6.4.5 电子对效应在线视频

电子对效应

我们说电子对效应是

当这个入射γ射线的能量

比较高的时候

它才会出现的一种效应

这个是对入射光子能量有要求的

其它两种效应呢

是从这个光子能量

从零开始就有的效应

但是电子对效应

一定是光子能量

超过1.022MeV的时候

才会有的一个效应

在高能光子

从原子核旁边经过的时候

在原子核库仑场的作用下

入射光子会转化为

一个正电子和一个电子

这样的一个过程

我们称为电子对效应

当然这个地方

我们虽然说的是

在原子核旁边经过的时候

会有电子对效应

当然在电子旁边经过的时候

也可能会有电子对效应

但是这个需要的光子能量会更高了

电子对效应呢

除了涉及入射光子与电子对之外

我们说必须有原子的参与

或者原子核的参与

否则也不能同时满足

能量和动量守恒

电子对效应要求入射光子的能量

必须大于1.022MeV

这是一个能量守恒

必须要求的一个阈值

我们用一个图示的方法去描述一下

入射光子能量大于1.022MeV

在它和原子核库仑场作用的过程里面

这个γ光子完全消失

带着而产生的呢

是一个正电子和一个电子

电子和正电子

我们说它的静止质量

都是511keV除以c^2

这个里面我们要了解的是

正负电子究竟是什么地方来的

它是原子核里面来的吗

还是怎么一个产生的过程

还是轨道电子呢

我们说首先

这不是原子核的变化过程

所以正负电子都不是

从原子核里面放出来的

另外正负电子

也都不是原子中的轨道电子

就是负电子也不是轨道电子

这个正负电子呢

就是由入射光子转化而来的

它是能量形式的一个变化

从一个完全的电磁辐射

转化成了有静止质量的两个粒子

我们来看一下正负电子的能量

由能量守恒我们显然可以写出来

入射光子的能量应该等于

正电子的动能加上负电子的动能

加上它们俩的静止质量

所对应的能量

显然我们可以给出来的是

正负电子的总动能

总动能等于hν减去

两倍的电子静止质量

所对应的能量

总动能在电子和正电子之间

是一个随机分配的过程

它们的取值范围都是0到hν-2m0c^2

这样一个范围

我们来看一下正负电子的运动方向

我们说由动量守恒可以知道

电子和正电子

应该沿着入射光子的方向

往前向发射

也就是说

它不可能从后面发出正负电子对来

而且就是说光子的能量越高

正负电子的发射方向就越是前倾

也就是越倾向于

沿着这个入射光子的方向发射

这是动量守恒的一个要求

我们来看一下电子对效应的截面

当这个入射光子能量稍大于

两倍的电子静止的质量的时候

电子对效应的截面

和作用介质原子序数的平方成正比

和这个入射γ光子的能量成正比

当这个入射光子能量

更高一些的时候

远远大于两倍电子静止质量的时候

所对应的电子对效应截面

依然正比于Z的平方

但是这个时候随着光子能量的增加

截面的增加就没那么快的

和lnEγ成正比

所以我们可以画出说这样的图形来

也就是说能量比较低的时候

这个截面随着能量的增加

还是增加的比较快的

随着这个能量增加到一定程度

它趋向于平缓增加这样的一个过程

所以电子对效应截面

随着Z的增加而增加

也随着入射光子能量的增加而增加

这个和我们前面说的

随着光子能量增加

前面两种效应的截面要减小

是不一样

电子对效应它一定会有后续的过程

之所以有后续的过程

是因为产生了一个反粒子

就是正电子

有反粒子的产生就有反粒子的湮没

所以这个里面会涉及到正电子的湮没

产生的湮没

我们说正电子湮没

一定会产生湮没辐射

主要是产生两光子

这两光子应该是511keV的光子

所以这是一个特征能量

我们设入射γ光子首先与作用介质

发生电子对效应

正负电子在介质中沉积能量

我们说如果后续的

湮没光子也和介质发生相互作用

并沉积全部能量

这个时候在介质里面留下来的

总能量是多少呢

从这个描述上显然可以看出来

留下的总能量就应该是这么多

这么多

这么多就等于入射光子的能量

就是动能也沉积下来了

湮没后产生的那两个511keV

也沉积下来了

所以总共的能量是hν

如果有一个湮没光子出去了

我们知道光子与物质相互作用

它是一个概率事件

显然就有一定的概率

只有一个湮没光子

作用沉积能量

另外一个光子完全没作用

离开作用介质

这个时候在作用介质里面

留下来的能量是多少呢

就应该是两个动能

加上一个电子静止质量

