北京大学：《核物理与粒子物理导论》精品课程教学资源（课件讲稿）第三章 粒子源与粒子的测量

第三章粒子源与粒子的测量 Rayos Cosmicos §30粒子源 天然粒子源:放射源、宇宙线m globo sonda 加速器粒子源: T 静电加速器 20000m 串列静电加速器 直线加速器 回旋加速器 0.000m Everest 同步回旋加速器 对撞机 次级束流线与储存环 后续课程:《辐射物理基础》《加速器物理基础》

§3.0 粒子源 天然粒子源：放射源、宇宙线 加速器粒子源： „ 静电加速器 „ 串列静电加速器 „ 直线加速器 „ 回旋加速器 „ 同步回旋加速器 „ 对撞机 „ 次级束流线与储存环 第三章 粒子源与粒子的测量 后续课程：《辐射物理基础》《加速器物理基础》

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探测对象:带电粒子,中性粒子;稳定粒子, 非稳定粒子;重粒子;轻粒子 观测量:粒子种类;强度;能量;角分布;自旋等 §3.1射线与物质的相互作用 1.带电粒子与物质相互作用: 主要是与核外电子发生库仑相互作用

§3.1 射线与物质的相互作用 1．带电粒子与物质相互作用： 主要是与核外电子发生库仑相互作用 探测对象：带电粒子，中性粒子；稳定粒子， 非稳定粒子；重粒子；轻粒子 观测量：粒子种类；强度；能量；角分布；自旋等

带电粒子在阻止介质中,由于与核外电子的非弹性碰撞使原子发生激 发或电离而损失自己的能量,称电离损失。研究结果表明:只要不是能量 低的很重的带电粒子(比a粒子重),电离损失或电子阻止是带电粒子穿 过阻止介质时能量损失的主要方式。 (1)质子、a粒子等重带电粒子与物质相互作用: 个速度为U、电荷ze的带电粒子穿过由原子序数Z的元素组成的纯阻止介 质时,由于与介质原子核外电子发生非弹性碰撞,经过单位路程后的能量 损失或称阻止本领为 de 4Tze4Zn,( 2mU ln(-2)-2 d x 式中mn为电子静止质量,B=ue,c为光速,N为阻止介质中单位体积的原 子数目,为介质原子的平均电离电势,代表该原子中各壳层电子的激发和 电离能之平均值。方括号中第二、三两项是相对论修正项,其结果是使 dE/d随带电粒子速度增加而减少到一极小值之后,又重新随速度增加而增 加。这就是著名的贝特一布洛赫( Bethe- Block)公式

带电粒子在阻止介质中，由于与核外电子的非弹性碰撞使原子发生激 发或电离而损失自己的能量，称电离损失。研究结果表明：只要不是能量 低的很重的带电粒子（比 α 粒子重），电离损失或电子阻止是带电粒子穿 过阻止介质时能量损失的主要方式。 （ 1）质子、 α 粒子等重带电粒子与物质相互作用： 一个速度为 υ、电荷ze的带电粒子穿过由原子序数 Z的元素组成的纯阻止介 质时，由于与介质原子核外电子发生非弹性碰撞，经过单位路程后的能量 损失或称阻止本领为： ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −−−⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =− 22 2 0 2 0 42 1ln 2 ln 4 d d ββ υ υ π I m m ZNez x E 式中 m 0为电子静止质量， β＝ υ/c，c为光速， N为阻止介质中单位体积的原 子数目， I为介质原子的平均电离电势，代表该原子中各壳层电子的激发和 电离能之平均值。方括号中第二、三两项是相对论修正项，其结果是使－ dE/dx随带电粒子速度增加而减少到一极小值之后，又重新随速度增加而增 加。这就是著名的贝特－布洛赫（Bethe-Block）公式

m E/dx E 入射带电粒子能量E和在阻止介质中能量损失△E的乘积与mz成正比,与 E成反比。 射程: r=de/dE/dx) 能量损失歧离与射程歧离: arnExpE-EI N(E∥M=1 能量(相对单位 a为分布宽度 图333MeV质子穿过3.3mg/cm2Au箔后 的能量损失 a=2 2zeTZNt 2

E mz xE 2 − ~dd 入射带电粒子能量E和在阻止介质中能量损失ΔE的乘积与mz2成正比,与 E成反比。 射程： ( ) ∫ −= 00 ddd E xEER 能量损失歧离与射程歧离： ( ) ( ) ⎥⎥⎦⎤ ⎢⎢⎣⎡ − = − 2 2 21 exp 1 απ αEE NEN α 为分布宽度 [ ] 2 21 α = 22 πZNtze

y射线与物质的相互作用 射线和X射线分别起源于原子核能量变化过程和原子核外电子能量 状态变化过程。 y射线与物质相互作用主要有三种机制,即光电效应、康普顿散射和 电子一正电子对产生。 0e ud 总衰减系数可以分解为相对于光电效应、康普顿散射及电子对产生效应 的三部分衰减系数,即A=7+a+k ln20.693 xeudx 1 R e ka dx A

2．γ 射线与物质的相互作用： γ 射线和X射线分别起源于原子核能量变化过程和原子核外电子能量 状态变化过程。 γ 射线与物质相互作用主要有三种机制，即光电效应、康普顿散射和 电子⎯正电子对产生。 d eII −μ 0 = 总衰减系数μ 可以分解为相对于光电效应、康普顿散射及电子对产生效应 的三部分衰减系数，即 μ = τ +σ + k μμ 693.02ln x 21 == μ μ μ μ 1 d d 0 0 = = ∫ ∫ ∞ − ∞ − xe xxe R x x

光电效应占优势 电子对产生占优势 康普顿效应占优势 0.01 0.1 10 100 图3-11y射线产生光电效应、康普顿效应 和电子对效应的相对重要性 183 478 661 E/kev 图3-120.661MeVY射线产生的次级电子能谱