原子核物理ppt
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带 β射线：原子核发出的高速电子 电 粒 质子 子
α粒子
5
带电粒子与物质相互作用的主要过程
电离和激发
主 要 过 程
韧致辐射
6
1. 电离、激发和碰撞阻止本领
库仑相互作用
带电粒子
轨道电子
电离
激发
7
2、特征X射线的产生原理
特征X线的产生过程
高速电子进入靶物质后，其动能被靶
原子内壳层电子获得，一部分用来脱
• 来源： • 同位素 • 反应堆 • 加速器
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。
2.2. 中子的散射 1) 弹性散射 (n,n) 出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。 能量不高时，与轻核作用，原子核反冲 角度不同，传能不同 与氢对碰 100% 与石墨 28.4% 与重核 2%
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。
碰撞阻止本领
线碰撞阻止本领Scol
(
dE dl
)c（ol linear
collision
stopping
power）： 带电粒子在介质中每单位路径长度上
电离损失的平均能量。
质量碰撞阻止本领
32
相互作用系数
一、质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数 （一）、X、γ射线与物质的相互作用的主要过程和 其他过程
（二)质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系 数
33
• 光子与物质相互作用产生的次级粒子，光 电子，康普顿散射电子，正负电子对，俄 歇电子，淹没光子，核特征X射线，与物质 发生各种相互作用，直到能量全部耗尽为 止。
EZ 800
• （二）非带电粒子与物质的相互作用
1.X、γ射线与物质的相互作用 2.中子与物质的相互作用
与带电粒子完全不同，不能完全被吸收，增加物质的厚度，只能减 弱其强度。
X、γ射线与物质的相互作用
1.X、γ射线与物质的相互作用的主要过程和 其他过程
1.1 光电效应
光电子动能：
Ee＝h－Bi （ i＝K，L，M…）
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
dE / dxrad dE / dx ion
质能转移系数 tr /： 穿行过单位质量厚度，射线把 能量转移给电子的份额
38
3. 质能吸收系数 en /
X、γ射线与物质的相互作用
光子转移给带电粒子的能量有一部分会由于韧致 辐射损失掉。
质能吸收系数 en /：
式中：g－次级电子由于韧致辐射而损失的能量的份额
39
2.中子与物质的相互作用 2.1、中子的分类
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
射程：带电粒子在某种物质中，沿着入射方向从进入到最后被物质吸收所经过的最 大直线距离。
一、核衰变类型
核内中子，质子数失衡，核转变同时放出射线
1. 衰变
X A
Z
Y A4 Z 2
24He
Q
R 226
88 a
3 2 1
重核，原子序数大于82
R 222
86 n
2. 衰变与电子俘获
(1). - 衰变
01n11p10e00 v Q
(2). + 衰变
1 1
1) 慢中子：0～1KeV。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~2.2×103m/s.
2) 中能中子：1KeV～0.5MeV。
3) 快中子：0.5MeV～10MeV。
4) 特快中子：>10MeV。
• 不带电，质量接近质子，自由中子不稳定， 12min，无法储存
• 间接电离（次级）：电离产生的某些电子， 具有足够的能量，进一步引起物质电离， 总电离的60%-80%
电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程 入射带电粒子与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。
➢截面与Z2成正比，并随能量增大而急剧减小；
➢低能时不可忽略，小角度散射。
35
X、γ射线与物质的相互作用
质量衰减系数、质能转移系数 及质能吸收系数
1. 质量衰减系数 /
线衰减系数 ： 光子在物质中穿行单位距离时，平均发生总 的相互作用的几率。
单位：m-1 式中： －线衰减系数，m-1； －光电线衰减系数；
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。 有域能
2.3 中子的俘获
复合核的形成。
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
➢光电效应的几率与原子序数 Z4成正比； ➢光电效应的几率与光子能量h3成反比； ➢低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势； ➢光电效应主要发生在K层及L层电子。
29
1.2、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。
z, v, 带电粒子电荷数，速度
相对速度 v / c
Z介质的原子序数，N单位体积内的原子数目（1cm3）
I介质原子的平均电离电位
（
13
（1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比；
•
库仑作用力
（2）电离损失与重带电粒子的能量(速度)成反比；
•
作用时间
（3）电离损失与物质的原子密度成正比；
•
作用概率
