粒子探测技术第2章

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1、第二章粒子探测的物理基础§2-1带电粒子和物质的相互作用§2-2光子和物质的相互作用§2-3强子和物质的强相互作用§2-4高能粒子和物质作用与簇射2013/9/15中国科大汪晓莲1§2-1带电粒子和物质的相互作用粒子不能被直接观测，只有通过它们与物质的相互作用才能被探测。粒子探测主要是指记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、动量、飞行方向等）。根据粒子的带电性质分类•带电粒子：、p、e±、±、±、±等•电磁辐射：x射线、射线•中性粒子：n、0、0、等2013/9/15中国科大汪晓莲2一、带电粒子电离和激发损

2、失能量1.电离和激发入射带电粒子与物质原子的电子发生库仑相互作用而损失能量，物质原子的电子获得能量。当电子获得能量足以克服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，同时放出特征X射线或俄歇电子。当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到基态，这就是退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发射出来。2013/9/15中国科大汪

3、晓莲3激发过程：qatomatomqatom退激发原子放出低能荧光光子pmvmc电离过程：产生电子-离子对。入射粒子动量0洛仑兹因子E/mc20一次散射传递给静止电子的最大动能22222mc2mpTeemax222212m/m(m/m)mm2mE/ce0e00ee222低能时，2me/m0<<1，若me

4、c/2m0e22maxEp2对轻子，Ekin对电子，Tmax2EmecE11mE/ce2013/9/15中国科大汪晓莲4InteractionofchargeparticlesParticlescanonlybedetectediftheydepositenergyinmatter.Howdotheyloseenergyinmatter?classical2013/9/15中国科大汪晓莲52.带电粒子能量的电离损失电离损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致原子电离或激发，是粒子损失动能的主要方式。电离损失通常把某种物

5、质中粒子通过单位长度所损失的能量称为该粒子在这种物质中的能量损失或称dE为该物质对这种粒子的阻止本领，用表示。dxdE大，表明这种粒子在该物质中的电离本领大，dx即该粒子通过单位长度物质损失的能量较多，即该物质对这种粒子的阻止本领大。2013/9/15中国科大汪晓莲6Bethe-BlochformulaEnergytransfer:IdETmax,I:meanexcitationpotentialI~I0Z,I0=10eV2013/9/15Relativisticrise:ln2term中国科大汪晓莲7

6、Relativisticrisecancelledathighby“densityeffect”.ParametrizedbyFermiplateau22MeV一个有用的常数K4Nrmc0.3071Aee2gcm在入射粒子能量较低时Bethe-Bloch公式maxd1EZ22EkinKzln2d2xAIMeV计算时，能损通常使用的单位是相应dx单位为g/cm2，2g/cm代表面质量密度dxds为物质密度（单位：g/cm3），ds为长度（单位：cm）。这样选取单位的好处是能损在很大程度上与物质

7、的具体性质无关。2013/9/15中国科大汪晓莲8电离损失的分布在厚度为x的介质中，入射粒子的平均电离损失为dExdx当介质厚度较厚时，电离损失分布接近高斯分布；当介质很薄时，由于相互作用的次数少，能量损失的统计涨落很大，电离损失分布很不对称，在能量大的区域有很长的尾巴——朗道分布。2013/9/15中国科大汪晓莲9朗道分布实际能损最概然能损11EpLeexp22222与最概然能损之间的偏差2mce2pjlnlnIIj=0.2，ξ=

8、(K/2)z2(Z/A)(x/β2)MeV，x单位g/cm2能损分布中对应最大概率处的能损薄层吸收体中能量损失的分布2013/9/15中国科大汪晓莲10电子入射带电粒子与介质相互作用能量损失过程中因碰