于单能电子和粒子易受散射，其吸收衰减规律不同于粒子。但均存在最大射程 Rmax。,射程往往通过实验测定：,探测器,单能电子在吸收介质铝中的射程Rm(mg/cm2)与其能量E(MeV)之间的关系：,经验公式：,对射线，当吸收介质的厚度远小于 时，粒子的吸收衰减曲线近似服从指数规律：,为吸收体的吸收系数,t 为吸收体的厚度,
19、m为吸收体的质量吸收系数,tm 为吸收体的质量厚度,射线在铝中的射程：,当 时，,当 时，,铝对射线的质量吸收系数um和射线的最大能量Emax之间有经验公式：,3、正电子的湮没,正电子与物质发生相互作用的能量损失机制和电子相同。,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与介质中的电子发生湮没，放出光子。 或者，它与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。,正电子的特点是：,正电子湮没放出光子的过程称为湮没辐射。,正电子湮没时放出的光子称为湮没光子。,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
20、量。即：,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：,因此，两个湮没光子的能量相同，各等于0.511MeV。,而两个湮没光子的发射方向相反，且发射是各向同性的。,Pair Annihilation,Positron,511 keV,511 keV,E = mc2,Two photons travel in exactly opposite directions,Electron,正电子在材料中发生湮没的概率：,材料中的电子密度，单位1/cm3；,电子的经典半径，,光速,Z,A 为材料的密度、原子序数和原子量。,正电子寿命 =1/P，固体中=10-
21、10s，气体中=10-7s,扩展讨论我院情况,Interaction Characteristics: 主要为电离能量损失 单位路径上有多次作用单位路径上会产生许多离子对和较大的能量转移,每次碰撞损失能量少 运动径迹近似为直线 在所有材料中的射程均很短,Heavy Charged Particle Interactions,Electrons and Positrons Interactions,Interaction Characteristics: 电离能量损失和辐射能量损失 单位路径上较少相互作用单位路径上产生较少的离子对和较小的能量转移,每次碰撞损失能量大 路径不是直线，散射大,复习,
22、1、辐射能量损失率与重带电粒子的（ ）和（ ）和（ ）有关；与物质的（ ）和（ ）有关。 重带电粒子的能量损失率与重带电粒子的（ ）和（ ）有关，与它的（ ）无关；与物质的（ ）和（ ）有关。 3、对放射源而言，利用（ ）可以提高源的产额。 4、能量损失率又叫做（ ）的（ ）。,作业 P42-2第二问，题目改为只求粒子的在铝中射程。 P42-4第二问 P42-5, 1）13.7MeV改为14Mev，2）求入射粒子的能量为多少时它在铝中射程为能量14Mev 粒子在铝中射程的一半？ P42-6 P42-7,1.3,1.3关键词 光电效应 康普顿效应 电子对效应,小结,带电粒子与物质的相互作用, 射
23、线与物质的相互作用,1.3,1.3关键词 光电效应 康普顿效应 电子对效应,探测学中射线含义电磁辐射,特征射线：,湮没辐射：,核能级跃迁,正电子湮没产生,特征X射线：,原子能级跃迁,轫致辐射：,带电粒子速度或运动方向改变产生,特点：,光子是通过次级效应(一种“单次性”的随机事件)与物质的原子或原子核外电子作用，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子；,次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。,射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面这个物理量来表示作用概率的大小。而且，总截面等于各作用截面之和，即：,1、光电效应Photo
24、electric Effect,射线(光子)与物质原子中束缚电子作用，把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子photoelectron)，而光子本身消失的过程，称为光电效应。,光电效应是光子与原子整体相互作用，而不是与自由电子发生相互作用。因此，光电效应主要发生在原子中结合的最紧的 K层电子上。,光电效应发生后，由于原子内层电子出现空位，将发生发出特征X射线或俄歇电子的过程。,光电效应示意图,1) 光电子的能量,由能量守恒：,因此，光电子能量为：,光电效应是光子与原子整体的相互作用，而不是与自由电子的相互作用。否则不能同时满足能量和动量守恒。,2) 光电截面,入射光子与物质原子
25、发生光电效应的截面称之为光电截面。,理论上可给出的光电效应截面公式。,，经典电子散射截面，又称Thomson截面。,Pb的L,K吸收限,光电效应截面小结：,对于选择探测器的材料的提示：,对防护、屏蔽射线的提示：,(1) 与吸收材料Z的关系,光子能量越高，光电效应截面越小。,(2) 与射线能量的关系,采用高原子序数的材料，可提高探测效率。,采用高Z材料可以有效阻挡射线。,3) 光电子的角分布,光电子的角分布代表进入平均角度为 方向的单位立体角内的光电子数的比例。,相对于入射光子方向的角度。,在不同出射方向光电子的产额是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是微分截面。,光电子角分布的特点：,(1)
