第二章 粒子探测的物理基础 §2-1 带电粒子和物质的相互作用 §2-2 光子和物质的相互作用 §2-3 强子和物质的强相互作用

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1 第二章 粒子探测的物理基础 §2-1 带电粒子和物质的相互作用 §2-2 光子和物质的相互作用 §2-3 强子和物质的强相互作用
第二章 粒子探测的物理基础 §2-1 带电粒子和物质的相互作用 §2-2 光子和物质的相互作用 §2-3 强子和物质的强相互作用 §2-4 高能粒子和物质作用与簇射 2017/3/18 粒子探测

2 §2-1 带电粒子和物质的相互作用 粒子不能被直接观测，只有通过它们与物质的相互作用才能被探测。粒子探测主要是指
记录粒子数目，测定其强度，确定粒子的性质（能量、动量、飞行方向等）。 根据粒子的带电性质分类 带电粒子：、p、e±、±、±、±等 电磁辐射：x射线、射线 中性粒子：n、0、0、等 2017/3/18 粒子探测

3 一、带电粒子电离和激发损失能量 1. 电离和激发
入射带电粒子与物质原子的电子发生库仑相互作用而损失能量，物质原子的电子获得能量。当电子获得能量足以克服原子核的束缚，则电子就脱离原子成为自由电子。这就是电离。电离的结果形成一对正离子和自由电子。若内壳层电子被电离后，该壳层留下空穴，外层电子跃迁来填补，同时放出特征X射线或俄歇电子。 当电子获得能量较少，不足以克服原子核的束缚成为自由电子，将跃迁到较高的能级。这就是原子的激发。处于激发态的原子不稳定，作短暂停留后，将从激发态跃迁回到基态，这就是退激。退激时，释放的能量以荧光的形式发射出来。 2017/3/18 粒子探测

4 电离过程：产生电子-离子对。入射粒子动量 洛仑兹因子 一次散射传递给静止电子的最大动能
激发过程： 退激发原子放出低能荧光光子 电离过程：产生电子-离子对。入射粒子动量 洛仑兹因子 一次散射传递给静止电子的最大动能 低能时，2me/m0<<1，若me<m0，近似有 对其他粒子，任意能量，分母中的平方项均可忽略， 对相对论粒子，Ekin E，pc  E 对轻子， 对电子， 2017/3/18 粒子探测

5 2. 带电粒子能量的电离损失 电离损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致原子电离或激发，是粒子损失动能的主要方式。
电离损失通常把某种物质中粒子通过单位长度所损失的能量称为该粒子在这种物质中的能量损失或称为该物质对这种粒子的阻止本领，用 表示。 大，表明这种粒子在该物质中的电离本领大，即该粒子通过单位长度物质损失的能量较多，即该物质对这种粒子的阻止本领大。 2017/3/18 粒子探测

6 Bethe-Bloch formula Relativistic rise: ln 2 term attribution to relativistic expansion of transverse E field , contributions from more distant collisions. Cancelled by polarization of medium screens more distant atoms. Energy transfer: I  dE  Tmax , I: mean excitation potential I~I0Z, I0=10eV Relativistic rise: ln 2 term Relativistic rise cancelled at high  by “density effect”. Parametrized by   Fermi plateau 2017/3/18 粒子探测

7 Interaction of charge particles
Particles can only be detected if they deposit energy in matter. How do they lose energy in matter? classical 粒子只有在物质中沉积能量才能被探测。 粒子怎样在物质中损失能量？1）入射粒子与物质原子或分子的电子发生电磁相互作用损失能量。2）与电子碰撞散射损失能量。发生多少此碰撞散射？与介质的电子密度NZ成正比。 2017/3/18 粒子探测

8 在入射粒子能量较低时Bethe-Bloch公式
一个有用的常数 在入射粒子能量较低时Bethe-Bloch公式 计算时，能损通常使用的单位是 相应dx单位为g/cm2， 代表面质量密度 为物质密度（单位：g/cm3），ds为长度（单位：cm）。 这样选取单位的好处是能损在很大程度上与物质的具体性 质无关。 2017/3/18 粒子探测

9 电离损失的分布 在厚度为x的介质中，入射粒子的平均电离损失为
当介质厚度较厚时，电离损失分布接近高斯分布；当介质很薄时，由于相互作用的次数少，能量损失的统计涨落很大，电离损失分布很不对称，在能量大的区域有很长的尾巴——朗道分布。 2017/3/18 粒子探测

