物理粒子探測的基本原理

1、1物理粒子探測的基本原理粒子探測主要是指記錄粒子數(shù)目，測定其強度，確定粒子的性質(zhì)（能量、動量、飛行方向等）。根據(jù)粒子的帶電性質(zhì)分類帶電粒子：、p、e、等電磁輻射：x射線、射線中性粒子：n、0、0、等2 帶電粒子與介質(zhì)的相互作用主要是電磁相互作用。電離：當入射帶電粒子與介質(zhì)原子較遠時，使介質(zhì)的原子產(chǎn)生電離或激發(fā)。擊出: 當入射帶電粒子與介質(zhì)原子距離 原子大?。?0-8cm）時，粒子與原子的電子相互碰撞，使電子從原子中發(fā)射出來。庫侖散射：當入射帶電粒子與介質(zhì)原子距離 4后能量損失又開始緩慢上升，稱作相對論上升。5）隨著能量繼續(xù)增加，由于原子核外電子電荷密度的屏蔽效應(yīng)，能量損失趨于飽和，物質(zhì)中沉積的

2、能量接近一個常數(shù)，稱作費米坪。73. 電離能量損失的漲落和分布 在厚度為 x 的介質(zhì)層中，入射粒子的平均電離能損為 dE/dx x ，但只有在厚介質(zhì)層時，實際電離能損的分布才接近高斯分布。一般為朗道分布，在能量損失分布中有一不對稱的尾巴landau尾巴。平均沉積和最可幾不一致。8 對于朗道分布，可以用下式擬合：其中， 為約化能量變量， 它表示與最可幾能量損失 (E)mp的歸一化偏差。 為平均能量損失能量損失的很長的尾巴意味著產(chǎn)生了能量很高的電子。這種入射帶電粒子與介質(zhì)相互作用能量損失過程中因碰撞而擊出的能量很高的電子稱為擊出電子或-電子。-電子的能量可以很大其分布為94. -電子 對于最小電離

3、粒子發(fā)射的電子的能量在幾個keV量級（ Tmax 1MeV ），其電子的發(fā)射方向與入射粒子徑跡相垂直，但由于多次散射，其方向很快隨機化了。105. 電離產(chǎn)額 原初的原子被電離或被激發(fā)，被打擊出來的電子的能量分布正比于1/E2。能量大于100eV的電子有可能在次級碰撞中進一步電離原子。 總的電離出的離子（或電子）數(shù)目正比于運動的帶電粒子的能量損失： 這里的是Wi產(chǎn)生一對離子需要的能量，總的數(shù)量是初級電 離數(shù)目nP 的27倍。 對于氣體，產(chǎn)生一對電子離子對的平均能量在41eV（氦氣）和22eV（氙）之間。 在半導體中，這個能量非常小。硅只有，鍺是 。 因此，在同樣能量損失下，產(chǎn)生的電子空穴對要多很

4、多，其統(tǒng)計漲落也小很多。所以，半導體探測器的相對能量分辨非常好。但是，制造大體積的純晶體Si，Ge是很困難的，應(yīng)用受到很大限制。當入射帶電粒子與介質(zhì)原子的距離比原子半徑小時，入射粒子將受到原子核電場的作用，入射粒子的軌跡將受到核電場的偏轉(zhuǎn)，這種過程稱為介質(zhì)原子核的庫侖散射。散射微分截面由Rutherford散射公式給出小角度散射截面較大，粒子穿過厚介質(zhì)層時會發(fā)生多次小角度庫侖散射。粒子的運動方向也將因此而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。11二、多次庫侖散射庫侖散射的影響準直束經(jīng)過介質(zhì)后成發(fā)散束實驗中，常在磁場中測量帶電粒子的徑跡偏轉(zhuǎn)角度來確定它的動量，多次coulomb散射限制了對粒子徑跡偏轉(zhuǎn)方向的測量精度，從而也

