【正文】 第一章、電離輻射與物質(zhì)相互作用 哈爾濱工程大學(xué)核學(xué)院 第一節(jié) 帶電粒子與物質(zhì)相互作用 一、射線與物質(zhì)的相互作用 ? 射線的種類很多，能量范圍也很寬，但一般只關(guān)注能量在 10ev量級以上的輻射，能量大于這個(gè)最低能值的輻射稱作 電離輻射 。 （ 1） 帶電粒子的輻射 ：電子、正電子、質(zhì)子、 α粒子等。亦可稱為 直接致電離輻射 ，帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，沿著粒子徑跡通過許多次的庫倫力的相互作用，將其能量傳遞給物質(zhì)。 （ 2） 非帶電粒子的輻射 ：電磁輻射（ γ射線和 X射線）和中子等。亦可稱為 間接致電離輻射 ， X/γ射線或中子通過物質(zhì)時(shí)，可能會發(fā)生少數(shù)幾次相對而言較強(qiáng)的相互作用，把其部分或全部能量轉(zhuǎn)移給它們所通過物質(zhì)中的某帶電粒子，然后，所產(chǎn)生的快速帶電粒子再按直接致電離輻射的方式將能量傳遞給物質(zhì)。 X/γ射線將其全部或部分能量傳遞給物質(zhì)中原子核外的電子，產(chǎn)生 次級電子 ；中子幾乎總是以核反應(yīng)或核裂變過程產(chǎn)生 次級重帶電粒子 。 中子的世界 在中子看來，世界絕大部分都是空空蕩蕩的。 中子有多大的可能性和原子核發(fā)生反應(yīng)？ 微觀截面 Microscopic Cross section 設(shè)有強(qiáng)度為 I （ / cm2 s ）的單能中子束平行入射到一薄靶上， 該薄靶厚度為 Δ x，靶的核密度為 N。 平行中子束經(jīng)過薄靶后強(qiáng)度的變化量 ΔI正比于入射中子束的強(qiáng)度 I、靶的厚度 Δ x及靶的核密度N. xNIIxINI???????? /?xNII ???? ?微觀截面 Microscopic cross section 微觀截面表征了一個(gè)中子 和一個(gè)原子核相互作用 （發(fā)生核反應(yīng)）的概率 大小。 22 2 2 AR I Ncmc m s c m s c m??? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?微觀截面 Microscopic cross section ? ?2/ / / /ARNN u m b e r o f r e a c t i o n s n u c l e u s sN u m b e r o f i n c i d e n t n e u t r o n s c m s I? ??每種類型的核反應(yīng)都有相應(yīng)的截面，用不同的下標(biāo)表示。 s e i na γft s aS c a t t e r i ng A bsor pt i on T ot a l ? ? ?? ? ?? ? ???????微觀截面工程中常用的單位：靶恩 (barn) ， 1靶 =1024cm2 中子束入射到厚靶上 Neutron beam incident on a thick target 未經(jīng)碰撞的中子束強(qiáng)度的衰減規(guī)律 t A td R I d N I N d x????在 x處 dx間隔內(nèi)單位面積 上發(fā)生反應(yīng)的中子數(shù)為 dxNxII N d xxIdxxIxdI tt ?? )()]()([)( ???????宏觀截面 Macroscopic cross section ? N為單位體積內(nèi)原子核的數(shù)目。 where N is the number density of the target nuclei in units cm3 ?N??]][/[][ 231 cmcmcm ??未經(jīng)碰撞的中子束強(qiáng)度的衰減規(guī)律 dxxIxdIt???)()(xteIxI ???0)(方程： 給定邊界條件下的解： 宏觀截面的物理解釋 ? 表征了一個(gè)中子和單位體積內(nèi)所有的原子核發(fā)生反應(yīng)的概率大小。 ? 為一個(gè)中子在介質(zhì)內(nèi)穿行單位距離與原子核發(fā)生反應(yīng)的概率大小。 dxIdIN /???? ? 在核工程和核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，主要涉及輻射能量為幾 kev到 20Mev的范圍內(nèi)。