10 朗道分布 最概然能损 实际能损 与最概然能损之间的偏差 j=0.2，ξ=(K/2)z2(Z/A)(x/β2)MeV，x单位g/cm2
能损分布中对应最大概率处的能损 薄层吸收体中能量损失的分布 2017/3/18 粒子探测

11 电子 入射带电粒子与介质相互作用能量损失过程中因碰撞而击出能量很高的电子，它可以继续与其他介质原子相互作用产生次级电离。
δ电子产生的概率很小，其能谱表达式 要求 ，ξ定义同前。 当T<<Tmax时，F是一个与入射粒子自旋有关的量，大小约为1。只有在趋近最大可转移动能时，自旋对F的影响才显著，且此时能谱趋近于零（F0），因而F也受到运动学约束的限制。 当带电粒子一次通过相互作用次数很多时，能损分布满足泊松分布或高斯分布， 要求x很长。 入射粒子一次通过相互作用次数很少时，能损分布满足郎道分布 2017/3/18 粒子探测

12 截断平均能损 例： 50MeV的质子，速度~1/3， 在通过1g.cm-2闪烁体时，电离损失基本呈泊松分布。
而1GeV的子通过10g.cm-2闪烁体时，电离损失则是 郎道分布。此时 由于探测器灵敏体积有限，电子可能沉积部分能量飞出探测器， 所测能量小于粒子实际损失能量。考虑转移动能小于某个阈值 截断平均能损 2017/3/18 粒子探测

13 子在硅中的Bethe-Bloch能损以及两个不同截断能量下的能损
考虑密度效应后，电离和激发能损随能量增加趋于饱和——费米坪 2017/3/18 粒子探测

14 小结 2）电离损失与入射粒子的电荷数z2成正比。 3）电离损失与粒子速度有关，在 区间，目前尚无令人满意的理论解释，只能依赖唯象拟合公式。
1）公式不包含入射粒子质量，即电离损失与入射粒子质量无关。电荷和速度相同的粒子在同一种物质中电离损失相同。 2）电离损失与入射粒子的电荷数z2成正比。 3）电离损失与粒子速度有关，在 区间，目前尚无令人满意的理论解释，只能依赖唯象拟合公式。 4）对于能量很低的粒子，当其运动速度与原子中电子的速度相当时，公式不再适用。当粒子运动速度 (为精细结构常数)时，能损正比于。例慢速质子在硅中的能损为 5）对 ，Bethe-Bloch公式均可适用。 在非相对论性速度时，能损与速度平方成反比。 2017/3/18 粒子探测

15 7）在>4后，能量损失又开始缓慢上升，称作相对论上升。
6）随着入射粒子能量的增加，电离损失很快减小，当1，电离损失达到一个很宽范围的极小值区域。这个极小值区域最低点在~3－4附近，且与介质无关。大多数相对论性粒子的能量损失与这个最低点的值很接近。称最小值处的能量损失为最小电离，把能量损失为最小值的粒子称为最小电离粒子(Minimum Ionizing Particles或MIP)。 7）在>4后，能量损失又开始缓慢上升，称作相对论上升。 8）随着能量继续增加，由于原子核外电子电荷密度的屏蔽效应，能量损失趋于饱和，物质中沉积的能量接近一个常数，称作费米坪。 9）当粒子能量很高时，轫致辐射能量损失开始起重要作用。 2017/3/18 粒子探测

16 二、带电粒子通过介质时的多次库仑散射 库仑散射当入射粒子与介质原子的最近距离小于原子半径(10-8cm)时，受介质原子核库仑场作用，运动轨迹发生偏转，这种现象称为库仑散射。 Rutherford散射公式 对小角度散射截面很大。带电粒子穿过厚的介质时将发生多次小角度库仑散射。这些小角度散射是彼此独立的，粒子穿过整个介质层最终的偏转角是这些小角度散射的总效果。 2017/3/18 粒子探测

17 多次库仑散射的分布可以由Molliere理论描述。理论证明对小角度散射其分布近似为高斯分布，较大角度偏转为Rutherford散射。
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18 经验公式 P入射粒子动量, 单位MeV/c；X0介质的辐射长度, x/X0以辐射长度为单位的介质厚度。
进一步简化， 要减少散射本底，应选用原子系数低的材料做放射源衬托、支架和屏蔽室的内层材料。 P入射粒子动量, 单位MeV/c；X0介质的辐射长度, x/X0以辐射长度为单位的介质厚度。 2017/3/18 粒子探测