5、限制了對粒子動量的測量精度。12快速電子受介質(zhì)原子核的電場作用而減速，軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，伴隨電磁輻射，能量以光子發(fā)射的形式損失掉，稱為軔致輻射。初始能量為E的電子，在穿過物質(zhì)厚度X后的平均能量:可見， X0是電子平均能量因為韌致輻射而減少為e分之一的物質(zhì)厚度。稱為輻射長度當介質(zhì)為化合物或混合物時，有： Xi第i種成分的輻射長度，Pi第i種成分的權(quán)重因子，重量百分比。13二、快速帶電粒子的軔致輻射（bremsstrahlung）軔致輻射發(fā)射角是前向的，均方根發(fā)射角為： ()1/2=mec2/E 帶電重粒子：質(zhì)量比電子大得多，受原子核的偏轉(zhuǎn)較小，僅有較小的輻射損失。若粒子重M，則它的軔致輻射能損是同速

6、度的電子的(me/M)2 倍。韌致輻射的能量損失與介質(zhì)的原子系數(shù)Z2成正比實際工作中為了減少電子的韌致輻射本底，選用Z小的物質(zhì)，如塑料、鋁等材料做放射源的托片核支架。臨界能量 輻射損失與電離損失相等時的粒子能量稱為該介質(zhì)的臨界能量 對電子 EEc，韌致輻射損失為主 Ec/n時就會產(chǎn)生切倫科夫輻射。切倫科夫輻射與帶電粒子的速度有密切的關(guān)系。速度的大小不僅決定有無輻射的產(chǎn)生，也決定了輻射的強度、輻射的角度。所以只有1/n 才會有輻射，這是切倫克夫輻射的閾速度。 16 在時間間隔 t內(nèi)，波傳播的距離為t c/n，粒子傳播的距離為t c , 由此二距離得到切倫克夫輻射的傳播方向：介 質(zhì)n1閾s金剛石1

7、.420.41ZnS(Ag)1.370.42LeadFluoride0.800.56玻璃0.46-0.750.57-0.68閃爍體toluene0.580.63Plexiglas0.480.68水0.330.75氣凝硅膠0.025-0.0750.93-0.976Pentane(STP)1.710-30.9983CO2(STP)4.310-40.9996He(STP)3.310-50.999971718通過單位長度介質(zhì)在每單位光子能量間隔產(chǎn)生的光子數(shù)若介質(zhì)長L，發(fā)出在波長 1 和 2 之間的光子總數(shù)為 對于可見光靈敏的光電倍增管計數(shù)器而言，1=400nm, 2 =700nm, 我們得到每cm的光

8、子數(shù)為 N/L=490sin2c 四、穿越輻射穿越輻射當帶電粒子能量很高時穿越兩種介電常數(shù)不同的介質(zhì)交界面時發(fā)生的輻射。常用材料是苯乙烯和類似的介質(zhì)。典型的發(fā)射角輻射的光子能量在2eV-20eV的軟X射線能區(qū)。19五、 同步輻射（Syncrotron Radiation）電子在磁場中偏轉(zhuǎn)時相當于受到加速而發(fā)出的輻射稱為同步輻射。電子在磁場中偏轉(zhuǎn)的軌道曲率半徑為，則一個相對性單能電子每轉(zhuǎn)一圈輻射的能量電子的同步輻射比相同動量的重粒子的嚴重得多。電子和質(zhì)子的同步輻射能量損失之比為電子的能量越高，同步輻射越顯著。具有連續(xù)的能譜。在電子回旋的軌道平面內(nèi)，輻射能量主要是沿切線方向，平均輻射角20同步輻射

9、作為新一代光源，具有以下優(yōu)點：（1）功率大（2）單色性好（3）流強連續(xù)可調(diào)21小結(jié)帶電粒子與物質(zhì)原子的相互作用主要是與物質(zhì)原子的核外電子的非彈性碰撞，導致物質(zhì)原子的電離或激發(fā)，是帶電粒子通過物質(zhì)是損失能量的主要方式。利用電離或激發(fā)效應(yīng)來記錄入射粒子是絕大多數(shù)探測器的物理基礎(chǔ)。它們的差別在于記錄方式不同，大致分為三類：（1）收集電離電荷的探測器主要收集電離效應(yīng)產(chǎn)生的大量正負離子，記錄它們的電荷所形成的電壓或電流脈沖。這類探測器必須加上適當?shù)墓ぷ麟妷?，形成電場以有效收集電荷。如氣體探測器、半導體探測器。22（2）收集熒光的探測器被帶電粒子激發(fā)的原子退激時發(fā)出熒光。由于熒光很弱，需要通過一定的轉(zhuǎn)換放

