本文格式為Word版，下載可任意編輯——核輻射物理與探測學(xué)復(fù)習(xí)核輻射物理與探測學(xué)復(fù)習(xí)

注：本提綱中的問題覆蓋范圍并不完備，因此不能完全替代書本復(fù)習(xí)，僅作參考之用！

一、關(guān)于載流子

1)無論是氣體探測器，還是閃爍、半導(dǎo)體探測器，其探測射線的本質(zhì)都是將射線沉積在探

測器靈敏體積內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換為載流子。這三種探測器具有不同的載流子，分別是：氣體（），閃爍體（），半導(dǎo)體（）；答：

?氣體：電子－離子對；

?閃爍體：第一個打拿極收集到的光電子；?半導(dǎo)體：電子－空穴對；

2)在這個轉(zhuǎn)換過程中，每產(chǎn)生一個載流子都要消耗一定的能量，稱之為（），對于三種探測

器來說，這個能量是不同的，分別大約是多少？氣體（），閃爍體（），半導(dǎo)體（）。這個能量是大些好，還是小些好？為什么？答：

?平均電離能；30eV，300eV，3eV；

?這個能量越小越好，由于平均電離能越小，產(chǎn)生的載流子就越多，而載流子的數(shù)目

聽從法諾分布，載流子越多則其數(shù)目的相對漲落越小，這會導(dǎo)致更好的能量分辯率；3)在這個轉(zhuǎn)換過程中，射線沉積在探測器中的能量是一個（）變量，而載流子的數(shù)目是一個（）變量，載流子的數(shù)目是不確定的，它聽從（）分布，該分布的因子越是大些好，還是小些好？為什么？答：連續(xù)型變量；離散型變量；法諾分布；法諾因子越小越好，小的法諾因子意味著小的

統(tǒng)計漲落，導(dǎo)致好的能量分辯率；

二、關(guān)于探測效率

1)對于不帶電的粒子（如γ、中子），在探測器將射線沉積在其靈敏體積中的能量轉(zhuǎn)換為載

流子之前，還需要經(jīng)歷一個過程，假使沒有該過程，則探測器無法感知射線。以γ射線為例，這個過程都包含哪些反應(yīng)（）？這個過程的產(chǎn)物是什么（）？對于1個1MeV的入射γ射線，請隨便給出一個可能的該產(chǎn)物能量（）？答：

?對于γ射線，這些反應(yīng)包括光電效應(yīng)、康普頓散射以及電子對效應(yīng)（假使γ射線的

能量>1.022MeV）；

?這些反應(yīng)的產(chǎn)物都是次級電子；

?對于1個1MeV的γ射線，次級電子的能量可以是幾十keV～幾百keV，也可以是接

近1MeV；2)這個過程發(fā)生將主要地決定探測器的探測效率，那么影響探測效率（本征）的因素都有

哪些（）？在選擇探測器的時候，為了得到高的探測效率（本征），應(yīng)當(dāng)做什么考慮（）？

答：

?影響本征探測效率的因素有：探測器的原子序數(shù)、密度、體積、形狀，以及γ射線

的能量，甚至還包括射線射入探測器的位臵、角度；

?在選擇探測器時，為了得到高的本征探測效率，應(yīng)選中擇那些原子序數(shù)高、密度大

的探測器，探測器的體積要大并且探測器的形狀合理（例如正圓柱形）；3)絕對探測效率和本征探測效率的區(qū)別是什么？

答：

?絕對探測效率考慮的是對每一個源發(fā)射出的粒子，探測器測量到的計數(shù)值；?本征探測效率考慮的是對每一個射入探測器的粒子，探測器測量到的計數(shù)值。?絕對探測效率是整個探測系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)的綜合表現(xiàn)；而本征探測效率則主要反映

