当光电效应留下的电子空位被外壳层电子填充时， 当光电效应留下的电子空位被外壳层电子填充时，多余的 电子位能可能以特征X射线的形式放出 射线的形式放出。 电子位能可能以特征 射线的形式放出。如果这种多余的电子 位能不是以特征X射线形式放出 射线形式放出， 位能不是以特征 射线形式放出，而是直接传给另一个外层电 子使这个外层电子从原子中逸出则形成饿歇电子。 子使这个外层电子从原子中逸出则形成饿歇电子。可见入射光 子的能量最终转化为两部分：一部分为次级电子（ 子的能量最终转化为两部分：一部分为次级电子（光电子和饿 歇电子）的动能，另一部分为特征X射线。而这两部分都易于 歇电子）的动能，另一部分为特征 射线。 射线 止住，从辐射屏蔽的观点看， 止住，从辐射屏蔽的观点看，光电效应可以看成是真正的吸收 过程，它使入射的光子完全消失。 过程，它使入射的光子完全消失。

  表示一个原子发生光电效应的概率(截面)σpe， 其定义与核反应微观截面的定义完全类似。 光电效应的截面与光子能量E及吸收材料的原 子序数Z有关，可写成

  当入射γ射线能量由低能变高能时，n值由3变 到5，(4-2)式表明，低能γ射线与高原子序数 的物质发生相互作用时，光电效应占优势。

  （2）康普顿效应 ） 当初始能量为E的入射光子与原子内一个轨道电子相 当初始能量为 的入射光子与原子内一个轨道电子相 互作用后，把自己一部分能量交给轨道电子， 互作用后，把自己一部分能量交给轨道电子，而本身能量 变成E，并与入射方向θ角散射 康普顿散射光子）， 角散射（ ），获得 变成 ，并与入射方向 角散射（康普顿散射光子），获得 足够能量的轨道电子与光子的入射方向成φ角而射出 角而射出（ 足够能量的轨道电子与光子的入射方向成 角而射出（康 普顿散射电子），这种效应称为康普顿效应。 普顿散射电子），这种效应称为康普顿效应 ）， 实际处理时，忽略轨道电子的结合能， 实际处理时，忽略轨道电子的结合能，把轨道电子近 似看作自由电子，这样，康普顿效应可认为是γ光子与原子 似看作自由电子，这样，康普顿效应可认为是 光子与原子 中外层轨道电子的弹性散射，在这样的一个过程中， 中外层轨道电子的弹性散射，在这样的一个过程中，光子和反冲 电子遵循动量和能量守恒定律，由此可得： 电子遵循动量和能量守恒定律，由此可得：

  (1) 光电效应 γ光子通过物质时，可与原子的某壳层中的一个轨道 光子通过物质时， 光子通过物质时 电子相互作用，把自己的全部能量转移给这个电子， 电子相互作用，把自己的全部能量转移给这个电子，使 该电子脱离它所在的壳层， 该电子脱离它所在的壳层，并以光电子的形式从原子中 释放开来，这样的效应称光电效应。 释放开来，这样的效应称光电效应。 若入射光的能量为E，轨道电子的结合能为B 若入射光的能量为 ，轨道电子的结合能为 e，则光 电子的动能为： 电子的动能为： E’=E- Be (4-1) 发生光电效应的条件是:入射光子的能量必须大于某 发生光电效应的条件是 入射光子的能量必须大于某 壳层电子的结合能。 壳层电子的结合能。

  在电子对产生时，入射光子能量一部分转化为两个 电子静止质量，其余部分转化为正、负电子的动能。 电子对产生的负电子在物质中耗尽动能便停止下来。 而正电子在动能损失以后，与物质中的一个电子结 合，并转化为两个γ光子。这样的一个过程称为电子对湮没， 这两个γ光子称为湮没辐射。 实验表明，电子对效应的截面σpp与入射γ光子能量E 及吸收体的原子序数Z之间有如下关系： σ pp ≈ K pp Z 2 ( E − 1.02) (4-5) 在屏蔽计算中，由于湮没辐射能量较低，而且发射 时各向同性，通常把电子对效应认为是真正的吸收 过程。