在這個(gè)能量范圍內(nèi)，帶電粒子穿過靶物質(zhì)時(shí)主要通過庫倫力與靶物質(zhì)原子發(fā)生相互作用，主要有四種作用方式。 （ 1）帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞 入射帶電粒子與物質(zhì)原子的核外電子通過庫倫力作用發(fā)生非彈性碰撞，引起原子 電離和激發(fā) 。此過程中，核外電子獲得能量，帶電粒子的能量減少，速度降低，通過這種方式損失能量稱為 電離能量損失 。一般是帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)損失能量的主要方式。 （ 2）帶電粒子與靶物質(zhì)原子核的非彈性碰撞 入射帶電粒子與物質(zhì)原子核通過庫倫力的相互作用，使入射帶電粒子受到排斥或吸引，導(dǎo)致粒子的速度和方向發(fā)生變化。當(dāng)帶電粒子加速或減速時(shí)必然會產(chǎn)生輻射，因此，這種導(dǎo)致帶電粒子驟然變速時(shí)伴隨產(chǎn)生的電磁輻射稱為 軔致輻射 ，通過這種方式損失能量稱為 輻射能量損失 。 （ 3）帶電粒子與靶物質(zhì)原子核的彈性碰撞 帶電粒子與靶物質(zhì)原子核在庫倫力作用下發(fā)生彈性散射，即盧瑟福散射。這種過程不會使原子核激發(fā)也不會產(chǎn)生軔致輻射，只是原子核反沖而帶走入射粒子的一部分能量，這種能量損失稱為核碰撞能量損失 ，這種阻止作用稱為 核阻止 。此過程是引起電子散射嚴(yán)重的主要因素。 （ 4）帶電粒子與靶物質(zhì)原子核外電子的彈性碰撞 帶電粒子與靶原子核外電子的彈性碰撞過程只有很小的能量轉(zhuǎn)移。這種相互作用方式只是在能量極低（ 100ev）的電子才會考慮。因此，對粒子的能量損失貢獻(xiàn)很小，一般忽略。 ? 帶電粒子進(jìn)入物質(zhì)后，受庫倫力相互作用損失能量的過程可以看成是被物質(zhì)阻止的過程，把某種吸收物質(zhì)對帶電粒子的 線性阻止本領(lǐng) S定義為該粒子在材料中的微分能量損失 dE除以相應(yīng)的微分路徑 dx，即： 也可以稱為粒子的 能量損失率 ，或比能損失。 ? 根據(jù)帶電粒子與靶物質(zhì)原子碰撞過程的分析，能量損失率由 電離能量損失率 Sion、 輻射能量損失率 Srad及 核碰撞能量損失率 Sn組成，故有： ? 對不同的帶電粒子三種能量的損失方式所占的比重不一樣。 r adni onr adni on dxdEdxdEdxdESSSS )()()( ?????????dxdES ?? ? 將具有一定能量的質(zhì)子、氘核、 α粒子和 π介子等重帶電粒子稱為 快重帶電粒子 ，將所有 z2并失去了部分電子的原子和裂變碎片等粒子稱為 重離子 。 ? 在我們所關(guān)注的能量范圍里，快重帶電粒子和重離子的電離能量損失 Sion都是最主要的能量損失方式，而輻射能量損失 Srad都可以忽略，快重帶電粒子的核碰撞能量損失 Sn一般很小，但重離子（特別速度很低時(shí)）的核碰撞能量損失 Sn可與電離能量損失 Sion相當(dāng)。 ? 對快電子來說，電離能量損失 Sion仍是能量損失的重要方式，但輻射能量損失 Srad也占重要的地位，當(dāng)電子能量達(dá)到幾 Mev時(shí)，二者幾乎相當(dāng)。由于電子的質(zhì)量小，核碰撞能量損失 Sn所占份額很小，但這會引起嚴(yán)重的散射。 二、重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 ? 在我們感興趣的能量范圍內(nèi)（大約 20Mev）的重帶電粒子與物質(zhì)的主要相互作用有： （ 1）與原子的電子發(fā)生非彈性碰撞，導(dǎo)致原子電離和激發(fā)，但粒子的運(yùn)動方向幾乎沒有什么變化；（ 2）電荷交換，即俘獲和損失電子；（ 3）與核的彈性碰撞（盧瑟福散射）；（ 4）核反應(yīng)。 ? 造成能量損失的主要機(jī)制是電離和激發(fā)，即電離能量損失。但是離子的種類不同，相互作用的方式有所差別。 1. 能量損失率 ? 在考慮相對論的情況下，從理論上推出： 1. 能量損失率 關(guān)于上式的幾個(gè)結(jié)論： （ 1） 電離能量損失率與重帶電粒子電荷數(shù) z2成正比 。如 α和質(zhì)子的速度相等，物質(zhì)對 α粒子的阻止本領(lǐng)是對質(zhì)子的 4倍。因此，帶電粒子的電荷越多，能量損失就越大，穿透力越差。 （ 2） 電離能量損失率與入射粒子速度 v有關(guān)，而與質(zhì)量無關(guān) 。