光子相对于原来的运动方向偏转了 个角度日,光了将其一部分能量传递 给电」,使电了获得能量而脱离原来 的束缚发射出来,该电∫称为反冲电 子或康普顿电子。图22给出了康普 顿散射原理示意图。散射光子运动方 反冲电子 向与入射光子入射方向之间的夹角B 称为散射角,反冲电了发射方向与人b~M 射光子入射方向夹角φ称为反 冲角 根据能量守恒和动量守恒定律 并利用柑对论的能量和动量公式可以 得到散射光子和反冲电子的能量 图22康音顿散射示意图 Ey、E、φ与之间的关系如下 E y=hv (2-23) 2(1-cos8) En=b2-h=(如)(Ls) (2-24) h tg 当=180°时的康普顿散射称为反散射,这时散射光子的能量最小,反冲电子的能量最 大。对于一定能量的入射光子,9与一对应,且0≤9≤90°,0≤6≤180°,由(224)式可知 反冲电子的能量在0与最大能量之间连续分布。 2.1.2.3电子对产生 当y光子能量大丁1.02MV时,y光子经过与之相互作用物质的原子核附近时,与原子 核发生电磁相互作用,y光子消失而产生一个电子和一个正电子,亦称为电了对,这就是电子 对产生 电子对产生中的正电子和电子与物质的原子又发生相互作用,负电子最终被物质吸收(若 物质厚度大于该电子的射程),正电子在损失其绝大部分能量后和周围物质达到热平衡时与物 质中的一个电子发生湮没,放出两个能量均为0.511MeV的y光子(湮没辐射)。显然,产生 的电f对的能量为 E。+E。=h-2m2c2=hy-1.02MeV 式中E。和E。分别表示正电子和电子的动能。 2.1.2.4X和γ射线的吸收 X和y射线与物质的相互作用不同于带电粒子与物质的相互作用之处是它们与物质作用一 次就可能失去全部能量或大部分能量,故不用射程来描述它们被吸收的情况。对于宽束Y或X)
射线束(即入射到物体中的y(或Ⅹ)射线束包括直接从放射源发射的X(或Ⅹ)射线和由吸收物体 之外的其他物质康普顿散射的y射线),通过厚度为x的物体后,(或X)射线强度I为: 式中:B为大于1的积累因子;I0为入射y(或X)射线强度;pm和分别为物质对入射y(或 x)射线的质量吸收系数和线吸收系数(也称为减弱系数);p为物质密虔。 X和y射线的吸收情况也常用平均自由程R来表示。R是y射线强度减弱到原来的1e 时所需物质厚度,由(227)式可得 R (2-28) 2.1.3中子的探测原理 中子不带电,中子不受库仑场的阻碍,所以很容易靠近原了核或被原子核吸收,而与原子 核发生以下作用过程: 势弹性散射(n,n 弹件散射(n,n) 共振弹性散射(n,n) 弹性散射(n,n’) 产生带电粒f的核反应(n,b) n核复合核钢射俘获(ny 发射多粒子的核反应 核裂变n,f 核反应 直接作用 中问过程 用于中子探测的主要作用过程(或机制)是势弹性散射、产生带电粒子的核反应、和核裂 变。这是因为中子不带电,它进入物质后不能直接引起物质原子的电离或激发,它的探测只能 利用中子与原子核相互作用产生的各种带电粒子或y射线间接探测。通常与屮子发生作用的 原子核称为靶核。 2,1.3.核反冲法 利用中子与物质原子核发生势弹性散射这种作用探测中子的方法常称为核反冲法。 当中子靠近原子核时,受到核力场的作用而被散射,入射中子把一部分能量转移给原子 核,原子核获得反冲能,所以叫做反冲核。散射后的中子运动方向和速度都发生了改变。核反 冲法就是通过探测反冲核这种带电粒子来探测中子的。 若入射中子的能量为En,反冲核获得的反冲能量E反冲为 4m.M E反冲=E cost (2-29) n+ M 式中:M和m分别为原子核和中子质量;0为反冲核飞出方向与中子入射方向之间的夹角。 若用原子核的相对原子质量来代替质量的话,则上式变为 E反冲=E 4A 020
由上式可以看出,A越小,即原子核越轻,则E反饰越人。当A=1时,E反冲最大。所以 在核反冲法中通常都选用氢或含氢物质做靶材料。 2.1.3.2核反应法 核反应法即利用上述的产生带电粒子核反应(n,b),通过探测带电粒f(b表示)来间接探 测中子的方法。 中子不带电,它进入物质后不受库仑场的阻碍,很容易被物质的原子核吸收,而形成复合 核。复合核存在的时间(≈102~10-16)远大于中子直接穿过原子核的时间(≈10-2s),所 以在形成复合核的过程中,入射中子能量的部分转化为复合核的动能,另一部分相对运动能 和人射中子与靶核的结合能Bn一起转化为复合核的激发能E。为: E M+m e. + B (2-31) 若M>》mn,则E≈E+Bn。复合核激发态的衰变方式很多。设B是带电粒子b的结合 能,则只有F>B6时复合核衰变才能放出b粒子。即核反应发射b粒子的条件为 Ec >Bn+Q 又由(2-31)式得 E m 即(n,b)反应的阈能为 M 以上各式中Q为反应能,其他符号同前。 