粒子探测机理与Geant4模拟中的能量沉积问题

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粒子探测的机理

粒子的探测基于一个基本的原理， 就是粒子引起探测器灵敏区域的电离，如果电离的程度和粒子的能量有必然联系，则可以进一步测到粒子的能量，或者其它属性。但是粒子本身是不同的，因而测量的原理会有不同，探测器也千差万别。

带电粒子是最直接的被测粒子，因为他们直接产生电离，毫不拖泥带水。但是电子和质子的测量因为实际的情况而有差别，其中最重要的是重离子电离效果过于集中而导致收集效果的下降：复合影响了收集效率，因而产生了抑制因子(quench factor)。另外，重离子穿透力比较强，当探测器是气体等阻止能力不很强的情况下，有时候只能靠位置灵敏的探测器来记录粒子的路径。

X 射线和 gamma 射线本身不带电，但它们是高能的电磁场，因而也可以直接产生电离，但是不是那么直接，作用的方式更加多变了。直接的光电吸收随着能量的升高截面下降，导致的结果是即使是单能的射线入射，得到的也是一个含有康普顿坪以及各种小散射峰组成的谱。

接下来轮到中子了，它几乎就是幽灵，造成这种情况的根本原因是它对电子没兴趣，但是大家知道，原子核和电子的覆盖面积相比类似于一个乒乓球和一间房子的比例。更糟糕的是中 微子甚至于“暗物质” 对它们的测量仍然是当前研究的课题。

综合上面三种情况， 对一个粒子的探测可能结合了上述一种或者多种情况， 对一个粒子的记录包含其所有次级粒子引起灵敏探测器电离的情况， 注意探测器只收集电子离子对 （或者电子空穴对） ，而对里面发生的过程不感兴趣；并且，需要强调的是，Geant 只模拟物理反应 过程，不涉及电荷收集过程 。所以，对一个粒子的能量沉积的模拟，应该记录所有带电次级粒子的能量损失，而不记录非带电粒子，包括gamma。应该注意当同时有电子和反冲核沉积能量时， 二者不能简单加和， 因为探测器对二者的收集效率不 一样，需要考虑抑制因子的问题。还有一个例外需要注意，就是非瞬时的放射性衰变，多长时间的衰变认为和初级粒子同时发生，取决于探测器的死时间。

关于中子模拟

中子的模拟是核物理模拟中最复杂的一个过程， 中子因为截面小， 可能存在的能量跨度也非常宽，从冷中子，到慢中子、中能中子、快中子以及高能中子。反应方式不同，测量方式也不同。低能中子一般用和中子反应截面比较大的物质来测量，比如 BF3探测器，实际上测量的是B吸收中子后放出的特征gamma 射线，因而只能计数，不能测量能谱。对于能量比较高的中子，则需要用富含 H的物质来探测，比如聚乙烯；一方面是因为 H 核的散射截面大，令一方面是因为靶核越轻，散射时从中子获得的能量越多。

用液体闪烁体来探测中子， 测得中子的能量仍然是一件很困难的事情， 因为即使中子全部和H核作用，损失的能量也和碰撞时偏心的程度而不同。曾经见过一篇文章，在模拟多种中子能量和H核作用的能谱的基础上，对实测能谱做反卷积来测量中子能谱。但是仍然有很多不可控制的因素：中子可能打到其它的靶核，可能发生多次作用等等。此外，中子经过H核慢化后散射截面迅速增大，容易发生俘获而导致高能 gamma 射线的产生，因而模拟数据 需要比较多的后处理。

如果模拟液体闪烁体对中子的探测，需要记录的是所有带电粒子的能量损失，包括电子，H 核，D 核，C 核等。因为无论何种粒子，能量最终通过电子或者反冲核的形式沉积。其它粒子的能量损失不能计算，因为只是转移到带电粒子而已。

最后说一句题外话，常见中子能量为热中子和裂变中子，前者能量0.025eV，后者一般在1 －6MeV，10M 的中子比较少见。