了探測器的特性；

三、關(guān)于能量分辯率

1)能量分辯率是探測器的一項重要指標(biāo)，但能量分辯率并不是一個特定的量，當(dāng)我們說某

個探測器的能量分辯率是多少的時候，需要指定條件，這個（些）條件是（）。答：

?需要指定這是對哪個能量說的。譬如，當(dāng)我們說某個NaI(Tl)探測器的能量是7%的

時候，指的是對662keV的γ射線能量，假使是對于1.33MeV的γ射線，就不再是7%了，而是要小一些；2)能量分辯率是個絕對的概念還是相對的概念（）？

答：

?是個相對的概念，能量分辯率的分子是全能峰的半寬度，分母是全能峰能量的期望

值；3)對于某個確定的探測器，能量分辯率與靈敏體積內(nèi)沉積能量的關(guān)系是什么（）？答：

?假使僅僅考慮載流子的統(tǒng)計性問題，則能量分辯率與靈敏體積內(nèi)沉積能量的關(guān)系是

反比于E的1/2次方；4)雖然我們希望能量分辯率越小越好，但實際上它總是受統(tǒng)計漲落限制的，不可能無限小。

請從載流子的角度描述，這個限制是什么？答：

?一個確定的射線能量經(jīng)過帶電粒子在探測器內(nèi)的電離過程，變成了數(shù)目不等的載流

子，載流子的的數(shù)目聽從法諾分布；當(dāng)載流子數(shù)目的期望值N較大時，它將表現(xiàn)為一個期望值為N，sigma為sqrt(FN)的高斯分布，由此決定的能量分辯率為2.355×sqrt(F/N)；

?這個分辯率是無法再被改善的，是分辯率的極限，實際中還要考慮其它因素對能量

分辯率的影響，因此能量分辯率還要更差。

四、射線與物質(zhì)相互作用

1)帶電粒子在射入某個物質(zhì)時，可以與物質(zhì)發(fā)生四種類型的作用，分別是（）？雖然從微

觀上看，帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生的每次相互作用的效果是（）的，但是從宏觀上看，我們可以認(rèn)為帶電粒子在進入介質(zhì)中之后，一定和介質(zhì)發(fā)生了相互作用。答：

?帶電粒子使原子核外電子電離或激發(fā)；帶電粒子受到原子核庫侖力時發(fā)生的軔致輻

射；帶電粒子與原子核發(fā)生的彈性碰撞；帶電粒子與原子核外電子發(fā)生的彈性碰撞（實際相當(dāng)與整個原子）；

?帶電粒子與物質(zhì)發(fā)生的每次相互作用都是隨機的（例如，碰撞參數(shù)不同，導(dǎo)致其傳

遞給電子的能量就是不同的）；2)重帶電粒子與介質(zhì)發(fā)生相互作用的主要類型是（）；假設(shè)你是一個α（～5MeV）粒子，當(dāng)你進入某一個介質(zhì)并被其阻止時，你是否會知道該介質(zhì)的原子序數(shù)是多少，為什么？隨著進入該介質(zhì)的深度不斷增加，你的能量將會不斷（），對于某個確定的深度，你的能量也是確定的嗎，為什么？你是否可以確鑿預(yù)計你將在哪里停下來，為什么？你在介質(zhì)中損失能量的同時，也在介質(zhì)中造成了影響（“乒乒乓乓，有的電子被電離，有的電子被激發(fā)??〞），那么隨著你的不斷深入，你在路上觀測到的自由電子是越來越密集，還是越來越稀疏，為什么（不考慮你快要停下來時候的情形）？你的行進道路是曲折的，還是直來直去的，為什么？曾經(jīng)有一些電子，距離你的路徑是那樣的近，當(dāng)你從它們身邊擦過的時候，它們被你強勁地拉動了，形成了（）？它們在中止之前又做了些什么？答：

