核辐射物理与探测学复习资料.docx
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核辐射物理与探测学复习资料
核辐射物理与探测学复习
一、关于载流子
1）无论是气体探测器，还是闪烁、半导体探测器，其探测射线的本质都是将射线沉积在探
测器灵敏体积内的能量转换为载流子。
这三种探测器具有不同的载流子，分别是：
气体
（），闪烁体（），半导体（）；
答：
气体：
电子－离子对；
闪烁体：
第一个打拿极收集到的光电子；
半导体：
电子－空穴对；
2）在这个转换过程中，每产生一个载流子都要消耗一定的能量，称之为（），对于三种探
测器来说，这个能量是不同的，分别大概是多少？
气体（），闪烁体（），半导体（）。
这个能量是大些好，还是小些好？
为什么？
答：
平均电离能；30eV，300eV，3eV；
这个能量越小越好，因为平均电离能越小，产生的载流子就越多，而载流子的数目
服从法诺分布，载流子越多则其数目的相对涨落越小，这会导致更好的能量分辨率；
3）在这个转换过程中，射线沉积在探测器中的能量是一个（）变量，而载流子的数目是一
个（）变量，载流子的数目是不确定的，它服从（）分布，该分布的因子越是大些好，
还是小些好？
为什么？
答：
连续型变量；离散型变量；法诺分布；法诺因子越小越好，小的法诺因子意味着小的
统计涨落，导致好的能量分辨率；
二、关于探测效率
1）对于不带电的粒子（如γ、中子），在探测器将射线沉积在其灵敏体积中的能量转换为
载流子之前，还需要经历一个过程，如果没有该过程，则探测器无法感知射线。
以γ射
线为例，这个过程都包含哪些反应（）？
这个过程的产物是什么（）？
对于1个1MeV
的入射γ射线，请随便给出一个可能的该产物能量（）？
答：
对于γ射线，这些反应包括光电效应、康普顿散射以及电子对效应（如果γ射线的
能量>1.022MeV）；
这些反应的产物都是次级电子；
对于1个1MeV的γ射线，次级电子的能量可以是几十keV～几百keV，也可以是接
近1MeV；
2）这个过程发生将主要地决定探测器的探测效率，那么影响探测效率（本征）的因素都有
哪些（）？
在选择探测器的时候，为了得到高的探测效率（本征），应该做什么考虑（）？
答：
影响本征探测效率的因素有：
探测器的原子序数、密度、体积、形状，以及γ射线
的能量，甚至还包括射线射入探测器的位置、角度；
在选择探测器时，为了得到高的本征探测效率，应该选择那些原子序数高、密度大
的探测器，探测器的体积要大并且探测器的形状合理（例如正圆柱形）；
3）绝对探测效率和本征探测效率的区别是什么？
答：
绝对探测效率考虑的是对每一个源发射出的粒子，探测器测量到的计数值；
本征探测效率考虑的是对每一个射入探测器的粒子，探测器测量到的计数值。
绝对探测效率是整个探测系统中所有环节的综合表现；而本征探测效率则主要反映
了探测器的特性；
三、关于能量分辨率
1）能量分辨率是探测器的一项重要指标，但能量分辨率并不是一个特定的量，当我们说某
个探测器的能量分辨率是多少的时候，需要指定条件，这个（些）条件是（）。
答：
需要指定这是对哪个能量说的。
比如，当我们说某个NaI（Tl）探测器的能量是7%的
时候，指的是对662keV的γ射线能量，如果是对于1.33MeV的γ射线，就不再是
7%了，而是要小一些；
2）能量分辨率是个绝对的概念还是相对的概念（）？
答：
是个相对的概念，能量分辨率的分子是全能峰的半宽度，分母是全能峰能量的期望
值；
3）对于某个确定的探测器，能量分辨率与灵敏体积内沉积能量的关系是什么（）？
答：
如果仅仅考虑载流子的统计性问题，则能量分辨率与灵敏体积内沉积能量的关系是
反比于E的1/2次方；
