核辐射物理与探测学复习资料

核辐射物理与探测学复习

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）；