?重帶電粒子與介質(zhì)發(fā)生相互作用的主要類型是電離（激發(fā)）；

?假使我是一個α粒子，我無法判斷介質(zhì)的原子序數(shù)，由于盡管電離能量損失率是與

原子序數(shù)Z成正比的，但是同時也是與原子密度N成正比的；僅僅通過電離能量損失一項無法判斷Z的大??；

?隨著進入介質(zhì)深度的增加，能量將會不斷下降；

?在某個確定的深度，α粒子的能量不是確定的。原因是α粒子的能量損失過程是一

個隨機過程，其能量會隨著射程的延伸而表現(xiàn)出能量歧離；不過α粒子能量的期望值是確定的；

?不能確定地預(yù)計α粒子將在哪里停下來，同樣是由于能量損失過程的隨機性導(dǎo)致的

射程歧離；

?隨著射程的延伸，α粒子的能量逐漸降低，在單位路徑上交給電子的能量越來越多，

因此看到的自由電子越來越密集（未考慮最終階段）。

?α粒子的徑跡基本是直線，由于α粒子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子的質(zhì)量，α粒子的方向很

難被改變；

?那些碰撞參數(shù)很小的電子形成了delta電子，這些電子的能量足夠高，還能接著去

電離；3)快電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的主要類型包括（）和（），二者都可以使快電子的能量損失，

其比例關(guān)系是（）。假使你是個快電子，射入了某一個介質(zhì)，你有無可能告訴我們該介質(zhì)的原子序數(shù)是高還是低，為什么？為什么你看起來像個醉漢，東歪西扭地走路？是什么原因，使你突然發(fā)生了接近180度的偏轉(zhuǎn)？對于α粒子，知道了起始位置和入射方向，其終點位置就差不多確定了，那么對于快電子呢？答：

?快電子與物質(zhì)相互作用的主要類型為電離（激發(fā)）和軔致輻射；二者的比例關(guān)系為

EZ/700（軔致輻射能量損失率vs電離（激發(fā)）能量損失率）；

?假使是個快電子，進入介質(zhì)之后，有可能根據(jù)兩種能量的損失關(guān)系來判斷原子序數(shù)

的高低；

?與入射電子發(fā)生碰撞的可能是電子，二者質(zhì)量一致，因此入射電子的方向可能發(fā)生

很大的變化；與入射電子發(fā)生碰撞的也可能是原子核，高原子序數(shù)的原子核提供的強大庫侖力可能會使入射電子發(fā)生大角度的反散射；因此電子的徑跡是曲曲折折的；高原子序數(shù)原子核對電子的吸引使得電子180度的反散射成為可能；

?對于α粒子來說，入射方向和入射位臵確定，基本終點就可以確定了，但是對電子

是不可能的；4)假使一個α粒子和一個電子同時從坐標(biāo)（0，0，0）（單位：cm）的位置出發(fā)，并也碰巧

都停在了某個介質(zhì)中的（10，0，0）位置處。問它們各自走了多少路程，α粒子答曰：“10.01cm左右吧！〞電子答曰：“屈指算來，與α粒子相仿也是10cm左右〞。它們的回復(fù)是否正確，為什么？答：

?對于α粒子來說，是正確的，由于其射程與路程長度相當(dāng)；?對于電子來說，不對，它的路程長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過射程；