2.韧致辐射和辐射阻止本领
高速电子进入到原子核附近的强电场区域 （路程伴随库仑力的变化过程），电子的速度 大小和方向必然变化，部分或全部动能以电磁 波的形式向外辐射能量，即损失的能量直接转 化成X线。由于电子与靶原子核的相对位置是 任意的，电子进入靶的初动能经过多少次碰撞 辐射而完全丧失也不确定，故辐射出的X线波 长连续分布。 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。
(4 ln
2E mc2
4) 3
1. 入射粒子质量的平方成反比 2. 与介质原子序数的平方成正比 3. 与入射带电粒子能量成正比,入射带电粒子
能量较低时，碰撞为主，高时辐射为主。
当要吸收、屏蔽β射线时，不宜选用重材料。 当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。
3.总质量阻止本领
S 1 dE
dl
3. γ 辐射，同质异能跃迁
伴随性：子核处于激发能级
内转换：有 时不发射光子，把多 余的能交给核外电子，电子脱离 束缚而发射
Am Z
X
A Z
X
hv
二、射线与物质的相互作用 • 本质：能的转移与吸收 • 带电粒子 • 非带电粒子
带电粒子与物质的相互作用
（一）带电粒子的种类和物理性质
带电粒子种类： 电子：核外电子
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。
反冲电子 Ee
反冲角
入射光子 hv
散射角
散射光子 hv
1.3、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 库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电子和 一个电子的过程。
离原子核束缚作功（逸出功）；另一
部分变成逸出后电子的动能。
High speed electron Exciting inter electron
当电子逸出后，原子 内壳层就出现了空位， 外壳层电子将向内壳
层填充，辐射的电磁
nuclear
波（ X线）由两能级
差确定
k LM
E2- E1= hf21
• 直接电离（初级）：入射粒子与物质直接 作用产生电离
特征X射线
25
X、γ射线与物质的相互作用
俄歇电子
26
光电效应Photoelectric 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。
e－总康普顿线衰减系数； coh －相干散射线衰减系数； －电子对线衰减系数；
质量衰减系数 /：
36
/
1
dl
dN N
不带电粒子在物质中穿过质量厚度的物 质层后，因相互作用使不带电粒子减少 的份额。
2. 质能转移系数 tr /
X、γ射线与物质的相互作用
线能量转移系数tr： 穿行单位距离，光子转移为带电 粒子的动能占总能量的份额。
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。
能量可以转化成物质，高Z物质易发生
X、γ射线与物质的相互作用
低能光子，原子序数高的物质
中能光子，原子序数低的物质
高能光子，原子序数高的物质
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。
• 只有光子能量大于壳层电子的结合能时， 才能发生光电效应，当光子能量较低，而 作用物质的原子序数较大时，光电效应的 概率很大。
X、γ射线与物质的相互作用
原子的光电效应截面： （每个原子）
单位：cm2
式中：K－常数 Z－物质的原子序数
X、γ射线与物质的相互作用
X、γ射线与物质的相互作用的其他过程
1. 相干散射 光子作为电磁波具有波粒二象性；
干涉现象的条件：相干光源
劳厄（Laue）发现X射线的相干散射现象， 在0.0005~0.2MeV，相干散射主要是瑞利散射。
瑞利散射（Rayleigh），与束缚得很牢固的电子的弹性散射，束 缚电子吸收光子跃迁，随后又发出一个能量相同的散射光子。
（1）E<10MeV，主要是电离损失和辐射损失：
S
1
(
dE dl
)col
1
(
dE dl
)rad
（2）重带电粒子，辐射损失可以忽略
20
（3）电子的电离损失与辐射损失比例
式中：Z－物质原子序数； E－电子能量
E=10MeV, Z=82铅，近乎相等
21
Heavy Charged Particle Interactions
1 dE
dl
c ol
(mass collision
stopping power)： 线碰撞阻止本领除以密
度，消除密度的影响。
12
dE ( dl )col
4e4 z2 NZ
m02 v 2
[ln
2m0 v 2
I (1 2 )
2]
(贝特)
m0 , e电子静止质量，电荷
p01n
10e
00v
Q
(3). 电子俘获 (E.c)
1 1
p
10e01n
00v
Q
A Z
X
10eZ
A1Y
00v
Q
原子核从核外获得，K俘获
A Z
X
Z A1Y
0
0
v
Q
A Z
X
Z A1Y
00v
Q
E.c
k 40
19
+
-
A 40
18 r
C 40
20 a
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。
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 中子流的注量率区分中子的能量范围。
15
辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程
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。
尤其对β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。
