射线与物质的相互作用

6
三．带电粒子在物质中的慢化
(2) 辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。
入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射韧致辐射。
辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。
(3) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞
入射粒子不辐射光子，不激发原子核，方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，靶核得到反冲。
叫做核碰撞损失，核阻止； 主要对低能重离子入射。
4
二．弹性碰撞和非弹性碰撞 带电粒子通过库仑力与物质发生相互作用。 相互作用过程中，满足能量守恒：
1 2 1 1 '2 1 2 mv MV mv MV '2 E 2 2 2 2
当E = 0时，弹性碰撞； 当E 0时，非弹性碰撞； E > 0时，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； E < 0时，为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与 处于激发态的核碰撞。
入射电子能量高，辐射损失起主要作用； 入射电子能量低，电离损失起主要作用。
( dE dx) rad ZE ( dE dx)ion 700
例如：靶物质Pb， Z=82，当Ee~9MeV， 两者相当。
22
二、吸收与射程
快速电子在物质中有散射现象。 大于90的散射叫做反散射。 特点： 电子的路程远大于射程； 电子的射程有较大歧离。 吸收： 电子束通过一定厚度的物质时，强度减弱的现象。
h1 h 2 2m0c
2
h 1 h 2 c c
h1 h 2 m0c2 511 keV
29
30
第四节
射线与物质的相互作用
射线是能量很高的电磁波，具有波粒二象性。
光子不带电；
光子与电子或原子核存在电磁相互作用， 在一次作用中损失全部能量或大部分能量。 一．光电效应 二．康普顿散射 三．电子对效应 四． 射线的吸收
式中：z 为入射带电粒子电荷数； Z 为靶物质原子的原子序数； N 为靶物质单位体积中的原子数； v 为入射带电粒子速度； I 为靶物质平均等效电离电位； m0 为电子静止质量； β=v/c 为重粒子速度与真空中光速之比。
13
一、电离损失率
Bathe公式的几点讨论： 1、S与入射粒子质量无关，只与电荷z及速度v有关。
14
一、电离损失率
3、S与靶物质的电子密度NZ成正比， S NZ Z
吸收材料原子序数高、材料密度大的材料其 阻止本领大。 4、S与v2的关系
v2较小，S 1/v2 ； v2较大，相对论效应，对数项增大，S上升 ； v2很小，电荷交换效应，俘获； v2极小，核阻止作用。
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一、电离损失率
概述
二．弹性碰撞和非弹性碰撞
三．带电粒子在物质中的慢化
3
一、致电离辐射的种类
带电粒子辐射 非带电粒子辐射
快电子：e ， ；
重带电粒子－ , P, d , T
电磁辐射：γ、Χ射线；
中子 n；
致电离辐射：能量大于~10eV量级的射线。
我们以后提到的“辐射”或“射线”，均指“致电离辐射 ”。
2
K ph
2
称为Thomson截面。
2 m c 1 5 4 5 0 1.5 Z th Z h h
K ph Z5
34
K ph (h )7 2 (h )1
一、光电效应
总光电截面ph ：
K L M ph ph ph ph
有：电离损失率，辐射损失率。 对于重带电粒子，
dE S Sion dx ion
11
一、电离损失率
假设：
（1）物质原子的电子可以看成是自由的(入射 粒子的动能大于大于电子的结合能)。
（2）物质原子的电子可看成是“静止”的。
（3）由于碰撞中入射粒子传给电子的能量比 自身能量小得多，可认为在碰撞后入射带电粒 子仍按原方向运动。
31
一、光电效应
光子与一个原子作用，把能量全部交给原子，使 一个束缚电子从原子中发射出来，光子消失。
光电效应特征：
1、光电子动能等于光子能量与结合能之差：
Ee h Bi
通常，
所以，
Bi h Ee h
入射光子与内层电子发生光电效应的几率较大。
32
一、光电效应
2、光电效应伴随有特征x射线和Auger电子。 从内壳层打出电子，原子处 于激发态。 原子退激过程： 发出特征x射线， 发出Auger电子。 3、光电截面ph的主要特征 光子与物质原子发生相互作用时发生光电效应 的概率用“光电效应截面”来表示，简称“光电截 面”。
3、射线在铝中的射程 当 0.15MeV<Eβmax<0.8MeV 时，
R 0.407E
1.38 max
(g/cm2 , MeV) (g/cm2 , MeV)
当0.8MeV<Eβmax<3MeV 时，
R 0.542E max 0.133
典型物质中射线的射程： Ge ：R~Emax ， (mm, MeV) Al ：R~2Emax ， (mm, MeV) Air ：R~400Emax ，(cm, MeV)
二．重带电粒子的射程
特点：重带电粒子均为带正电荷离子；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；其运动径迹近似为直线。
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一、电离损失率
能量损失率： 入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。 也叫线性阻止本领。 dE dE dE S Sion Srad dx dx ion dx rad
对比：4MeV 在空气中的射程约为2.5cm。
27
二、吸收与射程
4、反散射
入射电子在物质中发生大角度偏转，又从入射表 面发射出来。 定义： 反散射系数，
I I0
E小，大； Z大，大。
28
三、正电子与物质的相互作用
正电子在物质中也会发生电离损失、辐射损失。 对电子与物质相互作用的全部规律都适用于正电子与物 质相互作用过程。 正电子在吸收体中的径迹类似于负电子的，其能量损失 率及射程也与初始能量相同的负电子相同。 处于热能的正电子会与吸收物质中的电子发生正电子湮 没。
7
三．带电粒子在物质中的慢化
(4) 带电粒子与靶原子中核外电子弹性碰撞 与电子的库仑作用，使入射粒子方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，但能量转移很小，电 子能量状态不发生改变。 100eV以下的粒子才需考虑。
8
9
第二节 重带电粒子与物质中的相互作用 与核外电子的非弹性碰撞； 与原子核的非弹性碰撞。 一．电离损失率