4）虽然我们希望能量分辨率越小越好，但实际上它总是受统计涨落限制的，不可能无限小。
请从载流子的角度描述，这个限制是什么？
答：
一个确定的射线能量经过带电粒子在探测器内的电离过程，变成了数目不等的载流
子，载流子的的数目服从法诺分布；当载流子数目的期望值N较大时，它将表现为
一个期望值为N，sigma为sqrt（FN）的高斯分布，由此决定的能量分辨率为2.355
×sqrt（F/N）；
这个分辨率是无法再被改善的，是分辨率的极限，实际中还要考虑其它因素对能量
分辨率的影响，因此能量分辨率还要更差。
四、射线与物质相互作用
1）带电粒子在射入某个物质时，可以与物质发生四种类型的作用，分别是（）？
虽然从微
观上看，带电粒子与物质发生的每次相互作用的效果是（）的，但是从宏观上看，我们
可以认为带电粒子在进入介质中之后，一定和介质发生了相互作用。
答：
带电粒子使原子核外电子电离或激发；带电粒子受到原子核库仑力时发生的轫致辐
射；带电粒子与原子核发生的弹性碰撞；带电粒子与原子核外电子发生的弹性碰撞
（实际相当与整个原子）；
带电粒子与物质发生的每次相互作用都是随机的（例如，碰撞参数不同，导致其传
递给电子的能量就是不同的）；
2）重带电粒子与介质发生相互作用的主要类型是（）；假设你是一个α（～5MeV）粒子，
当你进入某一个介质并被其阻止时，你是否会知道该介质的原子序数是多少，为什么？
随着进入该介质的深度不断增加，你的能量将会不断（），对于某个确定的深度，你的
能量也是确定的吗，为什么？
你是否可以准确预测你将在哪里停下来，为什么？
你在介
质中损失能量的同时，也在介质中造成了影响（“乒乒乓乓，有的电子被电离，有的电
子被激发⋯⋯”），那么随着你的不断深入，你在路上观察到的自由电子是越来越密集，
还是越来越稀疏，为什么（不考虑你快要停下来时候的情形）？
你的行进道路是曲折的，
还是直来直去的，为什么？
曾经有一些电子，距离你的路径是那样的近，当你从它们身
边掠过的时候，它们被你强劲地拉动了，形成了（）？
它们在停止之前又做了些什么？
答：
重带电粒子与介质发生相互作用的主要类型是电离（激发）；
如果我是一个α粒子，我无法判断介质的原子序数，因为尽管电离能量损失率是与
原子序数Z成正比的，但是同时也是与原子密度N成正比的；仅仅通过电离能量损
失一项无法判断Z的大小；
随着进入介质深度的增加，能量将会不断下降；
在某个确定的深度，α粒子的能量不是确定的。
原因是α粒子的能量损失过程是一
个随机过程，其能量会随着射程的延伸而表现出能量歧离；不过α粒子能量的期望
值是确定的；
不能确定地预测α粒子将在哪里停下来，同样是因为能量损失过程的随机性导致的
射程歧离；
随着射程的延伸，α粒子的能量逐渐降低，在单位路径上交给电子的能量越来越多，
因此看到的自由电子越来越密集（未考虑最终阶段）。
α粒子的径迹基本是直线，因为α粒子质量远远超过电子的质量，α粒子的方向很
难被改变；
那些碰撞参数很小的电子形成了delta电子，这些电子的能量足够高，还能接着去
电离；
3）快电子与物质发生相互作用的主要类型包括（）和（），二者都可以使快电子的能量损
失，其比例关系是（）。
如果你是个快电子，射入了某一个介质，你有无可能告诉我们
该介质的原子序数是高还是低，为什么？
为什么你看起来像个醉汉，东歪西扭地走路？
是什么原因，使你突然发生了接近180度的偏转？
对于α粒子，知道了起始位置和入射
方向，其终点位置就差不多确定了，那么对于快电子呢？
答：
快电子与物质相互作用的主要类型为电离（激发）和轫致辐射；二者的比例关系为
EZ/700（轫致辐射能量损失率vs电离（激发）能量损失率）；
如果是个快电子，进入介质之后，有可能根据两种能量的损失关系来判断原子序数
的高低；