核反应法中,应用最广泛的是以下三种核反应: He+n→-p+T+0.764MeVa=(5327±10)b 6Li+n→→a+T+4.780MeVa=(941±4)b a0B+na+ Li +2.792 Mev (6.1% 0=3837±9b a+Li+2.310 Mev (93.9%) Li→Li+γ+0.478MeV 其中0B(n,a)反应应用最广泛,因为慢中子与10B的反应截面大,反应能也大,产生的a粒 子和Li核能量较大,分别为Q和Q很容易被探测;硼材料容易得到可以用气态BF3,也 可用固态单质硼或氧化硼,并且天然硼中0B的含量也较高,约占18%。6L(n+a)T反应放出 的能量最大,放出的T和g的动能分别为273MeV和2.05MeV以上,也比较容易探测,缺 点是L不存在合适的气态化合物,只能用于固体探测器,而且天然锂中Li的含量只有 7.5%。3He(n,p)T反应截面最大,但放出能量最小,而且天然氦中He含量仅为0.013%,因 此一般仅在探测几十或几百keV能量的中子时应用。 2.1.3.3核裂变法 快中子和热中子都能引发重核裂变,重核裂变生成的几个中等质量原子核称为裂变碎片
裂变碎片是重带电粒子,能使物质原子电离或激发。通过探测裂变碎片探测中子的方法称为 核裂变法。 裂变仔在一个裂变势垒U,不同核素的U不同。由以上讨论可知,发生中子诱发核裂变 的条件应该是 例如对于易裂变核23U,其U小于2U的中子结合能Bn。由(232)式可知,满足E>U条 件,所以热中子能引发2U核裂变。而对于可裂变核8U,其U1大于U的Bn。由(234)式 和(2-31)式,中子诱发核裂变的阈能为: Et(n, f) M+ mn(ur Bo) 裂变碎片具有较大动能,它们可以在探测介质中引起很大的总电离,使探测器输出很大电信 号,因此,裂变法可以在很强的γ本底下探测中子。 2.2气体探测器 利用核辐射在气体、液体或固体中引起的电离效应、发光现象、物理或化学变化进行核辐 射探测的元器件称为核辐射探测器。核辐射进入探测器灵敏体积后与探测介质相互作用,探 测器输岀能够直接或间接地反映核辐射种类、强度、能量或核寿命等的信息。到目前为止,用 于各种目的的核辐射探测器的种类和规格很多,但常用的有三大类:气体探测器、半导体探测 器和闪烁探测器,这三类探测器输出的都是电信号。本节和以下两节将分别讨论。 气体探测器是一个内部充有气体、两电极间(高压极和收集极)加有电场的小室。气体探 测器是最早使用的核辐射探测器,尽管其他探测器发展很快,但是,由于它具有结构简单,使用 方便等优点,至今仍被广泛使用。常用的气体探测器有电离室、正比计数管和盖革一弥勒 ( Geiger-Miiller,称GM)计数管 2.2.1电离室 电离室工作方式有两种脉冲方式和电流方式,前者称为脉冲电离室,后者称为电流电离室。 22.11脉冲电离室 脉冲电离室用来记录单个人射核辐射粒子。其工作原理是一个带电粒子进入脉冲电离室 灵敏体积后,与气体原子或分子相互作用,使气体电离,产生的大量电子和正离子(称为离子 对)在电场作用下向电离室两电极漂移,从而产生一个电流脉冲,在电离室的RC输出电路上 产生一个电压脉冲,最大电压脉冲幅度为5 式中:N为入射带电粒子在电离室灵敏体积内直接使气体电离产生的离子对数;E为人射带 电粒子在电离室内损失的能量;w为电离室内所充气体的平均电离能(产生一个离子对需要 入射带电粒子损失的能量 脉冲电离室输出脉冲较宽(因为正离子漂移速度慢),一般在10-3s量级,这使得它不能用 23
来探测放射源强度很强的放射源。 22,12电流电离室 电流电离室是通过测定单位时间内人射辐核射粒子在电离室内产生的平均电离电流来探 测核辐射的。若单位时间入射的粒子数为nx,每个粒子在电离室内平均的能量损失为E,则 电流电离室输出的平均电流为 (2-37) (2-36)式和(237)式中下角标“饱和”的意义是因为电离室电极间加的电场(通过两电极间电 压实现)不足以引起气体放大但能把核辐射在灵敏体积内产生的电子和正离子全部收集,达 到最大电荷收集数N0,外加电压增加,收集的电荷数不再增加,即电离室输出的Ⅰ不再增加 而达到饱和。这是电离室工作的特点。 2.2.1.3几种常用的电离室 高压电极 常用电离室的结构是平行板形和 外壳 圆柱形(见图23)。这两种电离室均 可以探测α、3、γ、n等核辐射,其输出 电路的时间常数RC》T的为离子 保护环 保护环 脉冲电离室,即可测核辐射强度,又可 测核辐射粒子能量;T<RC<T+的 输出收集电极 为电子脉冲电离室,只能测核辐射强 度。探测中子的电离室常常是在电极 表面涂覆一层含有易裂变核素的物 质,利用核裂变法探测中子,所以称为 裂变电离室;或在电极表面涂硼,利用 中子与B核反应法探测中子。 体 2.2.2正比计数管 集电极(阳极) 正比计数管一般为圆柱形结构 和圆柱形电离室一样,其灵敏体积内 保护环 距中心r处的电场为: 高压极(阴极 e(r)=vol(rIn b 式中:a和b分别是中心阳极和圆筒 形阴极的半径;V为两电极间所加电 压(称为工作电压)。中心阳极的电位 相对于阴极为正电位,当核辐射进入 图23电离室结构和输出电路示意图 正比计数管灵敏体积后,使气体电离 a)平行板形电离室 产生电子和正离子(称为初电离)。电 b柱形电离室