  在核反应堆堆芯中，发生裂变时不但直接放射出中子和 在核反应堆堆芯中，发生裂变时不但直接放射出中子和γ 射线，而且裂变所形成的碎片是不稳定核素， 射线，而且裂变所形成的碎片是不稳定核素，它们要经受衰 变并放出某种辐射。 变并放出某种辐射。为保障辐射场所工作人员和周围邻近 地区居民的安全和健康，保护自然环境， 地区居民的安全和健康，保护自然环境，必须对反应堆设置辐射 屏蔽。 屏蔽。 辐射屏蔽设计的目的： 辐射屏蔽设计的目的：确保辐射源附近的工作人员和周 围的居民所接受的外照射剂量、当量低于规定的限制； 围的居民所接受的外照射剂量、当量低于规定的限制；确保 反应堆能承受压力的容器等部件在反应堆整个运行寿期内所受的辐射 损伤低于规定的限制； 损伤低于规定的限制；确保由核发热所引起的很多材料的升 升温梯度及热应力低于规定的限值。 温，升温梯度及热应力低于规定的限值。 辐射屏蔽最大的作用：保护辐射源附近工作人员的健康。 辐射屏蔽最大的作用：保护辐射源附近工作人员的健康。 辐射屏蔽的种类：生物屏蔽，热屏蔽，设备屏蔽，等等。 辐射屏蔽的种类：生物屏蔽，热屏蔽，设备屏蔽，等等。

  由于反冲电子总要吸收一部分能量，所以散射光子 的能量必定低于入射光子的能量，但康普顿散射不是完 全吸收γ射线的过程，γ光子每经过一次康普顿散射后， 其次级γ光子能量都降低一些，出射方向发生改变一次，于 是形成多次散射。多次散射对反应堆屏蔽很重要。

  （3）电子对效应 ） 光子的能量E大于两倍电子静止质量 当γ光子的能量 大于两倍电子静止质量（1.02MeV） 光子的能量 大于两倍电子静止质量（ ） 所对应的能量时， 所对应的能量时，与原子核或电子的库仑场发生相互作用 过程中，一个入射光子的γ光子转化成一对正负电子 光子转化成一对正负电子， 过程中，一个入射光子的 光子转化成一对正负电子，这 样的过程称为电子对效应。 样的过程称为电子对效应。

  ① 弹性散射 中子与原子发生散射反应 中子重新出射， 后，中子重新出射，靶核的 内能不变仍处于基态。 内能不变仍处于基态。散射 前后中子-靶核系统的动能和 前后中子 靶核系统的动能和 动量是守恒的。 动量是守恒的。

  ② 非弹性碰撞 中子与原子核发生非弹性散射时， 中子与原子核发生非弹性散射时，入射中子的一部分 动能变成靶核的激发能， 动能变成靶核的激发能，处于激发态的靶核接着通过发射 γ光子而回到基态。非弹性散射中子从发生碰撞处离开通 光子而回到基态。 光子而回到基态 常要改变运动方向，能量也大为减少。实际上， 常要改变运动方向，能量也大为减少。实际上，非弹性碰 撞是反应堆屏蔽中使快中子能量慢慢地减少的主要过程。 撞是反应堆屏蔽中使快中子能量慢慢地减少的主要过程。非 弹性散射反应仅当入射中子动能高于靶核第一激发态时才 能发生。 能发生。

  习惯上把宏观截面叫做衰减系数，并用µ表示， 即 µ = Nσ = µ pe µ c µ pp (4-7) 实验表明，当经过准直的窄束γ光子射到吸收体 上时，辐射束强度I随吸收体厚度按指数规律衰 减，即 I = I 0 exp(− µx) （4-8） 式中x为吸收体厚度，I0为入射的γ辐射强度，I为 经厚度为x的吸收体后的γ辐射强度。 若用物质的密度去除衰减系数就能够获得质量衰 减系数： µ µ pe µ c µ pp (4-9) = ρ ρ ρ ρ

  4.2 γ射线与物质的相互作用 射线 γ射线与物质的相互作用的主要过程 射线与物质的相互作用的主要过程

  在裂变过程中以及与裂变中子相互作用过程 中产生的γ射线与物质的相互作用有许多可能 的机理，对γ光子减弱有重大影响的相互作用 只有三种：光电效应、康普顿效应和电子对 效应，它们们的主要过程发生的概率与光子 能量hv及吸收物质的原子序数Z有关。由下图 4.1可以看出：