10、大，即把光脈沖轉(zhuǎn)換成較大的電脈沖光電倍增管。如閃爍計數(shù)器等。（3）利用離子集團作為徑跡中心的探測器，徑跡探測器。如核乳膠、云室、氣泡室、火花室等。（4）收集切倫科夫輻射的探測器，切倫科夫探測器。（5）收集記錄穿越輻射的探測器，穿越輻射探測器。23射線和X射線都為電磁輻射，統(tǒng)稱為光子產(chǎn)生方式不同原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到低能量態(tài)時放出的射線為射線原子內(nèi)層軌道電子的退激發(fā)或高能電子的軔致輻射所發(fā)出的電磁輻射叫X射線能量范圍不同射線： KeV MeVX射線: 0.1 MeV24 射線的探測射線與物質(zhì)的相互作用主要有三個過程：光電效應(yīng)、Compton效應(yīng)和電子對產(chǎn)生。射線穿過物質(zhì)時其強度按指數(shù)衰減規(guī)律衰減

11、I0入射光子束強度，為物質(zhì)對光子的吸收衰減系數(shù)，x為物質(zhì)厚度。 若=/，t=x 質(zhì)量厚度， 光子的質(zhì)量衰減長度或 光子的平均自由程，則25一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)低能光子被介質(zhì)原子吸收而放出電子的效應(yīng)。光電子能量 hv為入射光子能量，Ei為第i殼層電子的結(jié)合能原子退激發(fā)時發(fā)射特征X射線或俄歇電子。26入射光子原子光電子hv俄歇電子LK原子核55Fe 5.9KeV X射線常用來對正比室或多室絲作檢測，其能量與最小電離粒子在幾cm氣體中的能損相近 Ar: Ek=3.20KeV, ELk =2.70KeV特征X射線 E = Ek-EL= 2.91KeV俄歇電子 E2= E -EL 全能峰 逃逸峰 He:

12、 僅2個K層電子，只有全能峰，無逃逸峰 2728光電子的角分布 光電子的角分布與入射光子能量有關(guān)能量低 大角度分散能量高 小角度集中（電離方向）射線與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)的總截面 1） 重元素的光電效應(yīng)比輕元素強得多；2）低能射線比高能射線強得多；3）當射線能量接近電子的結(jié)合能時，光電效應(yīng)截面最大。光子與原子內(nèi)層電子作用.2930二、康普頓吳有訓效應(yīng)康普頓吳有訓效應(yīng)（散射）當光子能量上升到原子最高能級以上時，成為主要過程是光子與原子外層電子作用,可看作在自由電子上的散射。Compton wavelength根據(jù)能動量守恒散射光子能量反沖電子能量31入射光子核外電子出射電子E出射光子反沖角和散射

13、角之間關(guān)系 3233散射光子和反沖電子的角分布Compton效應(yīng)的散射截面34Compton wavelength三、電子對效應(yīng)電子對效應(yīng)： 光子從原子核旁經(jīng)過，當光子能量超過2個電子靜止質(zhì)量之和即時， 在原子核庫侖場作用下， 光子轉(zhuǎn)化為正負電子對，正負電子能量之和等于入射光子能量。 入射光子能量越大，正負電子的發(fā)射方向越前傾。35入射光子原子核正負電子對EE+E-e+e-36 對一定能量的入射光子電子對效應(yīng)產(chǎn)生的正負電子的動能之和為常數(shù)，但就電子或負電子而言其動能從 0 E -2mec2 都有可能，動能分配是任意的。 對較低能量的光子，產(chǎn)生各種能量的電子對的幾率大致相等；而對于高能光子，傾向

14、于其中一個（正）電子獲得絕大部分能量。37電子對效應(yīng)與湮滅輻射電子對湮滅 電子對效應(yīng)產(chǎn)生的正負電子在吸收物質(zhì)中通過電離損失和韌致輻射損失能量。正電子很快被慢化。正電子與物質(zhì)的電子相互作用轉(zhuǎn)化為兩個光子的現(xiàn)象稱作電子對湮滅。發(fā)生湮滅時，能動量守恒。正負電子動能為0，所以兩個湮滅光子的總能量等于正負電子的靜止質(zhì)量。 湮滅前正負電子總動量為0， 湮滅后兩個光子總動量也為0 。電子對效應(yīng)的截面38碳對光子的吸收截面39光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)是光子與核外電子的作用結(jié)果，電子對效應(yīng)是光子與原子核電磁場的作用結(jié)果。三種效應(yīng)相互競爭，可能同時存在。三種效應(yīng)的相對重要性對低能射線（幾MeV ）和原子序數(shù)高的物質(zhì)電

