中子及中子测量

1、13.1 1、中子的中子的分类分类包括冷中子、热包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。中子、超热中子、共振中子。热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为能量为0.0253eV，中子速度，中子速度2.2103m/s.2、中子的性质、中子的性质mn1.008665u939.565300MeV/c2sn1/2, 费米子费米子0 0，中性粒子，中性粒子 n1.913042 N发生发生 衰变的半衰期衰变的半衰期T1/2=10.60min1) 241Am-Be中子源中子源。属于属于( ,n)型中子源。由型中子源。由241Am放射源放出的放射源放出的 粒粒子，打在

2、子，打在Be上发生反应，产生中子。上发生反应，产生中子。性能：性能：中子产额中子产额2.2106/s.CiT1/2433年；年；1、同位素中子源同位素中子源nCBe 129 中子能量为中子能量为0.111.2MeV，平均，平均5MeV；n/ 比比(中子中子 强度比强度比)为为10:1；2) ( ,n)型中子源型中子源。利用利用( ,n)反应获得中子。反应获得中子。优点优点：中子能量单一；：中子能量单一；缺点缺点：中子产额低，装置体积大。：中子产额低，装置体积大。3) 自发裂变中子源自发裂变中子源自发裂变中子源为超铀元素。以自发裂变中子源为超铀元素。以252Cf (锎锎)最常用。最常用。1克克2

3、52Cf 发射中子率为发射中子率为2.311013个个中子。半衰期：中子。半衰期：T1/2(自发裂变自发裂变)85.5a，T1/2( 衰变衰变)2.64a。中子平均能量为。中子平均能量为2.2MeV。2、加速器中子源、加速器中子源可以在相当宽的能区内获得可以在相当宽的能区内获得单能中子源单能中子源。主要反应主要反应：对对放能反应放能反应，如，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，当入，当入射氘核能量不高时射氘核能量不高时( Td 200KeV )，反应就可以，反应就可以有效进行，当有效进行，当 90 时，就可得到能量分别为时，就可得到能量分别为2.5MeV和和14MeV的的单能中子单能

4、中子。HendH32),(MeVQ269. 3 MeVEn5 . 2 HendH43),(MeVQ59.17 MeVEn14 3、反应堆中子源、反应堆中子源宽中子能量：宽中子能量：0.001eV十几十几MeV高中子注量率：高中子注量率：21610/1010cms 1. 1. 中子的散射中子的散射 1) 弹性散射弹性散射 (n,n)222222sincos)( mMmMmTTnn 中子与物质的相互作用实质上是中子与中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。物质的靶核的相互作用。出射粒子仍为出射粒子仍为中子中子、剩余核仍为、剩余核仍为靶核靶核。出射中子的动能：出射中子的动能：反冲核的

5、动能：反冲核的动能：当反冲核为当反冲核为质子质子(氢核氢核)时，时，Mm，上式变，上式变为：为：当当 = 0 时，时，反冲质子反冲质子能量最大，能量最大，Tp = Tn 22cos)(4nMTmMmMT 2cosnpTT 反冲质子反冲质子在在实验室座标系实验室座标系中的中的能量分布能量分布的的概率密度函数概率密度函数为：为：npTTP1)( 即对入射的单能中子而言，实验室坐标系即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其中，其反冲质子反冲质子的的能量分布能量分布是一个是一个矩形矩形，最大，最大能量为能量为Tn，最小为，最小为零零。这个关系可用于。这个关系可用于快中子快中子能谱能谱测量。测量。pT

6、)(pTPnT/10nT2) 非弹性散射非弹性散射 (n,n ) 入射中子的能量损失不仅使靶核得到入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲反冲，且使靶核处于且使靶核处于激发态激发态。处于激发态的靶核退激。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个时放出一个或几个特征特征 光子光子，在，在核分析技术核分析技术中有重要的应用。中有重要的应用。2. 2. 中子的俘获中子的俘获1) 中子的中子的辐射俘获辐射俘获 (n, ) 中子射入靶核后与靶核形成一个中子射入靶核后与靶核形成一个复合核复合核，而后而后复合核复合核通过发射一个或几个通过发射一个或几个特征特征 光子光子跃迁跃迁到基态。这些特征到基态。这些特征 光子

7、光子不同于不同于 (n,n ) 的特征的特征 光子。由于这些光子。由于这些 光子的发射与复合核的寿光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为命相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发中子感生瞬发 射射线线”，同样在核分析技术中有重要的应用。，同样在核分析技术中有重要的应用。复合核的形成。复合核的形成。 当发生当发生(n, )反应后，反应后，新形成的核素新形成的核素是是放射放射性的性的，就是常说的，就是常说的“活化活化”，测量活化核素的，测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的注量率，区分中放射性可以用来测量中子流的注量率，区分中子的能量范围。子的能量范围。2) 发射带电粒子的中子核反应发射带电

8、粒子的中子核反应 如如(n, )，(n,p)等，这些反应在中子探测中等，这些反应在中子探测中应用很多，成为应用很多，成为探测中子的探测中子的。 如如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高，等，这些反应的阈能较高，在在810MeV以上，只有特快中子才能发生。以上，只有特快中子才能发生。3) 裂变反应裂变反应 (n,f)4) 多粒子发射多粒子发射中子探测的特点：中子探测的特点：1) 中子为中子为中性粒子中性粒子，不能不能直接引起探测介质的电直接引起探测介质的电离、激发。离、激发。2) 在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生相互作用产生相互作用产生

