康普顿背散射检测炸药
我的实验报告之康普顿散射
实验名称：康普顿散射一、实验目的1. 掌握康普顿散射的物理模型；2. 通过实验验证散射光子数与散射角之间的关系；3. 验证康普顿散射的丫光子及反冲电子的能量与散射角的关系；4. 学会康普顿散射效应的测量技术。
二、实验设备1. FJ375Nal(TI) 丫探头一个；2. NIM插件箱供电装置；3. FH〜1034A高压，FH1001A线性放大器各一台；4. 多道分析器一台；5. 包含137Cs源、台面主架、导轨、铅屏蔽块及散射用铝棒的康普顿散射平台一个;5. 标准源一套。
实验装置示意图如下所示：W-------- 微机多道1图1康普顿散射实验装置示意图三、实验原理康普顿(A. H. Compton )的X射线散射实验(康普顿散射)从实验上证实了光子是具有能量E - •和动量p = k的粒子，在研究核辐射粒子与物质的相互作用时发挥了重要的作用，在高能物理方面它至今仍是研究基本粒子结构及其相互作用的一个强有力的工具，并且为独立测定普朗克常数提供了一种方法。
1927年康普顿因发现X射线被带电粒子散射而被授予诺贝尔物理学奖。
1. 基本定义康普顿效应是入射丫光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞过程。
这一作用过程中，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，而散射光子的能方向发生变化，如图2所示。
hv 和hv '为入射和散射光子的能量；B 为散射光子 与入射光子方向间的夹角，称散射角；©为反冲电子的反冲角。
2散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系hv '，动量为hv '/c ;反冲电子的动能为E e ，总能量为E ,动量为P 。
它们之间有 F 列关系式：2l l222^m °C2E e = E - m )c = mc - m 0C = = 一2 一 m °c 屮-B 2量和运动方向发图2康普顿效应示意图 入射光子能量为E = hv ，动量为hv/c碰撞后，散射光子的能量为(1) P=mv=(2)相对论能量和动量关系为:E=.. m ：c 4 -…P 2c 2(3)式中B =v/c ，v 为反冲电子速度，m b 是电子静止质量，m 是电子以速度v 运 动时具有的能量。
康普顿背散射检测理论方法概述
康普顿背散射检测理论方法概述作者：颜静儒郭凤美王强郑玉来来源：《商情》2019年第50期【摘要】康普顿背散射检测是通过探测康普顿效应的背向散射信息判断被照射物体内部结构的方法。
该方法对原子序数较轻物质的检测尤其有效。
本文阐述了康普顿背散射检测应用的基础理论，为其更好的应用提供了方法依据。
【关键词】康普顿背散射X射线成像系统作为一种主要安检技术手段可以实现在人员密集场所对行包等物品的不开包快速检查。
X射线成像技术已由传统的单能透射发展为双能透射，CT成像，X射线背散射法。
其中，X射线康普顿背散射（CBS）技术可以有效提供表层较低原子序数而密度较高的被檢物的几何形状和空间分布特征。
康普顿背散射检测主要是依据γ或X射线与物质相互作用的康普顿效应，在被检测物体同侧测量不同位置的康普顿散射光子数，从而得到被测物体内部结构，其主要特点有：辐射源与探测器位于被测物体的同侧，可以检测大型物体（图1）;对低原子序数的物质很灵敏，适宜对海洛因、炸药等物品的检测。
但康普顿散射信号较弱，需要合理设计和优化探测装置，提高探测效率。
l 康普顿散射成像原理光子与物质的相互作用主要包括光电效应、康普顿散射效应和电子对效应，三种效应的优势范围见图2所示。
三种效应随吸收体物质以及光子能量而不同。
在光子能量较低时（小于0.511MeV），光子与物质的相互作用主要表现为光电效应、康普顿效应。
从式（1）、（2）可看出，康普顿效应反应截面是物质原子序数Z的一次方，随原子序数变化较小;而光电效应截面随原子序数增大而急速上升。
根据这一特点，可通过探测康普顿散射光子以突显较低原子序数的物质（爆炸物、毒品等）。
参考文献：[1]Singh S， Singh M. Explosives detection systems （EDS） for aviation security[J]. Signal Processing， 2003， 83（1）： 31-55.[2]刘舒，金华.X射线安全检查技术[J].中国人民公安大学学报（自然科学版）， 2008（04）：78-80.[3]王琪，陈志强，邬小平.X射线安全检查技术综述[J].CT理论与应用研究，2004（01）：32-37.[4]赵崑，李荐民.一种基于双能X射线与前向散射的爆炸物检测方法[J].核技术，2004，27（20）：783-786.[5]吴治华.原子核物理实验方法.北京：原子能出版社，1997.60.。
康普顿背散射检测的蒙特卡罗模拟
康普顿背散射检测的蒙特卡罗模拟作者：郭凤美颜静儒王强郑玉来来源：《商情》2019年第50期【摘要】利用蒙特卡羅程序Geant4模拟康普顿背散射包裹检测，计算了X射线入射不同材料的康普顿背散射和透射情况，给出了背散射光子的空间分布以及不同塑料闪烁体厚度对探测效率的影响，为康普顿背散射探测装置的优化设计提供了理论依据。