5)在一個半徑為1cm的NaI晶體球的球心處，有一個能量為3MeV的電子想要“跑出去〞，

很不幸，它沒有成功，為什么？假使有10000個這樣的電子被“抓住〞了，那么能否說NaI晶體球內(nèi)沉積的能量增加了30GeV呢，為什么？答：

?由于3MeV電子的在NaI中的射程僅為～4mm，不足以射出1cm的NaI球；

?由于電子能量可能以軔致輻射的方式損失，而軔致輻射產(chǎn)生的X射線可能穿透NaI

球出去，因此NaI晶體球沉積的能量小于30GeV；6)β射線與單能快電子的區(qū)別是什么？當(dāng)一束β射線射入某種介質(zhì)時，隨著入射深度的不

斷延伸，我們能夠觀測到的電子數(shù)目會越來越少，其減少規(guī)律近似地聽從一種規(guī)律，是什么（）？答：

?β射線的電子能量是連續(xù)的，不是單一的；?這個規(guī)律是“指數(shù)〞衰減規(guī)律；

7)對于不帶電的粒子，我們尋常關(guān)心的是γ射線和中子。它們是間接致電離粒子，需要先

通過某些反應(yīng)變成帶電粒子才可以電離。對于γ射線來說，它能不能和射入的介質(zhì)發(fā)生相互作用是一個（）事件。在射入某個介質(zhì)之后，它可能和介質(zhì)中的原子發(fā)生三種反應(yīng)（雖然不局限于此三種，但我們只感興趣這三種），分別是什么？這三種反應(yīng)的截面與原子序數(shù)和能量關(guān)系很重要，這個關(guān)系是什么？請說出這三種反應(yīng)的產(chǎn)物及其可能存在的后續(xù)反應(yīng)的產(chǎn)物都是什么？答：

?隨機事件；

?光電效應(yīng)、康普頓散射、電子對效應(yīng)（γ射線能量超過1.022MeV）；

?這三種反應(yīng)的截面與原子序數(shù)的關(guān)系是Z的5次方、1次方和2次方；與能量的關(guān)

系總的來講：隨著能量提高，光電效應(yīng)和康普頓散射反應(yīng)的截面下降，而電子對效

應(yīng)的截面提高（有閾值1.022MeV）；

?光電效應(yīng)的產(chǎn)物：光電子，內(nèi)層電子空位導(dǎo)致的后續(xù)X射線或俄歇電子；

?康普頓散射：反沖電子，散射光子；這個散射光子還能繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)（光電、康普

頓、電子對等）；

?電子對效應(yīng)：其動能共享了γ射線能量與1.022MeV之差的正負(fù)電子，正電子迅速

減速湮沒（固體：ps時間）放出兩個背向出射的511keVγ光子；γ光子還能繼續(xù)發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓散射；8)對于中子來說，尋常有核反應(yīng)法、核反沖法、裂變法和活化法來將其轉(zhuǎn)換為帶電粒子。

這些帶電粒子可能是（）？核反應(yīng)法往往用于測量低能的慢中子，此時中子的反應(yīng)截面與中子的能量之間存在一個關(guān)系，是什么關(guān)系？在慢中子能區(qū)，當(dāng)中子的能量減小為原來的1/4時，其反應(yīng)截面將變?yōu)樵瓉淼模ǎ?？答?/p>

?α粒子，質(zhì)子，裂變碎片，反應(yīng)生成的子核，電子；?1/v關(guān)系，2倍；

9)假使不考慮積累因子，γ和中子穿透某種介質(zhì)的概率聽從什么規(guī)律？決定衰減系數(shù)的因

素有哪些？為什么要提出質(zhì)量衰減系數(shù)這個概念？水和水蒸氣的衰減系數(shù)是否一致，質(zhì)量衰減系數(shù)呢？積累因子的來源又是什么呢？答：

?指數(shù)衰減規(guī)律；

?決定線性衰減系數(shù)的是反應(yīng)截面和原子的空間密度；

?對于γ射線：反應(yīng)截面由原子序數(shù)和入射的γ射線能量決定；?對于中子：反應(yīng)截面由原子核和入射的中子能量決定；

?提出質(zhì)量衰減系數(shù)概念的原因是為了描述同種物質(zhì)在不同物理狀態(tài)下對射線的衰

減；

?水的衰減系數(shù)比水蒸汽的答，但是質(zhì)量衰減系數(shù)二者是一致的；?積累因子的主要來源是康普對散射（電子對效應(yīng)亦有可能）。

五、統(tǒng)計學(xué)問題

1)在輻射探測中，統(tǒng)計性是固有的數(shù)學(xué)特性，是無法消除的。對同一個物理量，即使保持一切條件不變，不次的觀測也會得到不同的結(jié)果，這些結(jié)果聽從一定的概率分布。這些概率分布都是哪些？（）答：泊松分布（期望值>20后近似為高斯分布），指數(shù)分布，法諾分布；2)請回復(fù)以下問題：

a)一個活度為10微居的Cs-137源（半衰期為30.17年），一秒鐘放出的γ射線的數(shù)目聽從

什么分布？答：泊松分布

b)設(shè)某探測器對上述源發(fā)出的γ射線的絕對探測效率為10%，則探測器每秒測到的信號數(shù)