26、 在 0 和 180 方向没有光电子飞出；,(2) 光电子在哪一角度出现最大概率与入射光子能量有关；当入射光子能量低时，光电子趋于垂直方向发射，当光子能量较高时，光电子趋于向前发射。,不同E时的光电子角分布,不同E时的光电子角分布,2、康普顿效应 Compton Effect,康普顿效应是射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。,康普顿散射可近似为光子与自由电子发生相互作用（弹性碰撞）。康普顿效应主要发生在原子中结合的最松的外层电子上。,1) 反冲电子与散射光子的能
27、量与散射角及入射光子能量之间的关系,光子的能量：,电子的动能：,光子的动量：,电子的动量：,相对论关系：,由能量守恒,由动量守恒,可得到：,散射光子能量：,反冲电子能量：,反冲角：,小结：,(1) 散射角 0 时，,表明：入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。,(2) 散射角 180 时，散射光子能量最小，而反冲电子能量最大。,(3) 散射角 在0180之间连续变化；反冲角 在900相应变化。,2) 康普顿散射截面,入射光子与单个电子发生康普顿效应的截面称之为康普顿散射截面。,近似与光子能量成反比。,近似与入射光子能量无关，为常数。,对整个原子的康普顿散射的总截面,Z 大，康普顿
28、散射截面大；,入射粒子能量大，康普顿散射截面小。,康普顿散射截面与入射光子能量的关系比光电效应要缓和。,电子康普顿散射截面与入射光子能量的关系,立体角1,一个锥面所围成的空间部分称为“立体角”。立体角是以锥的顶点为心，半径为r的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”。 定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作 =ds/r2；,立体角2,假定一个圆锥面它的半顶角为，求该圆锥所包含的立体角的d与d的关系： d=ds/r2 =2sind,其中,康普顿散射的微分截面,表示散射光子落在某方向单位立体角内的概率。,可由KleinNihsina公式
29、给出：,微分截面有时也用 表示,那么， 和 什么关系？,3) 反冲电子的角分布和能量分布,为反冲电子落在方向单位立体角内的概率。,为反冲电子落在方向单位反冲角内的概率。,为反冲电子落在Ee处单位能量间隔的概率。,反冲电子的能量分布，即反冲电子的能谱。,小结：,(1) 任何一种单能射线产生的反冲电子的动能都是连续分布的。且存在最大反冲电子动能。,(2) 在最大反冲电子动能处，反冲电子数目最多，在能量较小处，存在一个坪。,几种入射光子的康普顿反冲电子能谱,3、电子对效应 Pair Production,电子对效应是当入射射线(光子)能量较高(1.022MeV)时，当它从原子核旁经过时，在核库仑场的
30、作用下，入射光子转化为一个正电子和一个电子的过程。,电子对效应除涉及入射光子与电子对以外，必须有第三者原子核的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的能量必须大于1.022MeV。,试证明 光子只有在原子核或电子附近，即存在第三者的情况下才能发生电子对效应。,对 光子能量： 动量,。 由能量守恒，有,所以,由此得到电子对的总动量,可见，,，过剩的动量必须由原子核带走。,1) 正负电子的能量,由能量守恒：,因此，正负电子的总动能为：,总动能是在电子和正电子之间随机分配的，都可以从 取值。,由动量守恒，电子和正电子应沿着入射光子方向的前向角度发射。,2) 正负电子的运动方向,
31、而且，入射光子的能量越高，正负电子的发射方向越是前倾。,3) 电子对效应的截面,当： 时：,电子对效应截面随Z的增加而增加，也随入射粒子的能量的增加而增加。,当： 稍大于 时：,4) 电子对效应的后续过程,正电子的湮没。,0.511MeV 的湮没辐射,正电子湮没,衰变,电子对效应,分析能谱时，若发现：,4、其他作用过程,(1) 相干散射Rayleigh散射，是低能光子与束缚电子间的弹性散射。其机制是电子在电磁辐射的作用下受迫振动变成电偶极子，向外辐射电磁辐射，入射光子频率不变，所以是弹性散射。而康普顿散射是非弹性散射。,(2) 三产生当入射光子能量大于10MeV后，在电子对产生的同时，核外还会
32、发射一个电子，即产生“一电子对”加“一反冲电子”。,5、物质对射线的吸收,(1) 窄束射线强度的衰减规律,为光子与吸收物质作用的截面；,N为吸收物质单位体积的原子数；,I0为射线入射强度；,D为吸收物质厚度。,对上面的方程积分：,在tt+dt层内单位时间光子数的变化为：,等于在该层物质内单位时间发生的作用数。,光子束通过物质时的强度为：,其中：,线性吸收系数,又称为宏观截面,质量吸收系数：,质量厚度：,质量吸收系数与物质状态无关。,与带电粒子不同， 射线没有射程的概念。窄束 射线强度衰减服从指数衰减规律，只有吸收系数及相应的半吸收厚度的概念。,(2) 非窄束射线强度的衰减规律,积累因子,作业,
33、1、p42-8 1.25Mev改为1.5Mev 2、p42-9 3、p42-10 4、p42-11,关键词,核反冲法 核反应法 核裂变法 活化法,1、中子的性质,质量：mn1.008665u939.565300MeV/c2,自旋：sn1/2, 费米子,电荷：0，中性粒子,磁矩：n1.913042N,中子寿命：发生衰变的半衰期T1/2=10.60min,1.5 中子的分类与性质,1) 慢中子：01KeV。包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。,热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为0.0253eV，中子速度2.2103m/s.,2) 中能中子：1KeV0.5MeV。,3) 快中子：0.5
