核数目: (}.3) 叮见,放射性核的数凵随时间按指数规律减少。这是放射性核袞 变的基本规律 对于实际工作来说,某个时刻放射源中还存在多少个放射性 原子核没有衰变并不重要,重要的是单位时舸内有多少个核发生 衰变。在给定时刻b,一定量的放射性核素在一个很短的时间间 隔d内发生的核衰变数dN除以l的商,称为放射性活夏,用L表 dN H(1.2)和(1.3)式,放射性活度可以表小为 clN 天N=Nac-l=Ae-2 .4) 式中A=N是=0时放射性活度。(14)式表明放射性活度 随时间成指数规律衰减 版射性活度的国际单位制单位是“贝可勒尔”符号为“B”。 为一次衰变每秒。以前习惯用“居里(Ci)”及其导出单位 “毫居里(mCi”和“微居里(!Ci)”作放射性活度的单位。它 们与贝可之间的关系为1Ci=3,7×10°Bq。 直接测量放射性原子核数目的减少是很困难的。但探测放射 性原子核衰变时放出的粒子数是比较容易的。测定单位时间内放 射放出某种粒子的数日,再山放射性核素的衰变纲图知道式分 支比,就可以求得放射源的活度,或放射性原子核数的减少率。 描述放射性原子核衰变除了用“λ”外,还可用半衰期、平 均寿命等常数。在单一的放射性衰变过程中,放射性活度降至 原有值的一半时所需的时间称为半衰期,符号为T2。将4=A 2,扌=T12代入(1.4)式,可得到T1为: n20.693
平均寿命是指在某特定状态下放射性核数减少到原来的1 的平均肘间,符号为。将A/A=代入(1.3)式,可得: 从(1,5)式和(1.6)式,可以得到r与T1:的关系为: 71/2=0.6932 (1.7) 不同的放射性核素或粒子有不同的T2和r,见附承2、附录 3和附录4。 第二节探测带电粒子的物理基础 探测核辐射主要是刖各种类型利规格的核辐射探测器记录粒 了数目,测定放射源的活度,确定粒了的质量、电荷、寿命、能 以及动量等。为最佻选择或正确使用探测器以得出妤的测量结 果,必须深入了解核辐射粒子与物质的相互作用机制和它们过 物质时发生的有关现象。这是核辐射探测的物理基础。 在核辐射探测原理中,最基木的是利用带电粒子在物质中对 物质原子产生的电离和激发效应或快速轻带电粒子穿过物质拊的 电磁辐射效应。 本节就带电粒子探测的物理基础加以讨论。 、带电粒子与物质的祖互作用机制 探测带电粒子的依据是它们射入物质后,与物质原予发尘的 三种主要相互作用。 ①电离和激发。带电粒子与核外轨道电子之润存在库仑相 互作用,发生非弹性能撞,导致带电粒子损失能量,物质原子被 电离或激发。这是带电粒f与物质相互作用的主要方式。绝大多 数探测器都是利用这种电离和激发效应来探测入射粒子的。 ②非弹性碰撞。带电粒子与物质原子核之间存在库仑相互
作用,发生非弹性碰掩,使入射带电粒子的速度和运动方向发生 改变时产生电磁辐射(轫致辐射),或在特定条件下使物质产生 定向极化而随之发出电磁辐射(切伦科大辐射),通过这些电磁辐 射可以探测轻带电粒子(D、a和其他重带电粒子可以使原ˉ核产 生库仑激发,因这种作用概率很小,本书略去了)。 )弹性碰撞。带电粒子与原子核之间存在库仑相互作用, 发生弹性碰掩(即弹性散射),致使入射带电粒了改变运动方问并 损失能量,但不辐射光子,也不激发原了核,而是原子核受到反 沖而获得能量,使品格原发生位移,形成缺陷、即造成物质辐 射损伤。冇的汴径迹探测器就是利用辐射损伤形成的径迹来探 测重带电粒子的。 定能量的带电粒了进入物质后,通过许多次非弹性和弹性 砘撞过程,共动能逐步减小,偕电粒子被慢化。