【关键词】康普顿背散射蒙特卡罗X射线康普顿背散射（CBS）技术可以有效提供表层较低原子序数而密度较高的被检物的几何形状和空间分布特征。
康普顿背散射检测技术的主要特点是对低原子序数的物质很灵敏，适宜对海洛因、炸药等物品的检测。
但康普顿散射信号较弱，需要合理设计和优化探测装置，提高探测效率。
为优化设计探测装置，基于Geant4开展了模拟计算。
1 Geant4软件简介Geant4是由欧洲核子中心主导开发的一套用于Monte Carlo模拟的开发程序包。
并且，来自于美国，俄罗斯，日本，加拿大等国家的10多个实验室的100多名科学家都参与了Geant4程序的研制工作。
它包括了实验装置构造、粒子在材料和磁场中的输运以及粒子与物质相互作用的物理过程模型等一整套工具包。
由于它的粒子种类多，物理模型全，能量范围大的特点，使得它的应用领域越来越广泛，包括高能物理，核试验，加速器，医学，生物科学，辐射防护等多个领域。
并且，它是一个免费的软件包，可以免费下载得到Geant4程序包的源代码和技术文档。
2 蒙特卡罗模拟2.1 不同材料（塑料和铁）和不同尺寸的被检测物体的透射和背散射模拟设定入射X射线的能量为140keV点源，垂直入射边长为2、5、10和20cm的正方体样品（塑料和铁）。
测量它们的X射线背散射和透射情况。
模拟装置如图1所示。
在模拟过程中，在被检测物体两侧，采用两个探测平面接收康普顿背散射光子和透射光子。
模拟光子数为10万。
表1列出了不同尺寸被照射物质（边长为2、5、10和20cm）背散射光子数和透射光子数。
康普顿背散射原理
康普顿背散射原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊康普顿背散射原理。
这玩意儿啊，就像是一场奇妙的物理舞会！你看啊，光就像一个活泼的小精灵，在物质的舞台上跳跃。
当它撞上那些原子、分子这些“小舞者”的时候，就会发生一些神奇的事情。
康普顿背散射原理说的就是光和物质相互作用的这么一个过程。
咱可以把光想象成一个调皮的小孩子，一路奔跑着。
而那些原子啊分子啊，就是一个个小堡垒。
光这个小孩子撞到小堡垒上，不仅自己的方向会改变，还会把一部分能量传递给小堡垒呢！这就像是小孩子在玩耍时撞到了墙上，自己弹开了，还让墙也晃动了一下。
这可太有意思啦！在我们的生活中，康普顿背散射原理其实也有着不少应用呢。
比如说，在医学上，医生们可以利用它来检测我们身体里的情况。
这就好像是有一双神奇的眼睛，能透过我们的身体看到里面的秘密。
再想想，如果没有这个原理，我们对世界的认识岂不是少了很多精彩？那可不行啊！康普顿背散射原理就像是一把打开未知世界大门的钥匙，让我们能看到更多奇妙的景象。
它是不是很神奇呢？就像一个隐藏在物理世界里的宝藏，等待着我们去发掘。
我们的科学家们一直在努力探索，利用这个原理来创造更多的价值。
它也让我想到，生活中很多看似普通的事情，背后其实都有着深刻的道理和规律。
就像康普顿背散射原理一样，一开始可能觉得很复杂，但只要我们用心去理解，就能发现其中的美妙之处。
所以啊，朋友们，不要小瞧任何一个小小的现象，说不定它背后就隐藏着一个能改变世界的大秘密呢！康普顿背散射原理不就是这样一个例子吗？它虽然是物理学中的一个概念，但却有着无比重要的意义和价值。
让我们一起继续探索这个神奇的物理世界吧，说不定下一个伟大的发现就在等着你我呢！。
康普顿散射实验报告
康普顿散射【实验目的】1、通过实验来验证康普顿散射的γ光子能量及微分散射截面与散射角的关系。
2、学会康普顿散射效应的测量技术,学习测量微分散射截面的实验技术。
【实验原理】1．康普顿散射康普顿效应是射线与物质相互作用的三种效应之一.康普顿效应是入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的现象。
碰撞时,入射光子把部分能量转移给电子,使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。
当入射光子与电子发生康普顿效应时，如图3.9—1所示,其中hν是入射γ光子的能量，hν′是散射γ光子的能量，θ是散射角，e 是反冲电子,Φ是反冲角。
由于发生康普顿散射的γ光子的能量比电子的束缚能要大得多，所以入射的γ光子与原子中的电子作用时，可以把电子的束缚能忽略，看成是自由电子，并视散射发生以前电子是静止的，动能为0,只有静止能量m 0c 2。
散射后,电子获得速度v ，此时电子的能量2220/1E mc m c β==-，动量为20/1mv m v β=-，其中/v c β=，c 为光速。
用相对论的能量和动量守恒定律就可以得到22200/1m c h m c h νβν'+=-+ 20/cos /1cos /h c m v h c νβνθ'=Φ-+式中，hν／c 是入射γ光子的动量，hν′/c 是散射γ光子的动量。
20sin /sin /1h c m v νθβ'=Φ-由式(3.9－1）、（3.9－2）、（3。