与入射电子发生碰撞的可能是电子，二者质量相同，因此入射电子的方向可能发生
很大的变化；与入射电子发生碰撞的也可能是原子核，高原子序数的原子核提供的
强大库仑力可能会使入射电子发生大角度的反散射；因此电子的径迹是曲曲折折
的；高原子序数原子核对电子的吸引使得电子180度的反散射成为可能；
对于α粒子来说，入射方向和入射位置确定，基本终点就可以确定了，但是对电子
是不可能的；
4）假如一个α粒子和一个电子同时从坐标（0，0，0）（单位：
cm）的位置出发，并也碰巧
都停在了某个介质中的（10，0，0）位置处。
问它们各自走了多少路程，α粒子答曰：
“10.01cm左右吧！
”电子答曰：
“屈指算来，与α粒子相仿也是10cm左右”。
它们的回
答是否正确，为什么？
答：
对于α粒子来说，是正确的，因为其射程与路程长度相当；
对于电子来说，不对，它的路程长度远远超过射程；
5）在一个半径为1cm的NaI晶体球的球心处，有一个能量为3MeV的电子想要“跑出去”，
很不幸，它没有成功，为什么？
如果有10000个这样的电子被“抓住”了，那么能否说
NaI晶体球内沉积的能量增加了30GeV呢，为什么？
答：
因为3MeV电子的在NaI中的射程仅为～4mm，不足以射出1cm的NaI球；
由于电子能量可能以轫致辐射的方式损失，而轫致辐射产生的X射线可能穿透NaI
球出去，因此NaI晶体球沉积的能量小于30GeV；
6）β射线与单能快电子的区别是什么？
当一束β射线射入某种介质时，随着入射深度的不
断延伸，我们能够观测到的电子数目会越来越少，其减少规律近似地服从一种规律，是
什么（）？
答：
β射线的电子能量是连续的，不是单一的；
这个规律是“指数”衰减规律；
7）对于不带电的粒子，我们通常关心的是γ射线和中子。
它们是间接致电离粒子，需要先
通过某些反应变成带电粒子才可以电离。
对于γ射线来说，它能不能和射入的介质发生
相互作用是一个（）事件。
在射入某个介质之后，它可能和介质中的原子发生三种反应
（虽然不局限于此三种，但我们只感兴趣这三种），分别是什么？
这三种反应的截面与
原子序数和能量关系很重要，这个关系是什么？
请说出这三种反应的产物及其可能存在
的后续反应的产物都是什么？
答：
随机事件；
光电效应、康普顿散射、电子对效应（γ射线能量超过1.022MeV）；
这三种反应的截面与原子序数的关系是Z的5次方、1次方和2次方；与能量的关
系总的来讲：
随着能量提高，光电效应和康普顿散射反应的截面下降，而电子对效
应的截面提高（有阈值1.022MeV）；
光电效应的产物：
光电子，内层电子空位导致的后续X射线或俄歇电子；
康普顿散射：
反冲电子，散射光子；这个散射光子还能继续发生反应（光电、康普
顿、电子对等）；
电子对效应：
其动能分享了γ射线能量与1.022MeV之差的正负电子，正电子迅速
减速湮没（固体：
ps时间）放出两个背向出射的511keVγ光子；γ光子还能继续
发生光电效应或康普顿散射；
8）对于中子来说，通常有核反应法、核反冲法、裂变法和活化法来将其转换为带电粒子。
这些带电粒子可能是（）？
核反应法常常用于测量低能的慢中子，此时中子的反应截面
与中子的能量之间存在一个关系，是什么关系？
在慢中子能区，当中子的能量减小为原
来的1/4时，其反应截面将变为原来的（）？
答：
α粒子，质子，裂变碎片，反应生成的子核，电子；
1/v关系，2倍；
9）如果不考虑积累因子，γ和中子穿透某种介质的概率服从什么规律？
决定衰减系数的因
素有哪些？
为什么要提出质量衰减系数这个概念？
水和水蒸气的衰减系数是否相同，质
量衰减系数呢？
积累因子的来源又是什么呢？
答：
指数衰减规律；
决定线性衰减系数的是反应截面和原子的空间密度；
对于γ射线：