19 三、 轫致辐射（Bremsstrahlung）
轫致辐射当入射带电粒子与介质原子的最近距离比原子半径~10-8cm小，而又比核半径~10-13cm大时，在核库仑场中受到库仑散射，使其运动减速，轨迹发生偏转，并伴随弱的电磁辐射。 轫致辐射能量损耗 平均能量损失 电子的轫致辐射能损 E>>mec2/αZ1/3 2017/3/18 粒子探测

20 初始能量为E0的电子穿过厚度为x(g.cm-2)的介质后的平均能量为:
则 初始能量为E0的电子穿过厚度为x(g.cm-2)的介质后的平均能量为: 当介质厚度x=X0时，电子在介质中因辐射损失而使能量减低到初始能量的1/e，称X0为介质的辐射长度。 当介质为化合物或混合物时，有： Xi第i种成分的辐射长度，wi第i种成分的权重因子，重量百分比。 经验公式 2017/3/18 粒子探测

21 临界能量Ec：电离能损等于轫致辐射能损所对应的入射粒子能量。Rossi定义：快速带电粒子在介质中通过一个辐射长度后仅由电离而损失的能量。
对固体介质 E>Ec，轫致辐射损失为主 E<Ec，电离损失为主 轫致辐射的能量损失与入射粒子质量M2成反比 重带电粒子质量比电子大很多，通过原子核附近时，偏转较小，加速度较小，所以轫致辐射损失较小。其在介质中的轫致辐射是速度相同的电子的 倍。 轫致辐射的能量损失与介质的原子系数Z2成正比 实际工作中为了减少电子的轫致辐射本底，选用Z小的物质，如塑料、铝等材料做放射源的托片核支架。 轫致辐射的发射角 朝前方向 2017/3/18 粒子探测

22 临界能量两种定义 2017/3/18 粒子探测

23 几种常用介质的辐射长度和临界能量 介质 X0(g.cm-2) Ec (MeV) H2 63 350 Al 24 40 Ar 20 35 Fe
13.8 20.7 Pb 6.4 7.4 铅玻璃SF3 9.6 ~13 Plexiglass 40.5 88 H2O 36.1 83 碘化钠NaI(Tl) 9.5 12.5 锗酸铋BGO 8.0 ~7 2017/3/18 粒子探测

24 四、切伦科夫辐射Cherenkov radiation
切伦科夫辐射快速带电粒子穿过均匀透明的介质，其速度大于光在该介质中的相速度v>c/n时就会产生切伦科夫辐射。 产生机理：介质原子或分子的极化与退极化； 电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。 产生条件： （1）快速带电粒子做匀速运动，且 （2）均匀透明的介质 （3）满足 在与粒子运动方向成角的 方向上电磁辐射相干加强，才能观测到。 2017/3/18 粒子探测

25 切伦科夫辐射的特点 （1）切伦科夫辐射角 （2）阈速度 （3）阈动能 （4）最大辐射角 （5）有连续的可见光 2017/3/18 粒子探测

26 五、 穿越辐射 穿越辐射当带电粒子能量很高时穿越两种介电常数不同的介质交界面时发生的辐射。
带电粒子穿越两种介质时，所携带电荷与其镜像电荷在不同介质中建立的电磁场是不同的，在穿越界面的瞬间出现的电磁场的改变，导致了X光的辐射。 常用材料是苯乙烯和类似的介质。 穿越辐射能量与入射粒子的因子成正比。 典型的发射角 辐射光谱从可见光到X光区。 2017/3/18 粒子探测

27 EP介质中等离子体能量，E穿越辐射光子能量 由于饱和效应，最大形成区厚度:
穿越辐射的形成区厚度 EP介质中等离子体能量，E穿越辐射光子能量 由于饱和效应，最大形成区厚度: 粒子能量，正比于＝E/m。根据穿越辐射总能量的差别可以鉴别相对论性粒子。 由于穿越辐射很弱，用多层介质叠起来使用。 Ω为介质的等离子体频率，N为介质中的电子密度，r是经典电子半径，a是波尔半径。对苯乙烯之类介质，根号近似等于0。8 ， 则hω20eV 2017/3/18 粒子探测