目聽從什么分布？

答：泊松分布

c)γ射線進入探測器，通過三種效應(yīng)產(chǎn)生了次級電子，這個次級電子的能量具體為多少是

與發(fā)生的反應(yīng)類型有關(guān)的，不妨設(shè)次級電子的能量為500keV。這個500keV的電子將在探測器內(nèi)損失能量并形成大量電子－離子對（設(shè)為氣體探測器），則電子－離子對的數(shù)目聽從什么分布？答：法諾分布

d)探測器在某個時刻t0記錄到了一個入射事件，在t1時刻記錄到了隨后到來的其次個事

件。時間差t1-t0是個隨機量，它聽從什么分布？答：指數(shù)分布

3)泊松分布是輻射探測中的主要分布。它由二項分布演化而來，在推導(dǎo)泊松分布的時候，

需要滿足什么條件？請對下面的問題作出回復(fù)：答：大量、獨立、小概率事件；

a)一個活度為10微居的Cs-137源（半衰期為30.17年），30年內(nèi)放出的γ射線的數(shù)目是否

還聽從泊松分布？為什么？答：不是，已經(jīng)不滿足小概率事件這個條件；

4)泊松分布在什么狀況下可以簡化為高斯分布？其期望值和方差之間的關(guān)系是什么？答：

?當(dāng)泊松分布的期望值很大的時候，可以用高斯分布來近似泊松分布，一般認(rèn)為期望

值大于20就可以。

?泊松分布的期望值＝方差；5)法諾分布不同于泊松分布的地方在哪里？法諾分布中的法諾因子一般小于1，其來源是

什么？答：

?法諾分布具有和泊松分布類似的形式，但是法諾分布的方差比泊松分布的方差多了

一個法諾因子F。

?F小于1的原因是電離時產(chǎn)生載流子的碰撞之間并不是獨立的；6)什么是級聯(lián)過程，級聯(lián)過程變量的期望值與方差有什么特點？在什么狀況下，級聯(lián)變量

的相對方差主要由第一級變量的相對方差決定？請舉出一個級聯(lián)變量的例子，并說明它是由哪幾個量級聯(lián)而成的？答：

?關(guān)于級聯(lián)過程定義，請見講義P173。

?級聯(lián)過程變量的期望值是各級期望值的乘積，相對方差等于各級相對方差加權(quán)之

和，每一級相對方差的權(quán)重為前面各級期望值乘積的倒數(shù)；

?假使第一級的期望值很大，則級聯(lián)變量的相對方差主要由第一級的相對方差決定；?正比計數(shù)器放電產(chǎn)生的電子－離子對的數(shù)目就是級聯(lián)變量，第一級變量為帶電粒子

電離產(chǎn)生的電子－離子對數(shù)目，其次級變量則為每個電子－離子對中的電子在雪崩區(qū)域放電產(chǎn)生的電子－離子對數(shù)目；

7)A和B均聽從泊松分布，則C=A+B是否聽從泊松分布，D=A-B是否聽從泊松分布？答：C聽從泊松，但是D不聽從。C和D的方差是一致的；

8)在以下測量結(jié)果中，哪些結(jié)果的平方根是對它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差的合理估計？a)某探測器的1分鐘測量計數(shù)b)某探測器的10分鐘測量計數(shù)

c)某探測器在本底環(huán)境下測量1分鐘，扣除本底之后的計數(shù)d)某探測器測量60秒之后得到的計數(shù)率（以cps為單位）e)某探測器