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0 序言
我们比较熟悉X和Υ射线与物质的相互作用,如光电效应,康普顿效应,瑞利散射等等。本文要叙述: 打靶电子与靶的作用,作用的基础还是原子。为了便于理解,笔者有时采用与X和Υ射线与物质的相互作用对照的方法叙述。
1 类康普顿效应
这是打靶电子--入射电子,与原子核外的电子--束缚电子发生“碰撞” 引起的效应。这类电子和电子碰撞有两个特点: 第一,是“库仑碰撞” 。入射电子与束缚电子不是发生机械碰撞,因为它们之间距离越小,同性电荷斥力越大,从而在不“机械碰撞” 的情况下,使束缚电子被电离或激发; 第二,是非弹性的,入射电子有能量损失。
简言之,入射电子与束缚电子发生库仑碰撞时,前者将部分能量(最多可能将本身能量的一半) 传递---转移给后者,使后者电离或激发,而前者运动方向发生改变,产生了类康普顿散射。
设σ为入射电子与靶产生类康普顿效应的几率:
σ∝ρ.Z/E (1)
式中: ρ,Z--分别代表靶的密度和原子序数;
E--打靶电子动能。
分析公式(1) 可知,靶材的密度ρ和原子序数Z越小,打靶电子动能E越大(或其速度υ2 ) 越大,类康普顿效应的几率σ越小。高能入射电子,类康普顿散射几率---偏离原来方向的概率,很小。
笔者注: 在目前的物理书中,流行提法是把“类康普顿效应” ,称为“电离损失” ,或“碰撞损失” ,并认为: 对于能量为几十MeV的入射电子,电离损失(与轫致辐射相比) ,仍是主要的能量损失方式。
2 弹性散射(类瑞利散射)
靶原子的电场对外呈电中性。对于突如其来的入射电子,靶原子的库仑场自然对它有-个排斥力--遏止力; 当这个遏止力方向与入射电子运动方向不在-条直线上(即方向不相反)时,就会引起弹性散射。排斥力的作用是相互的,所以弹性散射,也可视为入射电子与靶原子核的相互作用。
弹性散射是入射电子只改变运动方向,但不损失能量的散射。由于与原子核相比,电子质量很小,而且可能会多次散射,最后的散射角(散射电子运动方向与入射电子初始运动方向的夹角)可能很大。我们把入射电子散射角大于90度的散射,称为反散射(或背散射),把反散射电子与入射电子强度比,称为反射系数n。
打靶电子能量E越低,靶的原子序数Z越大,靶材越厚,反射系数n越大,详见资料〔1〕第20页图1.16。由图可见,对于高Z样品金(Au,Z=79) ,在几十KV—1MeV范围内,反散射系数n大约为0.5; 笔者用插入法求得在几十KV—1MeV范围内,样品钨(W,Z=74) ,反散射系数n大约为0.48; 样品钼(Mo,Z=42) ,反散射系数n大约为0.38。笔者认为,当反散射系数n≥0.35,入射电子弹性散射,在空间的方向,应该认为大体上是各向同性的。由此,我进-步认为:在打靶电子能量--动能E≤1MeV时,对钨或钼靶,打靶电子弹性散射的空间方向,是各向同性的。对钨或钼靶,当打靶电子能量--动能E≥2MeV后,反散射系数n≤0.35,打靶电子弹性散射的空间方向,有明显“向前特征” 。这一认识,是后面讨论轫致辐射---X射线强度在空间分布重要的理论基础。
笔者注:普通X射线管,能量低,是厚钨靶,反散射现象严重,即可能有一些反散射电子---二次电子逸出靶面,X射线管中阳极罩的作用,就是吸收这些反散射电子---二次电子的。
3 轫致辐射
不论是未被散射的入射电子,还是被类康普顿散射的入射电子,或是被弹性散射的入射电子,它们的运动方向都可能指向靶的某些原子核,造成靶原子的库仑场遏止力方向与入射电子运动方向大体上在-条直线上、且方向相反,从而引起入射电子骤然减速,产生轫致辐射---X射线。由于入射电子的长驱直入,轫致辐射区域多发生在L或K壳层。
当带电粒子已确定为电子,〔RT基础理论探讨. 轫致辐射杂记b〕公式(1) ,轫致辐射几率r的影响因素,应修改为:
r∝ρ.Z的平方.E (2)
式中: ρ,Z--分别代表靶的密度和原子序数;
E--打靶电子动能。
笔者注1)轫致辐射光子的能量及其相对强度---连续谱,各射线检测教材,均有示意图,不赘述;2)射线检测教材有连续X射线产生效率η公式:
η=KiZU (3)
公式(3) ,与公式(2) 不同。它们之间如何沟通,待研究。3)轫致辐射的光子最大能量,可以是打靶电子的全部动能,教材上有最短波长计算公式。
至于轫致辐射的空间方向,将另文讨论。
参考资料:
〔1〕丁富荣等编著.辐射物理〔M〕.北京大学出版社,2004.