34、MeV10MeV。,4) 特快中子：10MeV。,2、中子的分类,1.6 中子源,1) 241Am-Be中子源。,属于(,n)型中子源。由241Am放射源放出的粒子，打在Be上发生反应，产生中子。,性能：中子产额2.2106/s.Ci,T1/2433年；,1、同位素中子源,中子能量为0.111.2MeV，平均5MeV；,n/比(中子强度比)为10:1；,2) (,n)型中子源。,利用(,n)反应获得中子。,优点：中子能量单一； 缺点：中子产额低，装置体积大。,3) 自发裂变中子源,自发裂变中子源为超铀元素。以252Cf (锎)最常用。1克252Cf 发射中子率为2.311013个中子。半衰期：
35、T1/2(自发裂变)85.5a，T1/2(衰变)2.64a。中子平均能量为2.2MeV。,2、加速器中子源,可以在相当宽的能区内获得单能中子源。,主要反应：,对放能反应，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，当入射氘核能量不高时( Td 200KeV )，反应就可以有效进行，当90时，就可得到能量分别为2.5MeV和14MeV的单能中子。,3、反应堆中子源,宽中子能量：0.001eV十几MeV,高中子通量：,1.7 中子与物质的相互作用,1. 中子的散射,1) 弹性散射 (n,n),中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。,出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。,出射中子的
36、动能：,反冲核的动能：,当反冲核为质子(氢核)时，Mm，上式变为：,当 = 0 时，反冲质子能量最大，Tp = Tn,2) 非弹性散射 (n,n),入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲，且使靶核处于激发态。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个特征光子，在核分析技术中有重要的应用。,氢的中子散射截面,2. 中子的俘获,1) 中子的辐射俘获 (n,),中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复合核通过发射一个或几个特征光子跃迁到基态。这些特征 光子不同于 (n,n) 的特征 光子。由于这些 光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发射线”，同样在核分析技术中有重要的应用。,复合核
37、的形成。,当发生(n,)反应后，新形成的核素是放射性的，就是常说的“活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的注量率。,2) 发射带电粒子的中子核反应,如(n,)，(n,p)等，这些反应在中子探测中应用很多，成为探测中子的主要手段。,如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高，在810MeV以上，只有特快中子才能发生。,3) 裂变反应 (n,f),4) 多粒子发射,1.8 中子探测的基本方法,中子探测的特点：,1) 中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的电离、激发。,2) 在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射体)，中子在辐射体上发生核
38、反应、核反冲、核裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如，p，f 等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。,3) 中子与辐射体有较大的作用截面，以获得较大的中子探测效率。,1. 核反应法,主要的核反应有：,反应截面与中子能量的关系：,1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减小，因此核反应法适用于慢中子的测量，尤其是热中子的测量。,反应均为放热反应，反应能Q在生成核与出射粒子之间分配。由于反应能Q比较大，又主要用于慢中子探测，即：,故出射粒子能量难以反映慢中子的能量，因此，核反应法常用于中子注量率的测量。这时，Q大易于甄别去除本底信号。,探测介质中含有上述核素的气体探测器、闪烁探测器，或上述材料作为
39、外辐射体的半导体探测器均可用核反应法进行中子探测。,2. 核反冲法,中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。,主要发生在氢核上，常用含氢物质作为辐射体。反冲质子使探测介质电离、激发而产生输出信号。,反冲质子能量：,反冲质子数：,反冲质子的能谱为矩形分布。此法主要用于快中子的探测，尤其是快中子能量的测量。因此，探测介质中富含含氢物质的探测器，如含氢正比管、有机闪烁体等适用于核反冲法测量快中子能谱。,3. 核裂变法,中子与重核发生核裂变产生裂变碎片，裂变碎片是巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。通过测量碎片数，可求得中子注量率。,裂变碎片的总动能为150170MeV，形成的脉冲幅度比 本底脉冲幅度大得多，可用于强辐射场内中子的测量。,热中子可引起的核裂变核：233U，235U，239Pu。如235U的热中子截面为580b。对慢中子满足1/v 规律，仅适用于热中子的注量率测量。,一些重核只有当中子能量大于某一阈能才能发生核裂变，可用此判断中子的能量。,4. 活化法,选用一些核素具有较高的活化截面，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。,如：,测量粒子的发射率可确定中子的注量率。一般，热中子的活化截面较高，此法适用于热中子的注量率的测量。,作业 1、中子的探测方法有哪些？ 2、试计算0、45和90方向出射的在氢核上反冲的质子能量与入射中子能量的关系。,