反应截面由原子序数和入射的γ射线能量决定；
对于中子：
反应截面由原子核和入射的中子能量决定；
提出质量衰减系数概念的原因是为了描述同种物质在不同物理状态下对射线的衰
减；
水的衰减系数比水蒸汽的答，但是质量衰减系数二者是相同的；
积累因子的主要来源是康普对散射（电子对效应亦有可能）。
五、统计学问题
1）在辐射探测中，统计性是固有的数学特性，是无法消除的。
对同一个物理量，即使保持
一切条件不变，不次的观测也会得到不同的结果，这些结果服从一定的概率分布。
这些
概率分布都是哪些？
（）
答：
泊松分布（期望值>20后近似为高斯分布），指数分布，法诺分布；
2）请回答下列问题：
a）一个活度为10微居的Cs-137源（半衰期为30.17年），一秒钟放出的γ射线的数目服
从什么分布？
答：
泊松分布
b）设某探测器对上述源发出的γ射线的绝对探测效率为10%，则探测器每秒测到的信号数
目服从什么分布？
答：
泊松分布
c）γ射线进入探测器，通过三种效应产生了次级电子，这个次级电子的能量具体为多少是
与发生的反应类型有关的，不妨设次级电子的能量为500keV。
这个500keV的电子将在
探测器内损失能量并形成大量电子－离子对（设为气体探测器），则电子－离子对的数
目服从什么分布？
答：
法诺分布
d）探测器在某个时刻t0记录到了一个入射事件，在t1时刻记录到了随后到来的第二个事
件。
时间差t1-t0是个随机量，它服从什么分布？
答：
指数分布
3）泊松分布是辐射探测中的主要分布。
它由二项分布演化而来，在推导泊松分布的时候，
需要满足什么条件？
请对下面的问题作出回答：
答：
大量、独立、小概率事件；
a）一个活度为10微居的Cs-137源（半衰期为30.17年），30年内放出的γ射线的数目是
否还服从泊松分布？
为什么？
答：
不是，已经不满足小概率事件这个条件；
4）泊松分布在什么情况下可以简化为高斯分布？
其期望值和方差之间的关系是什么？
答：
当泊松分布的期望值很大的时候，可以用高斯分布来近似泊松分布，一般认为期望
值大于20就可以。
泊松分布的期望值＝方差；
5）法诺分布不同于泊松分布的地方在哪里？
法诺分布中的法诺因子一般小于1，其来源是
什么？
答：
法诺分布具有和泊松分布类似的形式，但是法诺分布的方差比泊松分布的方差多了
一个法诺因子F。
F小于1的原因是电离时产生载流子的碰撞之间并不是独立的；
6）什么是级联过程，级联过程变量的期望值与方差有什么特点？
在什么情况下，级联变量
的相对方差主要由第一级变量的相对方差决定？
请举出一个级联变量的例子，并说明它
是由哪几个量级联而成的？
答：
关于级联过程定义，请见讲义P173。
级联过程变量的期望值是各级期望值的乘积，相对方差等于各级相对方差加权之
和，每一级相对方差的权重为前面各级期望值乘积的倒数；
如果第一级的期望值很大，则级联变量的相对方差主要由第一级的相对方差决定；
正比计数器放电产生的电子－离子对的数目就是级联变量，第一级变量为带电粒子
电离产生的电子－离子对数目，第二级变量则为每个电子－离子对中的电子在雪崩
区域放电产生的电子－离子对数目；
7）A和B均服从泊松分布，则C=A+B是否服从泊松分布，D=A-B是否服从泊松分布？
答：
C服从泊松，但是D不服从。
C和D的方差是相同的；
8）在下列测量结果中，哪些结果的平方根是对它们的标准偏差的合理估计？
a）某探测器的1分钟测量计数
b）某探测器的10分钟测量计数
c）某探测器在本底环境下测量1分钟，扣除本底之后的计数
d）某探测器测量60秒之后得到的计数率（以cps为单位）
e）某探测器测量60秒之后得到的计数率（以cpm为单位）
f）连续测量5次，每次测量1分钟，5次测量得到的计数的平均值
