射线与物质的相互作用全解讲解学习.ppt

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1、射线与物质的相互作用全解第一节　概述一．致电离辐射的种类二．弹性碰撞和非弹性碰撞三．带电粒子在物质中的慢化一、致电离辐射的种类带电粒子辐射非带电粒子辐射快电子：　，　；　　电磁辐射：γ、Χ射线；重带电粒子－　　　　　　　　　　　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”。二．弹性碰撞和非弹性碰撞相互作用过程中，满足能量守恒：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

2、类非弹性碰撞，如入射粒子与处于激发态的核碰撞。带电粒子通过库仑力与物质发生相互作用。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。三．带电粒子在物质中

3、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。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。第二节　重带电

4、粒子与物质中的相互作用一．电离损失率二．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。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。有：电离损失率，辐射损失率。对于重带电粒子，也叫线性阻止本领。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

5、小得多，可认为在碰撞后入射带电粒子仍按原方向运动。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：一、电离损失率Bathe-Block公式：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。一、电离损失率Bathe公式的几点讨论：例如，1MeV的p与2MeV的d，z相同，v相同；S相同。1、S与入射粒子质量无关，只与

6、电荷z及速度v有关。2、S与入射粒子的电荷平方z2成正比，例如，相同速度的p与，S=4Sp。一、电离损失率3、S与靶物质的电子密度NZ成正比，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。一、电离损失率图中，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。第三节　快电子与物质的相互作用特点：1、运动速度大；2、电离损失，辐射损失；3、碰撞中能量转移大

7、，方向改变大(散射严重)。快速电子：e，。一．能量损失率二．吸收与射程三．正电子与物质的相互作用一、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：快速电子在物质中穿透本领比重带电粒子大得多。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。在单位路程上通过辐射损失的能量叫做辐射损失率：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。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

8、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。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。一、快电子的能量损失率快速电子