9－3)可得出散射γ光子的能量201(1cos )h h h m c νννθ'=+-此式就表示散射γ光子能量与入射γ光子能量、散射角的关系。
2．康普顿散射的微分截面康普顿散射的微分截面的意义是:一个能量为hv 的入射γ光子与原子中的一个核外电子作用后被散射到θ方向单位立体角里的几率(记作()d d σθΩ，单位:cm 2／单位立体角）为220()()(sin )2r d h h h d h h h σθνννθννν''=+-'Ω 式中r 0=2.818×10—13cm,是电子的经典半径,式(3。
康普顿背散射安检技术简介
参 考 文 章
Ｘ
［］ 伍 玉 萍 ， 普 顿 散 射 成 像 技 术 研 究 ， １ 康 硕 士 学位 论 文 ， 南 大 学 电路 与 系 统 ， 东
２ ７ ００ ２ ３ －
图１ 背 散 射 探 测 装 置
５ ０ 可 卡 因模 拟 物 ０ｇ
［】 陈 亮 ， 学亮 ， 立 瑞 ， 于 ｘ射 线 背 散 ２ 陈 杨 基 射和 透 射 信 息 融合 的 被 检 物 密 度 探 测 研 究 ， 察技 术 ，０ ０ １ ４ － ５ 警 ２ １ ， ：４ ４ ．
学 术研 究
康 普 顿 背天 明
上海 ２０３ ） ０ ０ １ （ 海公安部 第三研 究所 上 摘 要 ： 瞢 顿 背 散 射 成 像 技 术 以 其 对 低 原 子 序 数 物 质 灵 敏 的 特 点 ， 为 安 检 领 域 检 测 毒 品和 ｊ 物 等 违 荣 品 的新 型 的 康 成 Ｉ炸 有 效 的查 缉 方 式 ． 外 。 于 单 次检 测剂 量 小 。 技 术 也 开 始 进 入人 体 安检 的领 域 。 另 由 谈 关 键 词 ： 瞢 顿 背 散 射 安 检 康
７Ｏ ５ ｇ可 卡 因
９ ｍｍ 手枪
模 拟 物
塑 料 于 柄
表 带
硬币
锋 ３
９ ｍ手 枪 ａ ｒ
蜩 料 刀
图３ 美￣Ａ ＆公司ｓ ａｃｅｋ ＳＥ ｍ ｒ ｈｃ人体背散射 图 ｔ 像
图２ 背 散 射 结 合 透 视 成 像 行 李 安 检 商 品与 质 量 ２１ ０ １ 月刊 ０年 ２ １１ ７
源 和被 照物 体之 间 。 射 线 扫 描 采 用 飞点 装 Ｘ ３ 与 透 射 图象 （ 右 图 ） 同 ， 散 图 、 图２ 不 背 前 言 Ｘ 形 康 普 顿 背 散 射 成 像 技 术 的 独 特 优 势在 置 ， 射 线 源 经 过 静 止 准 直 缝 ， 成 扇 形 束 ， 象 （ 左 图 ） 图２ 的背 景 呈 现 灰 色 。 象 在 明 亮 就 形 对 的 白光 中 照 相 一 样 ， 射 图像 可 以进 行 快 散 辐 射 成 像 领 域 逐 渐 得 到 关 注 。 先 ， 射 源 再 经 过 旋 转 的 圆 盘 ， 成 Ｘ射 线 笔 形 束 ， 首 辐 轴上 进 行 扫 描 ， 合 速 的 图像 分 析 ， 提 高吞 吐量 ， 减 少工 作 人 结 与探 测 器 可 置 于 被 测 物 体 的 同 侧 ， 且 可 物 体 在 扇 形 束 方 向 即 Ｚ 并 以 自由 选 择 测量 中几 何 条 件 ， 够 用 于 检 Ｙ 向 的物 体 移 动 ， 能 方 可得 到物 体二 维 （ — ） 员 的 疲 劳 ， 高 工 作 效率 。 ｙ ｚ 提 测大 型 或 几 何 形 状 复 杂 的 物 体 。 次 ， 射 扫 描 图 象 。 其 散 成 像 对 低 原 子 序 数 的物 质 很 灵 敏 ， 宜 对 适 四 ， 主 要应 用 毒 品 、 药 等 物 品 的 检 测 ， 以 在 打 击 走 炸 可 三 、 成 像 特 点 １行 李 安 检 、 ｌ 康 普 顿 散 射 结 合 飞 点 技 术 使 得 散 射 、 透 射成像 对金 属等 高密度 物质 敏感 ， 私 、 恐 和 安 检 等 领 域 发 挥 重 要 作 用 ［】顿 反 １。 而 背 散 对 低 原 子 序 数 敏 感 ， 者 相 结 合 是 两 散 射 是 由材 料 决 定 的 ， 原 子 序 数 材 料 的 可 以提 供 清 晰度 可 比 照 片 的 图像 ， 以达 到 低 快 这 ３ 】 散 射 比 高 原 子 序 数 材 料 的 散 射 更 强 ， 康 准 确 、 速 的 图象 分 析 检查 ， 也是 传统 透 当 前 安 检 设 备 设 计 趋 势［。 故 普 顿 散 射 成 像 是 最 有 效 的探 测 低 原 子 序 数 射 Ｘ 图 像 不 可 比拟 的 。 光 ２ 人 体 藏 毒 和 人 体 携毒 、 与 Ｘ射 线 透视 技 术相 比 ， 散 射 成 像 技 背 材 料 的Ｘ射 线 探 测 技 术 。 ２ 散 射 可 清 楚 鉴 别 有 机 物 和 低 ｚ 也 即 、 （ 甚 低 原 子 序 数 ） 料 ， 炸 药 、 品 、 烟 和 术 的 单 次 检 测 剂 量 要 小 很 多 ， 至 小 于 背 材 如 毒 香 人 ， 其 当这 些 东 西 隐 藏 在 一 个 复 杂 的 环 景 辐 射 ， 尤 因此 适 合 于 人 体 安 检 。 ＝ 、 背 教 射 装 置 背 散 探 测 装 置 如 图 ｌ 探 测 器 放 在 Ｘ光 境 里 面 的 时 候 。 ， 应用于检测人体 ， 所用 的Ｘ射 线 源 强 度 减 小 。 射 图象 可 以 清 晰 呈 现 人 体 表 面 的 散 携 带 物 ， ３ 示 的 美 国 ＡＳ＆Ｅ公 司 图 显 Ｓ ｒＣ ｅｋ 体 安 检 仪 所 测 得 的 背 散 图 ｍａｔ ｈ ｃ 人 像 ， 中 金属 武 器 暗 ， 品 炸 药 等 低 原 子序 图 毒 数 物 品与 人 体 的 散 射 图象 亮度 相 近 。 ３ 车 辆 和 集 装 箱 检 查 、 车 辆 和 集 装 箱 安 检 一 般 采 用 高 能 量 的 Ｘ射 线 ， 由于 散 射 探 测 器 和 Ｘ射 线 源 安 装在 被 检 物 体 的 同一 侧 ， 得 隐 蔽 检 查 成 为 可 使 能。