28 六、同步辐射（Syncrotron Radiation）
同步辐射电子在磁场中偏转时相当于受到加速而发出的辐射称为同步辐射。 辐射能量电子在磁场中偏转的轨道曲率半径为，则一个相对性单能电子每转一圈辐射的能量 电子的同步辐射比相同动量的重粒子的严重得多。电子和质子的同步辐射能量损失之比为 同步辐射是新的光源 2017/3/18 粒子探测

29 在电子回旋的轨道平面内，辐射能量主要是沿切线方向，平均辐射角
电子的能量越高，同步辐射越显著。 具有连续的能谱。 在电子回旋的轨道平面内，辐射能量主要是沿切线方向，平均辐射角 同步辐射作为新一代光源，具有以下优点： （1）功率大 （2）单色性好 （3）流强连续可调 2017/3/18 粒子探测

30 七、带电粒子的射程——能量关系 射程带电粒子在某种物质中运动到最后静止所经过的距离，用R表示。
能量大质量小的粒子在电子密度小的吸收物质中的射程长。 平均射程使带电粒子计数下降到正好是没有吸收体时的带电粒子计数一半的吸收体厚度，用R0表示。 外推射程吸收曲线的下降直线部分延长与X轴相交对应的射程， 用R外推表示。 等效射程Rm=R，单位g/cm2， 吸收物质密度 2017/3/18 粒子探测

31 射程歧离：初始能量相同的单个粒子的路径长度的涨落。
在薄吸收体中的能量损失 吸收体厚度 2017/3/18 粒子探测

32 能量相同的同一种重粒子在给定的物质中具有基本相同的固定射程。 粒子径迹
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33 电子（0.5MeV≤E≤5MeV)在铝中的射程：
射程与粒子能量关系（经验公式） 在标准状态空气中 质子 粒子 粒子在其他介质中的射程，近似有 电子（0.5MeV≤E≤5MeV)在铝中的射程： 2017/3/18 粒子探测

34 能量大于10GeV的子在岩石(Z=11,A=22)中的射程
高能子的射程 能量为1TeV的子在铁中的射程达265m。 能量大于10GeV的子在岩石(Z=11,A=22)中的射程 2017/3/18 粒子探测

35 2017/3/18 粒子探测

36 2017/3/18 粒子探测

37 小结 带电粒子与物质原子的相互作用主要是与物质原子的核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子的电离或激发，是带电粒子通过物质时损失能量的主要方式。
利用电离或激发效应来记录入射粒子是绝大多数探测器的物理基础。它们的差别在于记录方式不同，大致分为三类： （1）收集电离电荷的探测器主要收集电离效应产生的大量正负离子，记录它们的电荷所形成的电压或电流脉冲。这类探测器必须加上适当的工作电压，形成电场以有效收集电荷。如气体探测器、半导体探测器。 2017/3/18 粒子探测

38 （3）利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室等。
（2）收集荧光的探测器，被带电粒子激发的原子退激时发出荧光。由于荧光很弱，需要通过一定的转换放大，即把光脉冲转换成较大的电脉冲——光电倍增管。如闪烁计数器等。 （3）利用离子集团作为径迹中心的探测器，径迹探测器。如核乳胶、云室、气泡室、火花室等。 （4）收集切伦科夫辐射的探测器，切伦科夫探测器。 （5）收集记录穿越辐射的探测器，穿越辐射探测器。 韧致辐射和同步辐射是附加产物，对高能电子探测器必须考虑它们的影响。 2017/3/18 粒子探测

39 §2-2 光子和物质的相互作用 射线与物质的相互作用主要有三个过程：光电效应、Compton－Wu效应和电子对产生。产生的次级带电粒子被探测器记录，射线被间接探测。 射线穿过物质时其强度按指数衰减规律衰减。 I0入射光子束强度，为物质 对光子 的吸收衰减系数，x为物质厚度。 若=/，t=x 质量厚度，  为光子的质量衰减长度 或光子的平均自由程，则 2017/3/18 粒子探测

40 射线与物质发生三重相互作用都具有一定的几率，用截面表示。
定义： 表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生作用的几率，单位靶恩（b） 1b=10-24cm2 吸收衰减系数与光子的各种相互作用过程的截面有关。 发生作用光子数（s－1 cm－2） 靶物质原子数（cm－2） 入射光子数（s－1 cm－2） i为第i种过程的作用截面， A为原子量， NA为阿伏加德罗常数 2017/3/18 粒子探测