2
快速电子在物质中穿透本领比重带电粒子大得多。
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一、快电子的能量损失率
快速电子损失能量的方式：电离损失，辐射损失。 辐射损失的方式是发出韧致辐射。 带电粒子穿过物质时受到物质原子核的库仑作用，速度大 小和运动方向都发生变化，这时伴随发射电磁波。称之为轫 致辐射。
在单位路程上通过辐射损失的能量叫做辐射损失率：
根据量子理论，并考虑了相对论修正。推 导出来的重带电粒子电离能量损失率的精确表 达式称为Bathe-Block公式：
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一、电离损失率
Bathe-Block公式：
4z 2e 4 dE NB 2 m0v dx ion
2m0v 2 C 2 2 B Z ln ln(1 ) I Z
33
一、光电效应
当hv<<m0c2，即非相对论情况
m0 c 32 h
4 2

K ph

7 2
1 Z th h
5
7 2
Z5
e 其中， =1/137, th m c2 0 当hv>>m0c2，即相对论情况 8 3
5
三．带电粒子在物质中的慢化
载能带电粒子在靶物质中的慢化过程，可以分为四种 过程，其中前两个过程是主要的： (1)电离损失－带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性 碰撞过程。
入射带电粒子与核外电子的库仑作用，使电子获得能 量引起：
电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为 正离子，主要发生在最外层电子。δ 电子。 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。 电离损失是带电粒子在物质中损失动能的主要方式。
E1 E2 Sm1 Sm1 (v0 ) Sm2 (v0 ) m Sm2 m 1 2 例如，1MeV的p与2MeV的d，z相同，v相同；S相同。
2、S与入射粒子的电荷平方z2成正比， z 12 Sm1 (v0 ) 2 Sm2 (v0 ) z2 例如，相同速度的p与，S=4Sp 。
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一、快电子的能量损失率
对于快速电子，考虑相对论效应时的电离损失率：
2e 4 NZ dE B 2 m0v dx ion
m0v 2 E 2 2 B ln 2 ln 2 2 1 1 2 2 I (1 ) 1 2 1 1 1 2 8
入射能量增加，最大截面向小角度方向移动。
在 =0和 =180方向上没有观察到光电子。
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二、康普顿散射
光子的一部分能量交给电子，使电子从原子中发射出来， 光子的能量和方向发生改变。 散射光子，散射角 ； 反冲电子，反冲角 。 散射光子还可继续发生 Compton散射和光电效应。 与原子外层电子的散射， “自由电子”； 轨道电子速度远小于光速， “静止电子”。
4 dE 4 NZ ( Z 1 ) e 2 E 1 ln E 2 4 m c2 3 137m0 c dx rad 0
20
一、快电子的能量损失率
结论：
1、辐射损失率与入射粒子质量m的平方成反比。 所以，重带电粒子的辐射损失可以忽略不计；仅对电子才 重点考虑。
38
二、康普顿散射
1、能量与角度关系 根据能量守恒：
h m0 c 2 h '
根据动量守恒：
m0 c 2 1 2
m0 c h ' sin sin c 1 2 m0 c h h ' cos cos 2 c c 1
图中，b部分代表非相对论状况，c部分代表相对论状况 。a部分是入射粒子能量很低时的情况。
16
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第三节 快电子与物质的相互作用
快速电子：e ， 。
特点： 1、运动速度大； 2、电离损失，辐射损失； 3、碰撞中能量转移大，方向改变大(散射严重)。 一．能量损失率 二．吸收与射程 三．正电子与物质的相互作用
2、辐射损失率与靶物质NZ2成正比。当电子能量高以及吸收 材料原子序数大时，辐射损失更显著。为吸收、屏蔽射线时 不宜选用重材料。但为获得强的射线，则用重材料如钨作为 靶材料。
3、辐射损失率与入射粒子能量E成正比。
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一、快电子的能量损失率
快速电子总的能量损失：
dE dE dE dx dx ion dx rad
23
二、吸收wenku.baidu.com射程
1、单能电子束的吸收
最大吸收厚度R0
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二、吸收与射程
2、 射线的吸收
I I 0e t E max R
由于放射性同位素源发射的粒子的能量是从零 到最大能量连续分布的。其吸收衰减曲线恰好具有近 似指数的形式，在半对数坐标中近似为直线。
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二、吸收与射程
26
二、吸收与射程
射线与物质的相互作用
堪培拉北京代表处
1
射线与物质的相互作用
具有一定动能的射线会与物质发生相互作用，叫做致电
离辐射。
第一节 第二节
概述 重带电粒子与物质的相互作用
第三节
第四节 第五节
快电子与物质的相互作用
射线与物质的相互作用
中子与物质的相互作用
2
第一节
一．致电离辐射的种类
光电效应主要发生在K壳层上：

K ph
4 ph 5
吸收边(限)
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一、光电效应
结论： （1）σph∝Z5。对于选择探测器的探测介质时采用高原 子序数材料，一提高探测效率。对防护、屏蔽γ 射线时 同样采用高Z材料。 （2）光电效应截面随入射光子能量增加而减小。
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一、光电效应
4、光电子的角分布