1.7 康普顿散射的实验规律
光子质量：
m
E c2
h
c2
光子动量大小：
h h
p mc
c
一. 康普顿散射实验装置
1922-23年 康普顿研究了X射线在石墨上的散射
X射线管
晶体
光阑
散射波长
0
探
测
器
石墨体 (散射物质)
X 射线谱仪
X射线通过散射物质时向各个方向散射，散射的X射线中， 除了波长与原射线相同的成分外，还有波长较大的成分，这 种现象称为康普顿散射效应。
大学物理——量子物理
康普顿散射实验规律
普朗克的能量子假说
物体发射或吸收电磁辐射时交换能量的最小单位是“能量子”
E n n 1, 2, ... 普朗克常数：
h － 能量子
h 6.62607551034J s
爱因斯坦的光量子假说
光辐射是真空中以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光子。
光子能量： E h
1.除原波长0外出现了移向长波
不 同
方面的新的散射波长.= 0
下
相 对
2.波长的改变量随散射角的增大
散 射
而增大.
强 度 随
=
0
2c
sin2
2
散
射 波
c = 0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）
长 变
称为电子的Compton波长.
化
（ 石
3.当散射角增大时,原波长的谱线相
墨 ）
对强度降低,而新波长的谱线强度升高.
吴有训对研究康普顿效应的贡献
1923年参加了发现康普顿效应的研究工作
1925—1926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm) 为入射线
我的实验报告之康普顿散射
实验名称：康普顿散射一、实验目的1.掌握康普顿散射的物理模型；2.通过实验验证散射光子数与散射角之间的关系；3.验证康普顿散射的γ光子及反冲电子的能量与散射角的关系；4.学会康普顿散射效应的测量技术。
二、实验设备1. FJ375NaI(Tl)γ探头一个；2. NIM插件箱供电装置；3. FH～1034A高压，FH1001A线性放大器各一台；4. 多道分析器一台；5. 包含137Cs源、台面主架、导轨、铅屏蔽块及散射用铝棒的康普顿散射平台一个；5. 标准源一套。
实验装置示意图如下所示:图1 康普顿散射实验装置示意图三、实验原理康普顿（A. H. Compton）的X 射线散射实验（康普顿散射）从实验上证实了光子是具有能量Eω= 的粒子，在研究核辐射粒子与物质的相= 和动量p k互作用时发挥了重要的作用，在高能物理方面它至今仍是研究基本粒子结构及其相互作用的一个强有力的工具，并且为独立测定普朗克常数提供了一种方法。
1927 年康普顿因发现X射线被带电粒子散射而被授予诺贝尔物理学奖。
1.基本定义康普顿效应是入射γ光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞过程。
这一作用过程中，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，而散射光子的能量和运动方向发 图2康普顿效应示意图方向发生变化，如图2所示。
hv 和hv '为入射和散射光子的能量；θ为散射光子与入射光子方向间的夹角，称散射角；φ为反冲电子的反冲角。
2散射光子和反冲电子的能量与散射角的关系入射光子能量为E γ＝hv ，动量为hv/c 。
碰撞后，散射光子的能量为E 'γ＝hv '，动量为hv '/c ；反冲电子的动能为E e ，总能量为E ，动量为P 。
它们之间有下列关系式：E e ＝E －m 0c 2＝mc 2－m 0c 2＝202201c m c m --β （1）P=mv ＝201β-v m （2）相对论能量和动量关系为：E=22420c P c m ++ （3）式中β=v/c ，v 为反冲电子速度，m 0是电子静止质量，m 是电子以速度v 运动时具有的能量。
康普顿散射教学
拓展学科视野
引导学生了解康普顿散射在多个 学科领域的应用，拓展学生的学 科视野，激发跨学科研究的兴趣
。
THANKS
谢谢您的观看
随着科学技术的不断发展，康普顿散射将在 更多领域得到应用，如能源、环保等。同时 ，康普顿散射也有望为解决一些前沿科学问 题提供新的思路和方法。
对学生的启发和引导
启发创新思维
通过学习康普顿散射现象和理论 ，引导学生认识到科学探索的无 限可能性和创新思维的重要性。
培养实验技能