所对应能量也就是一个511keV

最后得到的就是hν-511keV

当然还有一种情况

就是两个湮没光子

都从作用介质逃逸出去了

这个时候沉积能量是

hν-2×511keV

是这样的一个结果

当然我们上面描述的是三种特征能量

就是这个能量是好找的

还有一些其它情况

说一个光子作用了

另外一个光子康普顿散射了

或者两个都是康普顿散射等等

这种情况留下的能量

它就不是一个特征能量

在能谱上也那么没有明显的一个特征

能让我们找出来

所以在能谱上我们分析的时候

可能会看到这种特征的一个结果

例如第一种情况有两个光子

都留下能量了

所对应的是总能量

对于这样的一个能谱

它其实是归到全能峰里头去了

对于第二种情况

有一个光子

湮没光子逃逸

一个留下来

对应的能量是多少呢

就是总能量减去511keV

在这个能谱图上

我们用SE去表示它

叫单逃逸峰

对于第三种情况

就是两个湮没辐射都逃逸出去

这个时候对应的能量

就是1778-1022

也就是DE这个地方表示

叫双逃逸的一个情况

我们说在分析γ能谱的时候

如果你发现

有这个511的keV的一个峰位

或者0.511MeV的峰位

这种情况下就要注意

首先我们要知道

它是一个什么样的峰

因为能谱上的峰

我们都会有一些名称去定义

名称表示了它形成的一个过程

物理过程是什么

是什么峰呢这个峰就是我们前面

这个图里面会看到的511KeV

这个地方所对应的一个峰位

我们叫它叫湮没峰

湮没峰是怎么形成的呢

我们后面会看到

其实对于这样的一个

简单的这种放射源

它只放出一条1778keV的

伽玛射线的情况下

它能形成511keV的湮没峰

一定是这个射线和探测器

周围介质发生电子对效应之后的

一个后续过程

正电子的湮没产生的511

进入到探测器形成的

所以这个地方我们说

只要你分析γ能谱

看到了0.511meV的峰位

就要知道它是湮没峰

湮没峰看到了之后

你要注意

一定是发生了正电子的湮没

有正电子的湮没

这个正电子的湮没

我们要问一下

是在哪里发生的正电子湮没

是在探测器外面呢

还是在探测器里头

对于湮没峰来说

一定是在探测器外发生的湮没

再问一个问题

就是正电子究竟是从哪来的

从哪来的

对于湮没峰的正电子

我们说有可能有两种来源

第一种来源就是β+衰变

我们前面第三章讲到的

β+衰变原子核衰变过程里面

它会放出正电子来

这个正电子是当然也可能发生湮没

最后形成特征能量

0.511MeV最后被测到了

也叫湮没峰

另外一种情况就是电子对效应

这个电子对效应

我们要知道

它一定是发生在探测器之外的

一个电子对效应

所以这个在哪发生的电子对效应

我们问这个问题的时候

大家一定要回答是在探测器之外

发生了一个电子对效应

所以在这个能谱上呢

对应的就是511keV的这个峰位

我们叫湮没峰

在分析γ能谱的时候

如果你发现了一个比入射光子能量

小0.511MeV的峰位

这个峰位我们也要问它是什么峰

是什么峰

我们叫它叫单逃逸峰

少了0.511MeV

说明有一个湮没辐射逃掉了

另外一个湮没辐射

完全留在了探测器里头

看到了单逃逸峰

我们就要知道

一定是发生了正电子湮没

有一个湮没光子逃出探测器

我们要知道正电子湮没

究竟是在哪里发生的

从上面的描述显然可以看出来

这个正电子湮没

一定是发生在探测器内部的

这个正电子究竟是哪来的呢

这个正电子的来源呢

就只有一种情况了

它只能是电子对效应来的

而且这个电子对效应一定是在

探测器之内发生了一个电子对效应

所以我们在这个能谱上看到的

这样一个峰位

我们就叫它单逃逸峰

另外一种情况就是分析伽玛能谱的时候

如果发现了比hν小1.022MeV的峰位

我们知道这是一个双逃逸峰

双逃逸峰是正电子湮没之后

两个湮没光子

全部逃出探测器的一个结果

当然这个正电子的淹没

也是发生在探测器内部的

正电子的来源

同样也是电子对效应

这个电子对效应

一定是发生在探测器内部的

一个电子对效应

所以从能谱图上来看

就是DE表示的就是双逃逸峰

这个能量比1778就要小1022

所以这个要注意它们之间的关系

湮没峰是从0往上走511

单逃双逃都是从全能峰往下走511

还是走1022这样的一个关系

这个就是电子对效应

对伽玛能谱的一个直接的影响

关于电子对效应我们就讲到这里