這是由于重帶電粒子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的靜止質(zhì)量。因此，只要兩種入射粒子的速度相等，并具有相等的電荷數(shù)，那么他們的能量損失率就相等。 （ 3） 電離能量損失率與物質(zhì)的電子密度 NZ成正比 。 N表示單位體積內(nèi)靶物質(zhì)的原子數(shù)， Z是其原子序數(shù)，則單位體積內(nèi)的電子數(shù)是 NZ。物質(zhì)密度越大，物質(zhì)中原子的原子序數(shù)越高，則此種物質(zhì)對粒子的阻止本領(lǐng)越強(qiáng)。 （ 4） 電離能量損失率與入射粒子的能量有關(guān) 。 4Em0/M≈2m0v2 1. 能量損失率 2. 比電離 帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)，通過電離和激發(fā)產(chǎn)生許多電子 — 離子對，把單位距離上產(chǎn)生的平均離子對數(shù)稱作 比電離 。 3. 射程 帶電粒子在物質(zhì)中運(yùn)動時(shí)不斷損失能量，最終會停留在物質(zhì)中。它沿初始運(yùn)動方向所行進(jìn)的最大距離稱作入射粒子在該物質(zhì)中的 射程 。入射粒子在物質(zhì)中行經(jīng)的實(shí)際軌跡長度稱作 路程 。 重帶電粒子的質(zhì)量大，它與電子的相互作用不會導(dǎo)致其運(yùn)動方向有大的改變，其軌跡幾乎是直線，射程基本等于路程。 3. 射程 ? 能量為 E0的帶電粒子的射程 R可以表示為： ? 一般用實(shí)驗(yàn)測定。 ? 可以看出粒子的計(jì)數(shù)率 n從開始下降到降為零這段距離內(nèi)被全部吸收，把計(jì)數(shù)率下降為一半的透射距離定義為粒子的 平均射程 R0. ? 對曲線 a求導(dǎo)得到曲線 b，稱為微分曲線，代表單位路程上的粒子數(shù)隨路程的分布，其峰值正好為平均射程 R0。微分曲線分布的寬度表示射程的漲落，表明相同能量的粒子在同一物質(zhì)中的射程并不完全相同，這種漲落稱為 射程岐離 。 ? α 粒子在空氣中的射程數(shù)據(jù)總結(jié)出了半經(jīng)驗(yàn)公式： 4. 能量岐離 ? 上面說到了射程岐離，產(chǎn)生此現(xiàn)象的根本原因是重帶電粒子沿其徑跡所經(jīng)受的碰撞次數(shù)和每次碰撞所損失的能量，都是一個(gè)隨機(jī)量，同樣此原因?qū)е铝四芰酷x現(xiàn)象的出現(xiàn)。 ? 可以看出，同一能量的大量粒子在進(jìn)入靶后，在不同深度處的能量岐離是不同的，進(jìn)入靶越深，平均能量越小，而能量分布越寬，岐離越嚴(yán)重。 三、電子與物質(zhì)的相互作用 ? 快速電子包括 β射線（正電子和電子）和單能電子束。由于電子的靜止質(zhì)量約是 α粒子的 1/7000，所以與物質(zhì)的相互作用及在物質(zhì)中的運(yùn)動軌跡都與重帶電粒子有很大的差異。 ? 快速電子與物質(zhì)的相互作用有： （ 1）與原子的電子發(fā)生非彈性碰撞，引起原子的電離和激發(fā)；（ 2）核彈性庫倫散射，散射嚴(yán)重；（ 3）在電子減速或加速的過程中發(fā)射電磁輻射（軔致輻射）；（ 4）正電子或負(fù)電子的湮滅。 ? 雖然電離和激發(fā)仍是重要的，但軔致輻射的作用不能隨意的忽略。并且在與軌道電子的一次作用中，可以損失相當(dāng)大份額甚至全部的能量，并顯著改變自己的運(yùn)動方向。 1. 電離損失 ? 快電子的能量損失率有電離損失和輻射損失組成。快電子與物質(zhì)相互作用的損失能量率遠(yuǎn)小于重帶電粒子，在相同的能量情況下，電子的速度遠(yuǎn)大于重帶電粒子的速度，因此，電子在單位路程上損失的能量遠(yuǎn)小于重帶電粒子。 ? 描述電離能量損失率的公式： 2. 輻射損失 ? 帶電粒子在原子核庫侖場中被減速或加速，其部分或全部動能，轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)譜的電磁輻射。其能量損失稱為 輻射損失 。 ? 電磁輻射的強(qiáng)度應(yīng)正比于 z2Z2 NE /m2。對電子的輻射損失率公式： ? 可以看出幾個(gè)結(jié)論： （ 1） 輻射能量損失率與 m2成反比 。粒子質(zhì)量越小，軔致輻射強(qiáng)度越大。 （ 2） 輻射能量損失率與 Z2成正比。 電子打到高原子序數(shù)的材料時(shí)更易產(chǎn)生軔致輻射。用于產(chǎn)生 X射線源。 （ 3） 輻射能量損