鼓励学生积极参与康普顿散射实 验，提高实验技能，培养严谨的
数据处理误差
由于数据处理方法不当引起的误差 ，可以通过优化数据处理方法、提
高数据处理精度等方法来减小。
康普顿散射的进一步研究和展望
康普顿散射研究的现状和挑战
研究现状
目前，康普顿散射已在多个领域得到广 泛应用，如医学、材料科学等。同时， 研究者们也在不断深入探索康普顿散射 的机理和特性。
VS
面临的挑战
普顿散射的特征。
结果解释
结合康普顿散射理论， 对实验结果进行解释和
讨论。
实验误差的来源和减小方法
仪器误差
由于仪器精度和稳定性引起的 误差，可以通过校准仪器、提
高仪器精度等方法来减小。
操作误差
由于实验操作不规范或人为因素引 起的误差，可以通过加强实验培训 、规范实验操作等方法来减小。
环境误差
由于实验环境变化引起的误差 ，可以通过控制实验环境、保 持环境稳定等方法来减小。
经典电磁理论无法解释康普顿散 射中波长变化的现象，因为按照 经典理论，电磁波在散射过程中 应该保持频率和波长不变。
02
经典电磁理论也无法解释康普顿 散射中散射光强度的角分布，因 为按照经典理论，散射光应该均 匀分布在各个方向上。
康普顿散射
康普顿散射实验报告一. 实验目得1、学会康普顿散射效应得测董技术；2、验证康普顿散射得丫光子能量及微分截面与散射角得关系。
二. 实验原理1 •康普顿散射康普顿效应就是射线与物质相互作用得三种效应之一。
康普顿效应就是入射光子与物质原子中得核外电子产生非弹性碰撞而被散射得现象。
碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子得能量与运动方向发生变化。
当入射光子与电子发生康普顿效应时，如图1所示，其中〃y就是入射丫光子得能量9hv f就是散射y光子得能量，&就是散射角就是反冲电子，0就是反冲角。
由于发生康普顿散射得/光子得能量比电子得束缚能要大得多，所以入射得y光子与原子中得电子作用时，可以把电子得束缚能忽略，瞧成就是自由电子，并视散射发生以前电子就是静止得，动能为0,只有静止能量nhc2o散射后，电子获得速度匕此时电子得能量E = nic1 = n\}c2 / J1-0’,动量为〃沖=n\}v! J1_0，，其中J3 = v/c, c 为光速。
用相对论得能量与动董守恒定律就可以得到n\}c2 + hv = / Jl-0，+ hv f(1)hv/c = 7??0vcos ① / Jl-0，+ hv' cos 6/c(2) 式中"y /c就是入射Y光子得动量,hv f /c就是散射Y光子得动董。
hv9 sin0/c = w o vsin ① / Jl-0‘(3) 由式(1)、(2)、(3)可得出散射y光子得能量心 _______ ⑷1 +丄Z(l —COS&)叫L此式就表示散射/光子能量与入射y光子能量、散射角得关系。
2 •康普顿散射得微分截面康普顿散射得微分裁面得意狡就是：一个能量为力1/得入射y光子与原子中得一个核外电子作用后被散射到0方向单位立体角里得几率(记作也色，单位:cm2/单位立体角)为da（O）/• Itv'yJiv ltv f・ o 心----- =丄（——）'（―-+ ——一siir 0）----- （5） dO 2 hv Itv9 hv 式中门二2、818X10 13cm,就是电子得经典半径，式（5）通常称为“克来茵一仁科”公式，此式所描述得就就是微分截面与入射y光子能量及散射角得关系。
康普顿散射 实验报告
康普顿散射【实验目的】1、通过实验来验证康普顿散射的γ光子能量及微分散射截面与散射角的关系。
2、学会康普顿散射效应的测量技术，学习测量微分散射截面的实验技术。
【实验原理】1．康普顿散射康普顿效应是射线与物质相互作用的三种效应之一。
康普顿效应是入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的现象。
碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化。
当入射光子与电子发生康普顿效应时，如图3.9-1所示，其中hν是入射γ光子的能量，hν′是散射γ光子的能量，θ是散射角，e 是反冲电子，Φ是反冲角。
由于发生康普顿散射的γ光子的能量比电子的束缚能要大得多，所以入射的γ光子与原子中的电子作用时，可以把电子的束缚能忽略，看成是自由电子，并视散射发生以前电子是静止的，动能为0，只有静止能量m 0c 2。
散射后，电子获得速度v ，此时电子的能量2220/1E mc m c β==-，动量为20/1mv m v β=-，其中/v c β=，c 为光速。
用相对论的能量和动量守恒定律就可以得到22200/1m c h m c h νβν'+=-+ 20/cos /1cos /h c m v h c νβνθ'=Φ-+式中，hν／c 是入射γ光子的动量，hν′/c 是散射γ光子的动量。
20sin /sin /1h c m v νθβ'=Φ-由式（3.9－1）、（3.9－2）、（3.9－3）可得出散射γ光子的能量201(1cos )h h h m c νννθ'=+-此式就表示散射γ光子能量与入射γ光子能量、散射角的关系。
