电离辐射与物质相互作用

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1、第一章、电离辐射与物质相互作用哈尔滨工程大学核学院第一节带电粒子与物质相互作用一、射线与物质的相互作用射线的种类很多，能量范围也很宽，但一般只关注能量在10ev量级以上的辐射，能量大于这个最低能值的辐射称作电离辐射。1.辐射的分类（1）带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、α粒子等。亦可称为直接致电离辐射，带电粒子通过物质时，沿着粒子径迹通过许多次的库伦力的相互作用，将其能量传递给物质。（2）非带电粒子的辐射：电磁辐射（γ射线和X射线）和中子等。亦可称为间接致电离辐射，X/γ射线或中子通过物质时，可能会发生少数几次相对而言较强的相互作用，把其部分或全部能量转移给它们所通过物质

2、中的某带电粒子，然后，所产生的快速带电粒子再按直接致电离辐射的方式将能量传递给物质。X/γ射线将其全部或部分能量传递给物质中原子核外的电子，产生次级电子；中子几乎总是以核反应或核裂变过程产生次级重带电粒子。中子的世界在中子看来，世界绝大部分都是空空荡荡的。中子有多大的可能性和原子核发生反应？微观截面MicroscopicCrosssection设有强度为I（#/cm2s）的单能中子束平行入射到一薄靶上，该薄靶厚度为Δx，靶的核密度为N。平行中子束经过薄靶后强度的变化量ΔI正比于入射中子束的强度I、靶的厚度Δx及靶的核密度N.微观截面Microscopiccrosssecti

3、on微观截面表征了一个中子和一个原子核相互作用（发生核反应）的概率大小。微观截面Microscopiccrosssection每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。微观截面工程中常用的单位：靶恩(barn)，1靶=10-24cm2中子束入射到厚靶上Neutronbeamincidentonathicktarget未经碰撞的中子束强度的衰减规律在x处dx间隔内单位面积上发生反应的中子数为宏观截面MacroscopiccrosssectionN为单位体积内原子核的数目。whereNisthenumberdensityofthetargetnucleiinunits

4、cm-3未经碰撞的中子束强度的衰减规律方程：给定边界条件下的解：宏观截面的物理解释表征了一个中子和单位体积内所有的原子核发生反应的概率大小。为一个中子在介质内穿行单位距离与原子核发生反应的概率大小。2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几kev到20Mev的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。（1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量，带电粒子的能量减

5、少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。（2）带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞入射带电粒子与物质原子核通过库伦力的相互作用，使入射带电粒子受到排斥或吸引，导致粒子的速度和方向发生变化。当带电粒子加速或减速时必然会产生辐射，因此，这种导致带电粒子骤然变速时伴随产生的电磁辐射称为轫致辐射，通过这种方式损失能量称为辐射能量损失。（3）带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，即卢瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射，只是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这种能量损

6、失称为核碰撞能量损失，这种阻止作用称为核阻止。此过程是引起电子散射严重的主要因素。（4）带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞过程只有很小的能量转移。这种相互作用方式只是在能量极低（100ev）的电子才会考虑。因此，对粒子的能量损失贡献很小，一般忽略。3.带电粒子在物质中的能量损失带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程可以看成是被物质阻止的过程，把某种吸收物质对带电粒子的线性阻止本领S定义为该粒子在材料中的微分能量损失dE除以相应的微分路径dx，即：也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。根据带电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，

7、能量损失率由电离能量损失率Sion、辐射能量损失率Srad及核碰撞能量损失率Sn组成，故有：对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。3.带电粒子在物质中的能量损失将具有一定能量的质子、氘核、α粒子和π介子等重带电粒子称为快重带电粒子，将所有z>2并失去了部分电子的原子和裂变碎片等粒子称为重离子。在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的电离能量损失Sion都是最主要的能量损失方式，而辐射能量损失Srad都可以忽略，快重带电粒子的核碰撞能量损失Sn一般很小，但重离子（特别速度很低时）的核碰撞能量损失