41 一、光电效应 光电效应低能光子被介质原子吸收而放出电子的效应。 光电子能量 hv为入射光子能量，Ei为第i壳层电子的结合能
原子退激发时发射特征X射线或俄歇电子。 入射光子  原子 光电子 hv 俄歇电子 L K 原子核 2017/3/18 粒子探测

42 X射线谱 L限 K限 吸收限 光子能量 光电质量衰减系数 X射线吸收限 X射线谱 2017/3/18 粒子探测

43 3）当射线能量接近电子的结合能时，光电效应截面最大。光子与原子内层电子作用.
射线与物质原子发生光电效应的总截面 1）重元素的光电效应比轻元素强得多； 2）低能射线比高能射线强得多； 3）当射线能量接近电子的结合能时，光电效应截面最大。光子与原子内层电子作用. 2017/3/18 粒子探测

44 二、康普顿－吴有训效应 光子与原子外层电子作用, 可看作在自由电子上的散射。 Compton wavelength 2017/3/18
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45 根据能动量守恒 散射光子能量 反冲电子能量 入射光子  核外电子 出射电子 E  出射光子 2017/3/18 粒子探测

46 反冲角和散射角之间关系 2017/3/18 粒子探测

47 Compton wavelength Compton-Wu效应的散射截面 对有Z个电子的原子，其散射截面 2017/3/18 粒子探测

48 Compton-Wu散射反冲电子能谱 2017/3/18 粒子探测

49 三、电子对效应 电子对效应： 光子从原子核旁经过，当光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV时，在原子核库仑场作用下，光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射光子能量。 对一定能量的入射光子电子对效应产生的正负电子的动能之和为常数，但就电子或负电子而言其动能从0－2mec2都有可能，动能分配是任意的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。 入射光子 原子核 正负电子对 E E+ E- e+ e- 2017/3/18 粒子探测

50 电子对效应与湮灭辐射 2017/3/18 粒子探测

51 发生湮灭时，能动量守恒。正负电子动能为0，所以两个湮灭光子的总能量等于正负电子的静止质量
电子对湮灭 电子对效应产生的正负电子在吸收物质中通过电离损失和韧致辐射损失能量。正电子很快被慢化。正电子与物质的电子相互作用转化为两个光子的现象称作电子对湮灭。 发生湮灭时，能动量守恒。正负电子动能为0，所以两个湮灭光子的总能量等于正负电子的静止质量 湮灭前正负电子总动量为0， 湮灭后两个光子总动量也为0 。 电子对效应的截面 2017/3/18 粒子探测

52 小结 光电效应、康普顿效应是光子与核外电子的作用结果，电子对效应是光子与原子核电磁场的作用结果。三种效应相互竞争，可能同时存在。
三种效应的相对重要性 对低能射线和原子序数高的物质光电效应占优势； 对中能射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势； 对高能射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。 2017/3/18 粒子探测

53 在三种效应中，每个光子都是在一次作用中就损失其全部能量或相当大部分能量，并发射出电子。正是这些电子使得探测射线成为可能。
光电效应和电子对效应所发射的次级电子的能量单一，因此探测射线应选用Z尽可能大的材料做探测器。 2017/3/18 粒子探测

54 五、X (γ)射线的吸收 当线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度逐渐减弱。 2017/3/18 粒子探测

55 射线的吸收 吸收系数 2017/3/18 粒子探测

56 §2-3 强子与物质的强相互作用 一、强相互作用 高能强子通过介质与原子核发生弹性散射和非弹性散射。
§2-3 强子与物质的强相互作用 一、强相互作用 高能强子通过介质与原子核发生弹性散射和非弹性散射。 能量在GeV以上的质子－质子散射总截面趋于常数50mb。1mb=10-27cm2 在低能区随能量不同，弹性散射和非弹性散射截面有较大变化。p52 表2.3.1 核作用长度I 核碰撞长度T 2017/3/18 粒子探测