2．康普顿散射的微分截面康普顿散射的微分截面的意义是：一个能量为hv 的入射γ光子与原子中的一个核外电子作用后被散射到θ方向单位立体角里的几率（记作()d d σθΩ，单位：cm 2／单位立体角）为 220()()(sin )2r d h h h d h h h σθνννθννν''=+-'Ω式中r 0=2.818×10-13cm ，是电子的经典半径，式(3.9－5)通 常称为“克来茵一仁科”公式，此式所描述的就是微分截面与入射γ光子能量及散射角的关系。
一种基于双能X射线与前向散射的爆炸物检测方法
Fig.5 Distribution diaives on the mass density-Zeff plane
另外，从图 5 中还可以看出，如果单从检查爆 炸物这方面出发，能够保证低误报率的系统所需的
786
核技术
第 27 卷
检测精度并不要求很高，只要所得物质密度的误差 在 0.1 g/cm3 左右，所得有效原子序数的误差在 0.1 左右，就完全可以满足低误报率要求。
实验中采用的是最高能量为 160 keV 的 X 射线 源，虽然与数据实验时假设的能量范围不同，但实 验结果令人满意，这说明即使 X 射线能量较低，前 向散射的 X 射线强度仍然可以表征物质密度，无疑 这将扩大 X 射线前向散射方法的使用范围。 1.2.4 结论 数据实验、理论推导以及实际实验的结 果说明，X 射线的前向散射强度可以表征被检测物 质的密度信息。
2 双能 X 射线＋前向散射
针对双能 X 射线法的特点，作者提出了一个新 方案，即在探测双能量 X 射线透射强度的同时，探 测 X 射线的前向散射强度，从而获得被检测物体的 材料密度信息。结合物体的有效原子序数和密度， 就可以比较准确地判断物体中是否包含爆炸物了。
图 5 是多种物质在其密度和有效原子序数平面 上的分布图。从图 5 中可以看出，爆炸物质基本落 在一个可以分辨的窗口内，这就是作者提出双能 X 射线＋前向散射方法的依据。
图 2 中的 HMX 和 RDX 是两种常见的炸药，它 们的密度分别是 1.91 g/cm3 和 1.86 g/cm3，而其他三 种是非爆炸物，铁、镁和水，它们的密度分别是 7.86 g/cm3、1.6 g/cm3、1.0 g/cm3。铁和水的密度与其他 三种差别很大，而 HMX、RDX 和镁的密度比较相 近，这些在 X 射线的计数上体现得都很清楚。从图 2 中可以看出，在散射角较小（10°到 20°左右） 的时候，X 射线的计数与物质的密度之间是具有明 显的单调关系的。在实际检测中，铁、水和镁将分 别因其密度及有效原子序数 Zeff 不符合条件而被排 除，剩下的就是两种爆炸物。
康普顿效应测量被散射光子能量随散射角的变化
康普顿效应：测量被散射光子能量随散射角的变化实验目的：1. 记录被散体散射的不同散射角下的X 射线能谱2. 测定被散射光子能量随散射角的变化3. 比较实验测量值和从能量和动量守恒关系中得出的计算值实验原理：当X 射线经过物质时，部分会被散射。
按照经典物理的观念，在散射过程中，辐射光子频率不会改变。
然而，1923年，美国物理学家A. H. Compton 发现一些X 射线的频率减小了。
为了解释这个现象，需要根据量子物理的观念来处理整个散射过程，同时X 射线将被视为实体粒子。
此外，考虑到X 射线能量范围对应的是外层原子电子壳层，可以近似认为散射电子可自由移动。
散射时，光子频率为ν1，能量E 1=h ν1，与静止的质量为m 0的自由电子相撞，光子以θ角度被散射出去，电子以速度v 沿与入射光子ϕ角的方向出射，如图1所示。
在这碰撞过程中，两经典粒子间被视为弹性碰撞，借此来推导能量和动量信息。
图1 康普顿散射示意图因为光子没有静止质量，根据相对论，能量守恒公式为：22102h m c h νν⋅+⋅=⋅+(1)其中c 为真空中光速，动量分量守恒使得：12cos cos h h v c cννθϕ⋅⋅=⋅+⋅且20sin sin h v cνθϕ⋅=⋅+⋅ (2)从公式(1)和(2)中可推出散射辐射光子能量：121201(1cos )E E E m c θ=+⋅−⋅ (3)在本实验中，我们将用有机玻璃散体重复康普顿的研究，用X 射线能量探测器来记录该图谱，并将结果与公式(3)比较。
实验仪器及实验平台搭建：（注意：以下操作均戴手套进行！！！）1）实验仪器：X 光机（带Mo 阳极X 光管和测角仪）、X 射线能量探测器、康普顿效应附件、CASSY 传感器、多道分析仪、CASSY 实验软件、BNC 电缆（1m ）及PC 机 2）实验平台的搭建：图2给出了实验平台搭建示意图图2 测量初始(上图)和被散射后(下图)X 射线光子束能量与散射角关系的实验平台示意图。
康普顿散射实验(pdf文档)1
体上的散射到立体角 Ω 的 γ 光子数。我们测量的是散射 γ 光子能谱的光电峰计数 N p (θ)，
假定晶体的光电峰本征效率为 εf(θ)，则有：
N p (θ ) = N(θ )ε f (θ )
（7 ）
表 1 距点源 30cm，Φ40x40mmNaI 对点源总探测效率与能量关系
E(MeV)
