2023辐射检测测量相关知识
辐射测量技术
知识介绍
物质中的辐射相互作用
出于讨论的目的,方便地将各种类型的电离辐射分为两大类:携带电荷的电荷辐射和不携带电荷的电离辐射。第一组是通常被视为单个亚原子带电粒子的辐射。例如,这种辐射表现为在某些不稳定的重原子核衰变中自发发射的α粒子。这些α粒子由两个质子和两个中子组成,并带有两个单位的正电荷。另一个例子是在某些放射性原子核的衰变中也发出的β-负辐射。在这种情况下,每个核衰变都会产生一个快速电子,该电子带有一个单位的负电荷。相比之下,还有其他类型的电离辐射不带电荷。常见的例子是伽马射线,它可以表示为高频电磁光子,以及中子,它们通常被描述为不带电荷的亚原子粒子。在下面的讨论中,术语量子通常用于表示单个粒子或光子,无论其类型如何。
只有带电辐射与物质连续相互作用,因此它们是本文描述的设备中唯一可直接检测到的辐射类型。相比之下,不带电的量子必须首先经历一次重大的相互作用,将其全部或部分能量转化为二次带电辐射。然后可以通过研究产生的带电粒子来推断原始不带电辐射的性质。这些主要的相互作用很少发生,因此在这种相互作用发生之前,不带电的辐射穿过固体材料数厘米的距离并不罕见。因此,设计用于有效检测这些不带电量子的仪器往往具有相对较大的厚度,以增加在探测器体积内观察这种相互作用结果的可能性。
重带电粒子的相互作用
术语重电粒子是指那些质量为一个原子质量单位或更大的高能粒子。这一类包括α粒子,以及质子、氘子、裂变碎片和其他通常在加速器中产生的高能重粒子。这些粒子携带至少一种电子电荷,它们主要通过存在于粒子上的正电荷和作为吸收材料一部分的电子上的负电荷之间的库仑力与物质相互作用。在这种情况下,两个相反的电荷之间的力很有吸引力。当带电粒子通过吸收器中的电子附近时,它会将其动量的一小部分传递给电子。结果,带电粒子略微减速,电子(最初几乎处于静止状态)吸收了一些动能。在任何给定时间,带电粒子同时与吸收材料中的许多电子相互作用,所有库仑力的最终结果就像粒子上的粘性阻力一样。从它进入吸收器的那一刻起,粒子就会不断减速,直到停止。因为带电粒子的质量是与之相互作用的电子的数千倍,所以当它静止时,它从直线路径的偏转相对较小。粒子停止之前经过的时间范围从固体或液体中的几皮秒(1 × 10-12 秒)到气体中的几纳秒(1 × 10-9 秒)。这些时间足够短,因此对于许多目的,停止时间可以被认为是瞬时的,并且在以下描述辐射探测器响应的章节中假设了这种近似值。
粒子减速过程的几个特征对于理解辐射探测器的行为很重要。首先,粒子在停止之前行进的平均距离称为其平均范围。对于给定的材料,平均范围随着带电粒子的初始动能的增加而增加。在常温常压下,初始能量为几MeV的带电粒子的典型值在固体或液体中为数十或数百微米,在气体中为几厘米。第二个属性是粒子轨迹(路径)上给定点的特定能量损失。该量测量材料中每单位光程 (dE/dx) 沉积的差能量;它也是粒子能量的函数。一般来说,随着粒子减速并失去能量,dE/dx值趋于增加。因此,能量沿着粒子的轨迹沉积在吸收器中的密度随着粒子的减速而增加。带电粒子的平均dE/dx值相对较大,因为它们的射程很短,它们通常被称为高dE/dx辐射。
快速电子的相互作用
高能电子(例如β-负粒子)由于携带电荷,因此也通过库仑力与吸收材料中的电子相互作用。在这种情况下,力是排斥力而不是吸引力力,但最终结果与重带电粒子观察到的结果相似。快速电子经历许多同时库仑力的累积效应,并经历连续减速,直到停止。与重电粒子相比,对于等效的初始能量,快电子行进的距离要大很多倍。例如,在标准条件下,初始能量为 1 MeV 的 β 粒子在典型固体中传播 1 或 2 毫米,在气体中传播数米。此外,由于快速电子的质量比重电粒子小得多,因此它更容易沿其路径偏转。典型的快速电子轨迹与直线有很大偏差,并且通过大角度的偏转并不少见。因为一个快速电子在给定材料中的传播距离可能是具有相同初始能量的重电粒子的 100 倍,所以它的能量沿其轨道沉积的密度要小得多。因此,快电子通常被称为低 dE/dx 辐射。
与重电粒子相比,快电子的能量损失还有一个显着差异。在经历大角度偏转时,快速电子可以以称为轫致辐射或制动辐射的电磁辐射的形式辐射其部分能量。这种形式的辐射通常落在光谱的 X 射线区域内。对于轻质材料中的低能电子,以轫致辐射形式损失的快电子能量的比例小于1%,但对于高原子序数材料中的高能电子,则比例要大得多。
伽马射线和X射线的相互作用
电离辐射也可以采取电磁射线的形式。当被激发原子发射时,它们被命名为 X 射线,其量子能量通常测量为 1 到 100 keV。当被激发的原子核发射时,它们被称为伽马射线,特征能量可以高达几MeV。在这两种情况下,辐射都以电磁能光子的形式出现。由于光子不带电,它不会通过库仑力相互作用,因此可以在物质中穿过很远的距离而不会产生明显的相互作用。相互作用之间的平均行进距离称为平均自由程,在固体材料中,范围从低能X射线的几毫米到高能伽马射线的几十厘米不等。然而,当相互作用确实发生时,它是灾难性的,因为一次相互作用可以深刻影响光子的能量和方向,或者可以使其完全消失。在这种相互作用中,全部或部分光子能量被转移到吸收材料中的一个或多个电子。因为这样产生的二次电子是高能的和带电的,所以它们的相互作用方式与前面描述的初级快电子大致相同。存在原始 X 射线或伽马射线的事实由二次电子的出现表示。通过测量这些电子的能量,可以推断出入射光子携带的能量信息。下面将讨论这种相互作用的三种主要类型。
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