高能电子束与目标的相互作用探究

电子是带负电的亚原子粒子，被认为是构成物质原子的基本粒子之一，电子带有1/2 自旋，是一种费米子，电子所带电荷为1.6×10-19 C，静止质量为9.11×10-31 kg。电子与质子之间的库仑力，使得电子被束缚在原子周围，成为束缚电子，当电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，则称为自由电子。

带电粒子作用到靶物质或阻止介质（常称介质），由于阻止介质的原子是由带正电的原子核和核外带负电的电子所组成的，因而带电粒子会与阻止介质中的原子核和核外电子发生相互作用。如果带电粒子的动能足够大，能够克服阻止介质中原子核的库仑势垒而进入核力的作用范围（～10-12 cm），核相互作用就会发生，由于核相互作用截面（～10-26 cm2）相比库仑相互作用截面（～10-16 cm2）要小很多［1］，因此带电粒子与材料的库仑相互作用是主要作用形式。带电粒子与阻止介质相互作用有两方面的影响：一方面，粒子在材料中被散射或吸收，导致其能量逐步损失；另一方面，阻止介质在粒子束的作用下会产生激发、电离、溅射、次级粒子发射或次级射线等物理现象。

（1）带电粒子与核外电子的弹性和非弹性碰撞。当入射粒子从介质原子旁掠过时，介质原子的核外电子会受到入射粒子的库仑吸引或排斥作用，从而使电子得到一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服介质原子的库仑束缚成为自由电子，那么这时介质原子成为一个正离子和一个自由电子，这个过程就是介质原子的电离。由于原子最外层的电子束缚最弱，故此电子更容易被电离，如果电离出来的电子具有很高的能量，可以继续与其他靶原子的核外电子碰撞，则会再次产生电离。如果靶原子的内壳层电子被电离而形成一个空穴，就会导致核外壳层电子跃迁到内壳层空穴，从而产生两种物理过程：一种是原子特征X 射线发射，另一种是俄歇电子发射。如果传递给电子的能量不足以使电子克服介质原子的束缚而成为自由电子，那么可以使该电子从低能级态跃迁到较高的能级态，这种过程称为激发。处于激发态的原子是不稳定的，很快会（10-9～10-6 s）退激到原子的基态，退激时，会以X 射线的形式把能量释放出来。此外，带电粒子也会和核外电子发生弹性碰撞，但传递给电子的能量非常小，一般忽略不计。因此，带电粒子在介质中与介质原子核外电子的非弹性碰撞，导致介质原子的激发或电离，是带电粒子在介质中慢化损失动能的主要方式，称为电离损失或电子阻止。(www.xing528.com)

（2）带电粒子与介质原子核的弹性和非弹性碰撞。当入射粒子从介质原子核近旁掠过时，由于入射电子与原子核间的库仑相互作用，使入射粒子受到靶原子库仑吸引或排斥，会使入射粒子的速度和方向发生变化，从而伴随着电磁辐射的发射——韧致辐射，入射带电粒子因而损失能量，称为辐射能量损失。对于比较重（Z≥2）的入射带电粒子，与介质的原子核发生库仑相互作用而引起运动状态的改变很小，在许多情形下，对于由低原子序数原子组成的介质，辐射能量损失相对于其他的能量损失方式来说可以忽略不计。在原子核方面，特别是像质子、α 粒子以及更重的带电粒子，由于库仑相互作用有可能使介质原子核从基态激发到激发态，此过程称为库仑激发，由于发生这种作用方式的相对概率较低，通常可以忽略不计。当然带电粒子也可以与介质原子核发生弹性碰撞，这时碰撞体系保持总动能和总动量守恒，带电粒子和原子核都不改变其内部的能量状态，也不向外辐射电磁波。但入射粒子会转移一部分动能给原子核而损失自己的动能，而介质原子核因获得动能发生反冲，从而引起介质原子位移而形成缺陷，即辐射损伤。这种入射粒子损失能量的方式称为核碰撞能量损失或核阻止。电子的静止质量很小，很容易获得加速度而辐射光子，所以辐射损失是电子和物质相互作用的一种重要的能量损失方式。

带电粒子与介质相互作用相当复杂，同时存在多种相互作用过程，不同作用过程的相对概率大小以及对入射带电粒子行为的影响随阻止介质不同而变化，而且与带电粒子的质量和能量密切相关。