0.1 0.15 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0
4) 根 据 式 计 算
dσ c (θ )/ dΩ dσ c (θ0 )/ dΩ
（ 已 知 ： h ν =662KeV,m0c2=511KeV,r0=2.818 ×
10-13cm,θ=20°，R、η
的值在附录中给出），并做
dσ c (θ )/ dΩ dσ c (θ0 )/ dΩ
－θ
曲线。
5)拟制实验报告表。 2、实验准备 1)仪器各部件连接好，预热 30 分钟。 2)调整仪器，使其处于较佳的工作状态。 3)双击桌面上的 UMS 图标，进入测量程序的显示状态。 3、能量刻度校正 1)移动探头，使 θ＝0°；取下散射样品，将放射源打开至标记位置。 2)按 F1 键进入待采状态，按 F10 键程序弹出‘输入停止时间’窗口，输入测量所需的 时间(单位默认为秒，应≥300s)后按回车键回到待采状态，再按 F1 键即进入采集状态，即正 在测量：测量完毕后，程序弹出‘时间己到’窗口，此时按 ESC 键同到待采状态．再按 ESC 键回到显示状态，按 F3 键平滑曲线，记录光电峰峰位。
dσ c dΩ
=
1 2
rc2
⎜⎛ ⎝
hν ′ hν
⎟⎞ 2 ⎠
⎜⎛ ⎝
hν hν ′
+
hν ′ hν
人体扫描安检
人体扫描安检作者：暂无来源：《检察风云》 2012年第23期文／阿碧我们在机场需要先通过安检才能登机，此时总是有位安检人员手持一个长柄状的探测棒，贴着我们的身体上下左右扫描一遍。
许多人并不适应这样的贴身安检，甚至有人感觉自己的身体受到了侵犯。
对航空公司来说，这样的安检也并不完全可靠。
2009年，有恐怖分子把炸药藏在裤衩内躲过了安检，差一点酿成了空难惨祸。
为了让乘客更容易接受身体安检，各国机场开始采用人体扫描仪，可以在不接触身体的情况下对乘客进行全身扫描，乘客能够更容易接受这种非接触式的扫描方式。
更重要的是，这种扫描方式不留扫描死角，确保人体任何部位都能被扫描到，把危险品藏在裤衩里躲过安检的方式酏行不通了。
●1人体扫描仪随着国家安全与反恐形势的恶化，对人员的安检日益成为安检工作的薄弱环节。
长期以来广泛使用的金属安检门根本无法应对爆炸物、非金属刀具、液体危险品等各类非金属危险品和武器的威胁，使得一段时期以来人员安检方面安全漏洞严重，迫使西方民航机场这个对安检要求很高的场所采取强制进行人工搜身检查。
这样不仅严重侵犯了人们的隐私，有辱人格，而且也降低了安检速度，并且由于难以可靠检查隐私部位；从而依然存有安全漏洞。
2009年底发生的美国民航未遂炸机事件中，恐怖分子正是企图利用藏在裤衩里的爆炸物制造炸机恐怖袭击，所幸由于恐怖分子制造爆炸装置时的技术失误导致炸弹未能正常引爆。
为应对越来越严峻的恐怖袭击威胁，西方国家从此加速推广已经在机场试用多年的人体成像安检设备，其中以人体扫描仪为主。
这类扫描仪可以探测到人们随身携带的除纺织品之外的所有物品，探测速度很决且不留死角，比传统的贴身搜检更加有效。
目前，比较成熟的人体扫描技术主要有两种，一种是背散射扫描，一种是毫米波扫描。
还有—种太赫兹扫描技术在研发和测试中，性能还不太稳定。
背散射扫描背散射扫描是一种×射线扫描技术，它能够透过被遮挡的物体来发现隐藏的物品，例如透过人体的衣服产生高分辨率的人体图像。
康普顿散射原理
限制闪光照相密度反演精度提高 的主要因素
• • • 光子散射对接收图像信号的影响 光源的实际能谱分布 图像接收系统的响应曲线（即光
学图像密度和照射量的转换曲线）
研究背景
在高能闪光照相中，X射线源由加速器所产生的强流脉冲电子束轰击 高原子序数靶的轫致辐射提供
神龙二号加速器 • 三脉冲 • 18 ~ 20 MeV • ~ 2 kA
• • 康普顿电子动能： T ( )m0c2 康普顿电子最大动能： 2 Tmax h , =0 1 2
选择确定的角度(如0度)，反冲电子能量与入射光子能量有确定的对应关系
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反冲电子
背散射的原理
电子
背散射X射线
荧光X射线
透射X射线 入射X射线 前散射X射线 热能
t
背散射的原理
康普顿背散射的优点
背散射X射线 • 背散射技术克服了在叠放物体的复杂背 荧光X射线 景中传统X光透射成像技术辨别能力低 的缺点。 透射X射线 • 对有效原子序数低，高密度的物质灵敏 入射X射线 度高，检测准确率高。 前散射X射线 • 辐射剂量小，对人体伤害小。 热能 • 操作简便，识图方便
反应截面 (b) 反应截面 (b)
水胶炸药 水胶炸药，Z=8.2 塑性炸药 塑性炸药,Z=7.4 RDX RDX,Z=7.4 TNT TNT,Z=7.1 PETN PETN,Z=7.4
2.1 12 1.9 1 1.8 1.7 0.5 1.6 0.6 11
水胶炸药，Z=8.2 塑性炸药,Z=7.4 RDX,Z=7.4 TNT,Z=7.1 PETN,Z=7.4 花,Z=7.0 衣服,Z=22 杂志,Z=7.4 电子产品,Z=35
…………
9 11 恐怖袭击 2001年9月11日上午 3201人死亡 6291人受伤