57 强子截面与能量相关，对不同的强相互作用粒子也不同。
计算吸收长度和相互作用程度时，一般假设非弹性散射截面和总截面不随能量变化，也不因粒子种类而改变。 Z6的物质的吸收长度和相互作用长度都大于辐射长度X0 计算发生强相互作用几率 设N是每个核子的相互作用截面，则单位面质量密度发生一次相互作用的几率为： [g-1cm2]=NNA 若已知原子截面A，则 [g-1cm2]=ANA/A 2017/3/18 粒子探测

58 二、中子与物质的强相互作用 中子与物质相互作用主要是中子与原子核的强相互作用，即核反应。探测中子就是探测中子与原子核发生核反应产生的次级粒子。 中子不带电，不受库仑斥力影响，容易进入原子核发生核反应。 通过探测中子与物质相互作用的次级产物来探测中子。 不同能量中子的探测原理和探测器不同。 2017/3/18 粒子探测

59 1、核反冲法 核反冲法是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。这减少的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，该核称作反冲核。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子记录。记录了反冲核，就探测到中子。 该方法主要用于探测快中子。 由能动量守恒，对En<30MeV的中子，反冲核获得的动能 En 入射中子 En’ 散射中子 E反冲 反冲核   M原子核质量 反冲角 2017/3/18 粒子探测

60 由此可见，反冲核越小获得的能量越大。当＝0， A＝1时，E反冲＝En，最大。
若以质量数代替质量，则mn=1, M=A 由此可见，反冲核越小获得的能量越大。当＝0， A＝1时，E反冲＝En，最大。 反冲质子法 选用含氢物质做辐射体，此时反冲核就是质子。实际中常用石蜡、水等含氢物质作为中子慢化剂。 核反冲法探测中子时应选择轻核物质做靶材料。如氢、甲烷等气体，有机玻璃、有机晶体、塑料等固体。 核反冲可以测量快中子能量。当一定时， E反冲正比于En。实际中测量沿入射中子束方向张角为±10度的反冲质子，此时探测器接收到的质子数较多，反冲质子的能量粗略地等于入射中子能量。 2017/3/18 粒子探测

61 2、核反应法 核反应法主要用于测量慢中子通量。个别情况下也可测量快中子能谱。
中子通量：单位时间通过单位面积的中子数。中子与原子核反应作用数目与中子通量成正比。 原子核反应用方程式表示： a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q 或简写成 A（a，b）B 实验表明任何一个核反应，箭头两边的总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系的总能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。 Q值>0的反应，放热反应； Q值<0的反应，吸热反应。 2017/3/18 粒子探测

62 都是放热反应，反应放出的能量变成次级粒子的动能。0是热中子的反应截面，都很大。
目前应用最多的三种核反应： 都是放热反应，反应放出的能量变成次级粒子的动能。0是热中子的反应截面，都很大。 不同动能中子在239Pu中的总反应截面 2017/3/18 粒子探测

63 p56-57 表2.3.2给出一些常用材料的中子反应截面。 实际应用最广的是 反应。因为硼材料比较容易得到，气态可选用BF3气体，固态有氧化硼、碳化硼等。天然硼中10B 含量较高，易浓缩。中子与 10B 反应有两个过程： 2017/3/18 粒子探测

64 3、核裂变法 核裂变法就是通过记录中子与重核作用产生的裂变碎片来探测中子的方法。 探测不同能量的中子选用不同的裂变材料
对热中子和慢中子选235U(=528b)，239Pu (=743b) ，233U (=531b)。裂变时放出能量很大，大约是200 MeV，两个裂变碎片共带走170MeV的能量。入射中子能量远小于它，故该法不能测量中子能量，主要测量中子通量。 核裂变法特点是放出反应能很大，所以本底对测量没有影响，可以在强本底下测量中子。 许多重核只有在入射中子能量大于某个阈值后才能发生裂变。利用一系列不同阈能的裂变元素来判断中子的能量，这种探测器称为阈探测器。 2017/3/18 粒子探测

65 常用裂变阈探测器材料特性 裂变材料 热中子裂变截面（mb) 阈能 （MeV） 3MeV时裂变截面（mb) 半衰期（y) 232Th
231Pa 234U 236U 238U 237Np 209Bi <0.2 10 <0.6 － <0.5 19 1.75 0.5 0.4 0.8 1.45 0.75 50 0.19 1.1 1.5 0.85 0.55 1.41×1010 3.28×1010 2.45×105 2.34×107 4.47×109 2.14×106 2017/3/18 粒子探测