g）连续测量5次，每次测量1分钟，5次测量得到的计数的和
答：
a，b，e，g
9）关于误差的传递公式，大家要做到很熟悉，试着回答下述问题：
a）已知某样品测量时的计数率为100cps，欲使对该样品计数率测量的相对标准偏差小于
0.1%，则测量时间应该选择多长？
答：
10000秒
b）在某一个测量中，10分钟测量得到的相对标准偏差为2.8%，欲使这个值继续降低为1%，
则需要再测量多长时间？
答：
68.4分钟
c）在某一次实验中，我们想在本底环境下精确测量一个放射源的计数率。
经过短暂的粗测
之后，估计出本底计数率为25cps，加上样品后的计数率为100cps。
如果总共有1小时
的测量时间，则本底和样品的测量时间应该怎样分配？
最终得到放射源净计数率的相对
标准偏差是多少？
答：
本底测量20分钟，样品测量40分钟；相对标准偏差为1/300;
d）本底计数率是（500+-20）/min，样品计数率是（750+-25）/min，求净计数率及误差。
（这
是课堂测验的题目）
答：
净计数率为250cpm；本底的测量时间为1.25min，样品的测量时间为1.2min，因此净
计数率的误差为sqrt（500/1.25+750/1.2）=32cpm;
10）某个探测器在同样条件下进行多次测量，得到的计数结果为：
1001，1010，990，1003，
1002，997，995。
请判断这组数据是否正常，为什么？
答：
不正常，一致性过好；样本的平均值为999.7，标准偏差为6.4，标准偏差的平方为
42<<999.7;
六、气体探测器
1）回顾带电粒子或中性粒子是如何在气体电离室中产生载流子的，有哪些物理过程？
答：
中性粒子（γ或中子）通过相应的反应（光电效应、康普顿散射、电子对效应，核
反应、核反冲、裂变等）变成次级带电粒子。
以次级电子为例，电子在气体电离室的灵敏体积内损失能量，损失能量的主要方式
是电离（包括激发），其中的电离（不包括激发）过程形成“载流子”——“电子
－离子对”。
激发后退激发光光子的光电效应——光致电离；
电离后离子在阴极形成的电子——离子反馈；
处于压稳态原子对其它原子的电离——第二类非弹性碰撞；
2）在气体中，产生一个“电子－离子”对所需要的平均能量大约是多少？
其法诺因子在什
么范围？
答：
平均能量大约为30eV。
法诺因子在0.2～0.5的范围；
3）为什么载流子的数目可以反映射线在气体探测器中沉积的能量？
答：
因为每产生一个载流子的能量基本是确定的，都是30eV左右，故载流子的数目能够反
应沉积能量的大小；
4）如果没有外加电压，载流子在电离室中产生之后会经历哪些物理过程，这些过程对载流
子的影响是什么？
答：
如果外加电压，载流子将会经历扩散、电子吸附和复合的过程。
其中电子吸附和复合
将会导致载流子的减少，使得载流子的统计性变差；
5）在电离室外加电压所形成的电场中，载流子中的电子和离子会开始漂移，电子和离子的
饱和漂移速度分别大约是什么量级？
载流子的漂移速度与它们在外电路形成的感应电
流大小之间存在什么关系？
为什么电子在外电路的感应电流大于离子在外电路的感应
电流？
电子感应电流流过的总电荷量是否一定比离子相应的总电荷量大？
是什么决定
了电子（或离子）感应电流流过总电荷量的大小？
答：
离子（cm/ms），电子（cm/μs）；
载流子的漂移速度越大，则它在外电路感应的电流越大（感应电流与载流子的漂移
速度和电场强度的乘积有关）；
因为电子的漂移速度远远大于离子，因此电子的外电路感应电流更大；
但是电子的感应电流在外电路流过的电荷量并不一定比离子的大；决定电子（或离
子）感应电流流过总电荷量的大小的是电子（或离子）从漂移起始位置到阳极（阴
极）所经历的电位差占阴阳极板间电位差的份额；