洛克比空难 1988年12月21日 270人罹难
7/7 伦敦爆炸案 2005年7月7日 52人死亡 伤者逾百
Bishopsgate bombing 1993年4月24日 1人死亡 44人受伤
为了保证旅客安全的到达目的地，市民在 人口密集的公共场所的安全，交通、城市管理部 Oklahoma City bombing 莫斯科地铁爆炸事件 孟买火车连环爆炸案 1995年4月 19日 2010年3月29日 2006年7月11日 门应该尽最大可能排除危险因素。 在众多恐怖袭击后，各国政府提高了对公共 168人死亡 40人死亡 190人死亡 680 多人受伤 过百人受伤 714人受伤 场所的安全的重视，并且加大安检力度。对高性 能，低危害的安检设备，系统的需求在不断扩大。
电子
t
理论分析结果
微分散射截面：
微分散射截面：
2.5
微分截面 (10-2b)
2.0
1.5
1.0
0.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
散射角度 (度)
康普顿散射的反应截面：
康普顿散射截面和入射射线能量的关系
2.5 10 2.4 2 2.3 1.5 2.2
12•29俄罗斯伏尔加格勒火车站爆炸事件 2013年12月29日
18人死亡 50多人受伤
…………
爆炸物特征
形状
• 只能做辅助检查手段 • 炸药的形状不定
• 炸药的一种属性 • 视图化后图像模糊 • 最精确的判据 • 检测较困难
密度
组成元素
常见炸药及物品的元素组成
物质 H 水胶 炸药 塑性 炸药 RDX TNT PETN 花 衣服 杂志 电子 产品 1.2 1.5 1.8 1.7 1.8 0.25 1.0 0.8 0.2 8.2 7.4 7.3 7.1 7.4 7.0 22 7.4 35 9 28 29 2 28 6 47 51 34 C 12 16 14 33 17 44 29 26 26 元素比例 N 31 20 29 14 14 0 5 0 2 O 44 36 29 29 41 49 16 23 3 其他 4 0 0 0 0 0 3 0 35 打印机炸弹 2010 洛克比空难 1988 孟买爆炸案 1993 恐怖事件
Oklahoma City bombing 1995年4月19日
莫斯科地铁爆炸事件 2010年3月29日
孟买火车连环爆炸案 2006年7月11日
168人死亡 680 多人受伤
40人死亡 过百人受伤
190人死亡 714人受伤
12•29俄罗斯伏尔加格勒火车站爆炸事件 2013年12月29日
18人死亡 50多人受伤
康普顿背散射检测 炸药
孔维一 2010302033
意义
9 11 恐怖袭击 2001年9月11日上午 3201人死亡 6291人受伤
洛克比空难 1988年12月21日 270人罹难
7/7 伦敦爆炸案 2005年7月7日 52人死亡 伤者逾百
Bishopsgate bombing 1993年4月24日 1人死亡 44人受伤
康普顿背散射的安检结果
下一步要做的事情
利用康普顿背散射的技术特点开发符合实际需 要的安检机器人，移动安检车辆等。保护安检 人员及人民群众的安全。
thanks
End
1
入射射线能量 (MeV)
结果
• 康普顿效应散射射线的波长改变量不受入射射线的波长的影 响，散射的角度是其重要的影响因素，具体的说就是角度越 大，波长越长。 • 不同物质与放射线发生康普顿背散射的截面不同，同一种物 质和不同能量的放射线发生康普顿背散射的截面不同。 • 主要由于相干散射引起前散射不能表示物质的电子密度，又 前散射的信号比较微弱数据的噪音太大不易分析，而背散射 没有以上缺点，故选择背散射作为探测手段。 • 康普顿背散射安检机利用分布在放射源同侧的探测器接受被 检物的康普顿背散射信号的强弱，构建具有一定对比度的图 像，炸药这种低等效原子序数的物质有着比金属等高等效原 子序数更高的康普顿散射强度，在通过康普顿背散射安检机 时，背散射图像上会用高亮标出。
可行的理论
X光衰减
I I+dI
dx
d
现在使用X光安检机器存在的缺点： • 误查率普遍大于30% • 对炸药的敏感性较低 • 安检员需要进行超过100小时的专业培 训才能上岗。 • 行李包的里的物品繁杂，不易检测。 • X光透射只能成2D图像则所成像相互重 叠，辨识难度大。 • 成像的角度不一，增加辨识难度。
背散射可以 克服这些缺点。
对有效原子序数 低，高密度的物质 灵敏度高，检测准 确率高。 背散射技术克服了 在叠放物体的复杂 背景中传统X光透 射成像技术辨别能 力低的缺点。 辐射剂量小，对人 体伤害小。
康普顿背散 射有利于检 测炸药
康普顿背散射原理
康普顿散射的原理
X射线或伽马射线的光子跟物质相互 作用，因失去能量而导致波长变长的 现象。
入射射线能量 (MeV) 入射射线能量 (MeV) (MeV) 入射射线能量
0.7
0.8
0.9
1
在某单一能量上的康普顿散射截面
10
反应截面 (b)
1
水胶炸药，Z=8.2 塑性炸药,Z=7.4 RDX,Z=7.4 TNT,Z=7.1 PETN,Z=7.4 花,Z=7.0 衣服,Z=22 杂志,Z=7.4 电子产品,Z=35