  4.2.2 γ截面与衰减系数 截面与衰减系数 γ射线与物质中每个原子相互作用的总截面是上述光电 射线与物质中每个原子相互作用的总截面是上述光电 效应、康普顿效应、电子对效应之和： 效应、康普顿效应、电子对效应之和： σ = σ pe σ c σ pp (4-6) 由于前两种效应随γ射线能量的增加面减少 射线能量的增加面减少， 由于前两种效应随 射线能量的增加面减少，电子对 效应却随γ射线能量的增加而增大。对于所有元素来说， 效应却随 射线能量的增加而增大。对于所有元素来说， 射线能量的增加而增大 总的截面总会在某个能量处出现最小值， 总的截面总会在某个能量处出现最小值，这一个地区辐射最 容易穿透， 容易穿透，图4.5（a）和图 （b）分别表示氧和铅的三 （ ）和图4.5（ ） 种相互作用的总截面，由这两个图联想到， 种相互作用的总截面，由这两个图联想到，总截面出现最 小值的能点随原子序数的增大而减小。 小值的能点随原子序数的增大而减小。图4.6表示最小值能 表示最小值能 点位置随Z的变动情况。 点位置随 的变动情况。 的变化情况

  当光子能量在0.8当光子能量在 4MeV之间时。对原子 之间时。 之间时 序数为任何值的物质， 序数为任何值的物质， 康普顿效应都占优势。 康普顿效应都占优势。 一般地说， 一般地说，对于低原子 序数的物质， 序数的物质，康普顿效 应在很宽的能量范围内 占优势， 占优势，对于中等以上 原子序数的物质， 原子序数的物质，在低 能时光电子效应占优势， 能时光电子效应占优势， 在高能时电子对效应占 优势。 优势。

  中子和γ射线的减弱过程的不同之处： （1）它们与物质的相互作用过程不同； （2） γ光子反应涉及到电子，而中子只涉及原子核； （3）除了在K层和L层边界等处外，光子与物质相互 左右的概率是能量和原子序数二者的平滑函数。 光子的大多数截面数据是通过精确计算得到的，并 有实验做了充分检验，而中子的许多截面中存在着 由共振和阔现象所引起的急剧变化，中子和原子核 相互作用有关的一些过程很复杂，某些截面数据 任旧存在着空白，因此中子的屏蔽问题要比γ射线的 复杂的多。

  辐射屏蔽设计总的原则：保证辐射场所工作人员及 周围居民在反应堆运行期间所受到的辐射照射低于 规定限值，并在考虑到经济和社会因素的条件下所 有的辐射照射保持合理可行尽量低(As Low As Reasonably Achievable，简称ALARA原则)。 反应堆系统中产生的辐射有α 粒子， 射线 射线、 反应堆系统中产生的辐射有α和β粒子，γ射线、中子 和质子等，但屏蔽设计中考虑的只是γ射线和中子 考虑的只是 射线和中子。 和质子等，但屏蔽设计中考虑的只是 射线和中子。 因为它们的穿透力强， 因为它们的穿透力强，任何能把它们减低到足够程 度的材料将自动地把其他辐射减低到可忽略不计 的程度。 的程度。

  4.3.1 中子与物质的相互作用 中子不带电荷，它不受原子电场的影响。 中子不带电荷，它不受原子电场的影响。中子与原 子核发生相互作用的结果， 子核发生相互作用的结果，中子能改变能量和运动 方向，也可以被原子核吸收。 方向，也可以被原子核吸收。中子和特定的原子核相 互作用的总截面是散射截面和吸收截面之和。 互作用的总截面是散射截面和吸收截面之和。散射是 使中子慢化的主要核反应过程， 使中子慢化的主要核反应过程，它有弹性散射非弹性 散射两种；而中子吸收反应有辐射俘获、裂变、 散射两种；而中子吸收反应有辐射俘获、裂变、放出 带电粒子等反应。 带电粒子等反应。

  表4.1给出了某些物质的γ射线质量衰减系数，由 于在γ射线能量相当大的范围内，除了非常重的 元素外，对一切元素，康普顿截面都超过光电截 面和电子对截面，而康普顿效应是一个电子过程， 且除氢以外的等质量的一切物质含有大致相同的 电子数，所以在此能量范围内，等质量的一切物 质具有大致系统的减弱γ的效率，也就是说，总 量相同的任何材料其屏蔽能力大致相等。

  其中E和E’是入射和散射光子的能量(MeV)，Ѳ是散射 α = me c 2 = 0.511MeV 是电子静止质量me所对应的能量。 角， 可见散射光子的能量E’随散射角Ѳ的增大而减小，当Ѳ=π 时，E’达最小值。 类似的可以定义一个原子的康普顿散射截面σc，由 于康普顿效应完全依赖于电子数Z，且与入射光子能量成 反比，可写成：