15、子對效應(yīng)占優(yōu)勢40小結(jié)41在三種效應(yīng)中，每個光子都是在一次作用中就損失其全部能量或相當大部分能量，并發(fā)射出電子。正是這些電子使得探測射線成為可能。光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)所發(fā)射的次級電子的能量單一，因此射線探測器的物質(zhì)應(yīng)選用Z盡可能大的材料。帶電粒子和光子與物質(zhì)相互作用的區(qū)別4243四、X ()射線在物質(zhì)中的衰減 當X線通過物質(zhì)時，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)等作用，使射線的強度衰減。即物質(zhì)所致的衰減。射線在物質(zhì)中的衰減隨距離衰減與物質(zhì)作用衰減44射線的衰減吸收系數(shù)化合物和混合物中的質(zhì)量吸收系數(shù)：光子平均吸收長度4546A、單能線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律(1)、窄束線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律47光子數(shù)

16、表示則滿足lnIlnI0 x 光子數(shù)減少但頻率不變！（=0.2 cm-1)48(2)、寬束線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律積累因子: 某物質(zhì)元中光子計數(shù)率與未碰撞物質(zhì)的光子計數(shù)率之比 B。Ns:物質(zhì)元散射光子計數(shù)率Nn:未碰撞光子計數(shù)率B是描述散射光子影響反映寬束和窄束區(qū)別的物理量寬束線的衰減規(guī)律B可以通過泰勒級數(shù)展開近似計算求得：窄束薄層 中子的探測中子與物質(zhì)相互作用主要是中子與原子核的強相互作用，即核反應(yīng)。探測中子就是探測中子與原子核發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子。中子不帶電，不受庫侖斥力影響，容易進入原子核發(fā)生核反應(yīng)。尤其是慢中子主要是中子通量測量；中子能量測量雖很有意義但很難。不同能量中子的探測原理和探

17、測器不同。中子能量的區(qū)分：（1）熱中子（2）慢中子（3）中能中子（4）快中子4950 中子不帶電，通過物質(zhì)時，只有在與原子核直接碰撞時發(fā)生相互作用。但慢中子或熱中子進入原子核易被俘獲，而快中子與原子核主要發(fā)生彈性碰撞。在中子與質(zhì)子(氫核) 的一次碰撞中, 中子的部分能量傳給質(zhì)子,產(chǎn)生反沖質(zhì)子,這種帶正電重粒子在組織中速度很快下降, 引起高密度電離作用。 中子與氧、碳、氮等原子核也發(fā)生彈性散射，其反沖核引起高密度的電離?？熘凶优c組織中更重的原子核相互作用可引起非彈性散射產(chǎn)生射線。此外, 中子與物質(zhì)的原子核作用還會產(chǎn)生核反應(yīng), 在反應(yīng)過程中釋放帶電重粒子、光子或產(chǎn)生放射性核素。 中子與物質(zhì)的作用一

18、、核反沖法核反沖法是記錄中子與原子核彈性散射后的反沖核。在彈性散射過程中，中子運動方向改變，能量減少。這減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定的速度運動，該核稱作反沖核。反沖核具有電荷，可以作為帶電粒子記錄。記錄了反沖核，就探測到中子。該方法主要用于探測快中子（，否則不易探測反沖核）。由能動量守恒，對En0的反應(yīng)，放熱反應(yīng)； Q值0的反應(yīng)，吸熱反應(yīng)。53目前應(yīng)用最多的三種核反應(yīng)： 都是放熱反應(yīng)，反應(yīng)放出的能量變成次級粒子的動能。0是熱中子的反應(yīng)截面，都很大。實際應(yīng)用最廣的是 反應(yīng)。因為硼材料比較容易得到，氣態(tài)可選用BF3氣體，固態(tài)有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B含量較高，易濃縮。中子與10B反應(yīng)有兩個過程54反應(yīng)截面與中子能量的關(guān)系55反應(yīng)截面與中子速度成反比。核反應(yīng)法主要測1MeV的慢中子中子的慢化中子與輕原子核的彈