17
• 线辐射阻止本领
Srad
( dE dl
) rad
Srad
ห้องสมุดไป่ตู้
(
dE dl
)rad
NEZ (Z 1)e4 137m2c4
α粒子
5
带电粒子与物质相互作用的主要过程
电离和激发
主 要 过 程
韧致辐射
6
1. 电离、激发和碰撞阻止本领
库仑相互作用
带电粒子
轨道电子
电离
激发
7
2、特征X射线的产生原理
特征X线的产生过程
高速电子进入靶物质后，其动能被靶
原子内壳层电子获得，一部分用来脱
• 来源： • 同位素 • 反应堆 • 加速器
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。
2.2. 中子的散射 1) 弹性散射 (n,n) 出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。 能量不高时，与轻核作用，原子核反冲 角度不同，传能不同 与氢对碰 100% 与石墨 28.4% 与重核 2%
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。
碰撞阻止本领
线碰撞阻止本领Scol
(
dE dl
)c（ol linear
collision
stopping
power）： 带电粒子在介质中每单位路径长度上
电离损失的平均能量。
质量碰撞阻止本领
32
相互作用系数
一、质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系数 （一）、X、γ射线与物质的相互作用的主要过程和 其他过程
（二)质量衰减系数、质能转移系数及质能吸收系 数
33
• 光子与物质相互作用产生的次级粒子，光 电子，康普顿散射电子，正负电子对，俄 歇电子，淹没光子，核特征X射线，与物质 发生各种相互作用，直到能量全部耗尽为 止。
EZ 800
• （二）非带电粒子与物质的相互作用
1.X、γ射线与物质的相互作用 2.中子与物质的相互作用
与带电粒子完全不同，不能完全被吸收，增加物质的厚度，只能减 弱其强度。
X、γ射线与物质的相互作用
1.X、γ射线与物质的相互作用的主要过程和 其他过程
1.1 光电效应
光电子动能：
Ee＝h－Bi （ i＝K，L，M…）
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
dE / dxrad dE / dx ion
质能转移系数 tr /： 穿行过单位质量厚度，射线把 能量转移给电子的份额
38
3. 质能吸收系数 en /
X、γ射线与物质的相互作用
光子转移给带电粒子的能量有一部分会由于韧致 辐射损失掉。
质能吸收系数 en /：
式中：g－次级电子由于韧致辐射而损失的能量的份额
39
2.中子与物质的相互作用 2.1、中子的分类
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
射程：带电粒子在某种物质中，沿着入射方向从进入到最后被物质吸收所经过的最 大直线距离。
一、核衰变类型
核内中子，质子数失衡，核转变同时放出射线
1. 衰变
X A
Z
Y A4 Z 2
24He
Q
R 226
88 a
3 2 1
重核，原子序数大于82
R 222
86 n
2. 衰变与电子俘获
(1). - 衰变
01n11p10e00 v Q
(2). + 衰变
1 1
1) 慢中子：0～1KeV。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~2.2×103m/s.
2) 中能中子：1KeV～0.5MeV。
3) 快中子：0.5MeV～10MeV。
4) 特快中子：>10MeV。
• 不带电，质量接近质子，自由中子不稳定， 12min，无法储存
• 间接电离（次级）：电离产生的某些电子， 具有足够的能量，进一步引起物质电离， 总电离的60%-80%
电离损失——与核外电子的非弹性碰撞过程 入射带电粒子与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。
➢截面与Z2成正比，并随能量增大而急剧减小；
➢低能时不可忽略，小角度散射。
35
X、γ射线与物质的相互作用
质量衰减系数、质能转移系数 及质能吸收系数
1. 质量衰减系数 /
线衰减系数 ： 光子在物质中穿行单位距离时，平均发生总 的相互作用的几率。
单位：m-1 式中： －线衰减系数，m-1； －光电线衰减系数；
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。 有域能
2.3 中子的俘获
复合核的形成。
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
➢光电效应的几率与原子序数 Z4成正比； ➢光电效应的几率与光子能量h3成反比； ➢低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势； ➢光电效应主要发生在K层及L层电子。
29
1.2、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。
z, v, 带电粒子电荷数，速度
相对速度 v / c
Z介质的原子序数，N单位体积内的原子数目（1cm3）
I介质原子的平均电离电位
（
13
（1）电离损失与重带电粒子的电荷z2成正比；
•
库仑作用力
（2）电离损失与重带电粒子的能量(速度)成反比；
•
作用时间
（3）电离损失与物质的原子密度成正比；
•
作用概率
2.韧致辐射和辐射阻止本领