66 4、活化法 活化法是中子辐照样品，使之发生核反应，生成具有一定寿命的放射性核素，放射性核素通过发射射线或射线回到稳定核。这种俘获中子，辐射射线或射线的过程称为辐射俘获，亦称活化。 例用115In做激活材料，受中子照射后， 新生成的核素一般都不稳定， 116In就是放射性的， 测量经中子辐照后材料的放射性，就可以知道中子强度。 活化法有广泛应用，很多、放射性核素就是利用这种方法在反应堆中照射生成的。 2017/3/18 粒子探测

67 活化分析方法是通过分析样品俘获中子后产生的放射性来实现对样品成分的非破坏性分析。 活化法具体操作过程
设活化靶为薄片，单位时间单位面积1cm2靶物质俘获中子数 每个原子的有效俘获截面，d靶厚 N单位体积1cm3中靶原子数，ƒ中子通量 中子辐照靶时，一方面靶中放射性核不断增加，另一方面生成的放射性核按一定的半衰期衰变。只要中子辐照时间远大于激活放射性的半衰期，则放射性增长将达到平衡饱和状态。此时饱和放射性等于单位时间内生成的放射性核数，等于中子被俘获数。测量单位面积1cm2靶发射的饱和放射性数As，就可知中子通量。 照射 t t1 测量 t t 放入 取出 开始测 停止测 2017/3/18 粒子探测

68 §2-4 高能粒子和物质作用与簇射 当入射粒子能量很高时，相互作用变得更复杂，一个显著的特点是：高能粒子与物质原子相互作用会产生越来越多的各种基本粒子的现象——高能簇射。 电磁簇射： 高能簇射 强子簇射： 高能电子或光子与介质原子相互作用产生电子－ 光子－电子的级联过程 高能强子与介质强相互作用产生次级强子的级联过程 Electron shower in a cloud chamber with lead absorbers 2017/3/18 粒子探测

69 一、电磁簇射 电磁簇射：高能电子或光子通过介质，发生相互作用，高能电子韧致辐射产生光子， 高能光子产生正负电子对，正电子湮灭产生一对光子……，这样不断发生电子－ 光子－电子的级联过程，产生大量电子和光子的现象。随着穿入介质厚度的增加，次级粒子的数目急剧增加，而每个电子、 光子的能量逐渐减小，减至光子能量不能再产生电子对时，簇射停止。电子通过电离损失能量， 光子主要通过康普顿散射损失能量，最后被介质吸收。 2017/3/18 粒子探测

70 临界能量Ec： 电磁簇射纵向发展 对电子 E > Ec时，粒子以辐射损失能量为主 E < Ec时，粒子以电离损失能量为主
Monte-Carlo模拟。可用CERN的GEANT4程序包来模拟计算。 对电子 2017/3/18 粒子探测

71 Electromagnetic Shower
Energy loss by Bremsstrahlung (charge particles) Effect plays a role only for e± and ultra-relativistic µ (>1000 GeV) 辐射长度Xo：高能电子由于韧致辐射损失能量，其平均能量 减小到原初能量的1/e时所通过介质的平均厚度。 近似有 2017/3/18 粒子探测

72 电磁簇射能量沉积的平均纵向发展分布可用amma分布描述
簇射极大值位置 电磁簇射的横向发展 用莫里埃（Moliere）半径来描述。 在混合物中 2017/3/18 粒子探测

73 二、强子簇射（ Hadron Shower）
高能强子通过介质，与介质原子核发生强相互作用，产生多个次级强子,高能次级强子继续相互作用，产生更多的次级粒子：强子、电子、 光子、中子、子、中微子、核碎片等，其中大多数是介子和核子，约消耗原初粒子能量的一半。 2017/3/18 粒子探测

74 Hadronic cascades Various processes involved. Much more complex than
electromagnetic cascades. 2017/3/18 粒子探测

75 Hadron Shower The interaction of energetic hadrons (charged or neutral) with matter is determined by inelastic nuclear processes. Excitation and finally break-up of nucleus→ nucleus fragments production of secondary particles. Hadronic absorption length Hadronic interaction length neutron induced fission En ~Eth ~ 1/40 eV inelastic reactions hadronic cascades En > 1 GeV 2017/3/18 粒子探测

76 Material Z A X0(cm) λI(cm) Lead 82 207 0.56 17.1
Copper Iron Silicon Al C He(gas) E E5 2017/3/18 粒子探测