如果物质层较薄, 粒子将穿出物质。如果物质层足够鬥,粒子将损尖掉其全部能虿 而被吸收 二、带电粒子的能量损失 带电粒子射入物质后,其能量损失亐带电粒子及吸收物质的 性质有关。我们把带电粒子在单位路径上所损失的能量称为能量 损失率,或者称为物质对带电粒f的阻止本领,用一dE/x表示 负号表示能量减少。碰撞过程是随机的,所以一dE/dx是平均能 最损失率。 1.电离损失 带电粒子进入物质时和物质原子的轨道电子发生库仑相 ,电子获得能量。若电子获得的能量较少,不足以克服原子的 束缚,只是从较低能量状态上升到较高能量状态,则原了被激 发;若电子获得了足够能量,将完全脱离原子而成为自由电子, 则原子大去电子而成为正离子,即原子被电离。入射粒子因原子 的激发和电离在单位路径上引起的能量损失叫电离损失率。理论 计算(,2)表明,当一个电荷为z,质量为m,速度为?(该?比原子
中电子的轨道速度大得多)的带电粒子进入原子序数为Z的物质 时,共电离损失率为: de 4丌zNZB (1.8) 式中:是电子的静止质量;N是单位体积物质中的原了数;1 为理止系数。-1!(lx的单位为MeV/cm。 阻止系数刀与入射粒了的种类和能量有关。对于重带电粒∫ d等,有 29v 2-K (].9) l(1-B2) 对下电子1,行: B.=221(-p(2√1-P r!21:0 +B2)hn2+(1-9) (1√1-B2)-K 8 在非相对论近似时(1),(19)式和(1.10)式可筒化为 =122 B=1 0.58c2 以上各式中,=v/c,c为光在真室中的速度;E是人射粒子 的能量;c/Z是当入射粒子的能量较低时,粒子速度不能满足大 于内层电子轨道速度这一条件,束缚得很紧的内壳层电子不能参 予对人射粒子的阻止作用而引进的修正項,称为党层修正项;当 能量很高的带电粒子入射到物质中时,距离较远的原子极化后产 的空间电场止好抵消了入射带电粒子产生的电场,减小了人射 特也粒子对这些原子的电离作,因此引入了由于物质极化效应 引起的修正项K,由于极化效应和物质中的电子密度成正比,故 又称K为密度效应修正项;I是物质原子的平均激发能(对物质 原子中各壳层电子的激发能和电离能求平均),它近似与Z成丽
比。一些物质的I值列于表1.1中 表I,1一些物质的平均激发能的值 物质 A Fe G 13 26 [(cV) 13,0 76.8 59,9 299 820,U 物质的I与∠的比值可近似表示为 (1.12) 从表1.1中可以看出,轻元素的I/z值赂大,重元素的这个比值 硝小 重离子在物质中能量损失到较低值时会有电荷交换效应(重 离子与物质原子的每次碰撞中有定的概率使离子失去电子或离 子从物质中俘获电子,此现象就是离子在物质ψ的电荷交换效 应),故对重离了的电离损尖率不能直接用(1.8)式,而必须把 (1.8)式中的z用有效平均电荷数(yx)rt来代替。到目前为止, 还不能定量地计算运动离子的动态电荷态问题。通常用经验公 式(或由实验上比较同样速度的质子和重离子通过同…物质时的 能量损失率而得到 d (rz)-ett dr/D (1.13) dx/盖离 电离损失率有时也用比电离%(带电粒子通过单位路径所产 生的离子对数目)来表示: dE ion =zeh (1,4) d 式中,为入射粒子产生一个离了对所消耗的平均能量,称为平 均电离能。对确定的物质,v基本上是常数。 入射带电粒子在物质中通过的整个路径上生成大量的离子 对。它包括入射粒子直接产生的离子对(称为初电离)和电离产