6）电离室的构成是什么？
答：
高压极，收集极，保护极，负载电阻
7）随着电离室外加电压的增大，电离室的工作状态也将发生变化。
请说出电离室有几个工
作区？
答：
（复合区），饱和区，正比区，（有限正比区），G－M区，（连续放电区）
8）电子电离室是否只收集电子的感应电流？
离子电离室是否只收集离子的感应电流？
这
两种电离室的优缺点分别是什么？
是什么因素决定了一个电离室是电子还是离子电离
室？
答；
电子电离室只对电子的感应电流敏感；
而离子电离室则既对离子，也对电子的感应电流敏感；
电子电离室可以实现高的计数率，并有好的信噪比，但是输出信号的幅度与电子离
子对的产生位置有关系（而这个位置往往是随机的），因此无法测量单个入射粒子
的能量信息；
离子电离室虽然能够测量单个入射粒子的能量信息，但是由于离子的漂移时间为ms
量级，因此导致每个脉冲的持续时间很长，无法实现高的计数率，并且信噪比较差
（因为低通滤波器）；
决定一个电离室是离子还是电子脉冲电离室的因素是外电路的时间常数，如果外电
路的时间常数远远大于离子的收集时间，则是离子脉冲电离室；如果外电路的时间
常数远远小于离子的收集时间，但远远大于电子的收集时间，则是电子脉冲电离室；
9）圆柱形电子脉冲电离室和屏栅电离室是如何克服电子电离室和离子电离室的缺点的？
对于圆柱形电离室来说，外电路的信号主要是由电子还是离子电流构成的？
另外，后面
我们还会讨论正比计数器，那么正比计数器的外电路信号主要由谁构成呢？
圆柱形电离
室的中央丝极是正高压还是负高压，为什么？
答：
由于圆柱形电子脉冲电离室的圆柱形结构，使得压降主要发生在半径靠近阳极丝附
近的较小区域，而射线产生的电离主要发生在半径较大的区域，因此电离产生的“电
子－离子对”中的大部分电子在向阳极漂移的过程中都经历了整个阴阳极压降的大
部分——每个电子在外电路流过的感应电荷都接近于1个电子电量，这个特点使圆
柱形电子脉冲电离室既有电子脉冲电离室中电子的快特性，又在能量分辨上具有较
好的特性；
屏栅电离室则由于屏栅的存在，使得每一个电离产生的电子离子对中的电子都经过
同样的电位差——具有同样的贡献。
外电路流过的电量严格地正比于电子离子对的
数目；
对于圆柱形电子脉冲电离室来说，信号主要是由电子构成的；
正比计数器则主要是由离子构成的；
圆柱形电离室的目的在于发挥电子漂移速度快的优点，并使电子在漂移路径扫过大
部分的阴阳极压降（为了准确测量粒子能量）。
如果中央丝极不是阳极，则电子扫
过的压降只是很小的一部分，并且随电离产生位置的变化明显，因此无法准确测量
粒子的能量；所以其丝极必须是阳极；
10）为什么正比计数器的中央丝极必须是正高压？
为什么正比计数器的信号主要由离子贡
献？
正比计数器的放电位置是发生在局部，还是发生在整个阳极丝？
在一个正比计数器
内，是否能够同时发生2个或2个以上的正比倍增过程？
正比计数器的输出信号与什么
成正比？
如果不考虑电子学因素对能量分辨率造成的影响，仅就载流子自身的统计性而
言，是离子电离室的能量分辨率好，还是正比计数器的能量分辨率好？
答：
正比计数器的核心在于电子的雪崩倍增过程（离子是无法雪崩倍增的），只有中央
丝极是阳极，才能保证电子的雪崩过程；
由于雪崩后的电子离子对距离阳极丝很近，电子从雪崩位置到阳极丝所经过的电位
差只占整个电位差的很小一部分，因此电子感应电流流过的电荷很少，而离子的则
占了大多数，所以正比计数器的信号主要由离子贡献；
正比计数器的放电发生在局部；
正比计数器可以同时发生多个正比倍增（雪崩）过程；
正比计数器的输出与射线沉积能量成正比，也与倍增系数（工
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