高速电子进入到原子核附近的强电场区域 （路程伴随库仑力的变化过程），电子的速度 大小和方向必然变化，部分或全部动能以电磁 波的形式向外辐射能量，即损失的能量直接转 化成X线。由于电子与靶原子核的相对位置是 任意的，电子进入靶的初动能经过多少次碰撞 辐射而完全丧失也不确定，故辐射出的X线波 长连续分布。 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。
(4 ln
2E mc2
4) 3
1. 入射粒子质量的平方成反比 2. 与介质原子序数的平方成正比 3. 与入射带电粒子能量成正比,入射带电粒子
能量较低时，碰撞为主，高时辐射为主。
当要吸收、屏蔽β射线时，不宜选用重材料。 当要获得强的X射线时，则应选用重材料作靶。
3.总质量阻止本领
S 1 dE
dl
3. γ 辐射，同质异能跃迁
伴随性：子核处于激发能级
内转换：有 时不发射光子，把多 余的能交给核外电子，电子脱离 束缚而发射
Am Z
X
A Z
X
hv
二、射线与物质的相互作用 • 本质：能的转移与吸收 • 带电粒子 • 非带电粒子
带电粒子与物质的相互作用
（一）带电粒子的种类和物理性质
带电粒子种类： 电子：核外电子
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。
反冲电子 Ee
反冲角
入射光子 hv
散射角
散射光子 hv
1.3、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 库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电子和 一个电子的过程。
离原子核束缚作功（逸出功）；另一
部分变成逸出后电子的动能。
High speed electron Exciting inter electron
当电子逸出后，原子 内壳层就出现了空位， 外壳层电子将向内壳
层填充，辐射的电磁
nuclear
波（ X线）由两能级
差确定
k LM
E2- E1= hf21
• 直接电离（初级）：入射粒子与物质直接 作用产生电离
特征X射线
25
X、γ射线与物质的相互作用
俄歇电子
26
光电效应Photoelectric 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。
e－总康普顿线衰减系数； coh －相干散射线衰减系数； －电子对线衰减系数；
质量衰减系数 /：
36
/
1
dl
dN N
不带电粒子在物质中穿过质量厚度的物 质层后，因相互作用使不带电粒子减少 的份额。
2. 质能转移系数 tr /
X、γ射线与物质的相互作用
线能量转移系数tr： 穿行单位距离，光子转移为带电 粒子的动能占总能量的份额。
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。
能量可以转化成物质，高Z物质易发生
X、γ射线与物质的相互作用
低能光子，原子序数高的物质
中能光子，原子序数低的物质
高能光子，原子序数高的物质
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。
• 只有光子能量大于壳层电子的结合能时， 才能发生光电效应，当光子能量较低，而 作用物质的原子序数较大时，光电效应的 概率很大。
X、γ射线与物质的相互作用
原子的光电效应截面： （每个原子）
单位：cm2
式中：K－常数 Z－物质的原子序数
X、γ射线与物质的相互作用
X、γ射线与物质的相互作用的其他过程
1. 相干散射 光子作为电磁波具有波粒二象性；
干涉现象的条件：相干光源
劳厄（Laue）发现X射线的相干散射现象， 在0.0005~0.2MeV，相干散射主要是瑞利散射。
瑞利散射（Rayleigh），与束缚得很牢固的电子的弹性散射，束 缚电子吸收光子跃迁，随后又发出一个能量相同的散射光子。
（1）E<10MeV，主要是电离损失和辐射损失：
S
1
(
dE dl
)col
1
(
dE dl
)rad
（2）重带电粒子，辐射损失可以忽略
20
（3）电子的电离损失与辐射损失比例
式中：Z－物质原子序数； E－电子能量
E=10MeV, Z=82铅，近乎相等
21
Heavy Charged Particle Interactions
1 dE
dl
c ol
(mass collision
stopping power)： 线碰撞阻止本领除以密
度，消除密度的影响。
12
dE ( dl )col
4e4 z2 NZ
m02 v 2
[ln
2m0 v 2
I (1 2 )
2]
(贝特)
m0 , e电子静止质量，电荷
p01n
10e
00v
Q
(3). 电子俘获 (E.c)
1 1
p
10e01n
00v
Q
A Z
X
10eZ
A1Y
00v
Q
原子核从核外获得，K俘获
A Z
X
Z A1Y
0
0
v
Q
A Z
X
Z A1Y
00v
Q
E.c
k 40
19
+
-
A 40
18 r
C 40
20 a
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。
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 中子流的注量率区分中子的能量范围。
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辐射损失——与原子核的非弹性碰撞过程
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。
尤其对β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。
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• 线辐射阻止本领
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