9、可被探测的次级粒子可被探测的次级粒子的物质的物质()，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变等次级过程，产生裂变等次级过程，产生带电的带电的次级粒子次级粒子，如，如 ，p，f 等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。3) 中子与中子与辐射体辐射体有较大的有较大的作用截面作用截面，以获得较，以获得较大的中子探测效率。大的中子探测效率。1. 1. 核反应法核反应法主要的核反应有：主要的核反应有：MeVLiBn792. 2710 MeVHeLin786. 436 MeVHpHen764. 033 228010113841m

10、2280106936m 228010105327m 反应截面反应截面与与中子能量中子能量的关系：的关系：nTvvv1100 1/v规律规律，即随中子能量增加，反应截面减，即随中子能量增加，反应截面减小，因此核反应法适用于小，因此核反应法适用于慢中子慢中子的测量，尤其的测量，尤其是热中子的测量。是热中子的测量。 反应均为反应均为放热反应放热反应，反应能，反应能Q在生成核与出在生成核与出射粒子之间分配。由于反应能射粒子之间分配。由于反应能Q比较大比较大，又主要，又主要用于慢中子探测，即：用于慢中子探测，即：nTQ 故故出射粒子能量出射粒子能量难以反映难以反映慢中子的能量慢中子的能量，因此，因此，核

11、反应法常用于中子核反应法常用于中子的测量。这时，的测量。这时，Q大大易于甄别去除易于甄别去除 本底信号。本底信号。 探测介质中含有上述核素探测介质中含有上述核素的的气体探测器气体探测器、闪闪烁探测器烁探测器，或，或上述材料作为外辐射体上述材料作为外辐射体的的半导体探半导体探测器测器均可用均可用核反应法核反应法进行中子探测。进行中子探测。2. 2. 核反冲法核反冲法中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。 主要发生在主要发生在上，常用上，常用作为作为。反冲质子反冲质子使探测介质电离、激发而产生输使探测介质电离、激发而产生输出信号。出信号。反冲质子能量反冲质子能量：反冲质子

12、数反冲质子数： 2cosnpTT SpN 反冲质子的能谱反冲质子的能谱为为矩形分布矩形分布。此法主要用于。此法主要用于快中子快中子的探测，尤其是快中子的探测，尤其是快中子能量能量的测量。因的测量。因此，探测介质中富含此，探测介质中富含含氢物质含氢物质的探测器，如的探测器，如含含氢正比管氢正比管、有机闪烁体有机闪烁体等适用于核反冲法测量等适用于核反冲法测量快中子能谱。快中子能谱。3. 3. 核裂变法核裂变法 中子与中子与发生发生核裂变核裂变产生的产生的裂变碎片裂变碎片是是巨大的带正电荷的粒子巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。，能使探测器输出信号。通过测量碎片数，可求得中子注量率。通过测量

13、碎片数，可求得中子注量率。 裂变碎片裂变碎片的的总动能为总动能为150170MeV，形成形成的的脉冲幅度脉冲幅度比比 本底本底脉冲幅度脉冲幅度大得多大得多，可用于可用于强强 辐射场辐射场内中子的测量内中子的测量。 热中子可引起的核裂变热中子可引起的核裂变核：核：233U，235U，239Pu。如。如235U的热中子截面为的热中子截面为580b。对慢中子满。对慢中子满足足1/v 规律，仅适用于热中子的注量率测量。规律，仅适用于热中子的注量率测量。 一些重核只有当中子能量大于某一一些重核只有当中子能量大于某一阈能阈能才才能发生能发生核裂变核裂变，可用此判断中子的能量区间。，可用此判断中子的能量区间

14、。4. 4. 活化法活化法 选用一些选用一些核素核素具有较高的具有较高的活化截面活化截面，活化，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。后放射性核素也具有较易测量的放射性。如：如： InInn116115vSnIn116116 测量测量 粒子的发射率粒子的发射率可确定中子的可确定中子的注量率注量率。一般，一般，热中子热中子的的活化截面活化截面较高，此法适用于较高，此法适用于热热中子的注量率中子的注量率的测量。的测量。1. 1. 硼电离室和裂变室硼电离室和裂变室辐射体辐射体：常用：常用10B和和235U；涂敷在电极表面涂敷在电极表面工作状态工作状态：一般工作于：一般工作于电流工作状态电流工作状态

15、，裂变室裂变室也可工作于也可工作于脉冲工作状态脉冲工作状态。21III 裂变室由于裂变室由于裂变碎片射程很短裂变碎片射程很短，所以辐射体涂，所以辐射体涂层很薄，为提高探测效率而做成层很薄，为提高探测效率而做成。硼电离室还常工作于硼电离室还常工作于，通过补偿，通过补偿消消除除 本底的影响本底的影响。nI IIn I2. 2. 和和正比计数器正比计数器工作气体：含工作气体：含10B的的BF3或含或含高丰度高丰度3He的氦气。的氦气。工作状态：工作状态：脉冲型脉冲型工作状态。工作状态。性能特点：性能特点：BF3为负电性气体，性能较差；氦气为负电性气体，性能较差；氦气(尤其是高丰度尤其是高丰度3He)

16、价格昂贵。价格昂贵。3. 3. 含锂闪烁体含锂闪烁体常用常用6LiI(Eu)晶体；铈激活的锂玻璃等。晶体；铈激活的锂玻璃等。1) 含氢正比计数管含氢正比计数管气体介质含气体介质含H2或或CH4。2) 有机闪烁体有机闪烁体富含富含H和和C，还可以运用，还可以运用n/ 脉脉冲形状甄别技术，在较强的冲形状甄别技术，在较强的 场中测量中子。场中测量中子。4. 4. 利用质子反冲效应的探测器利用质子反冲效应的探测器 中心辐射体中心辐射体是是中子活化材料中子活化材料，活化后具有，活化后具有 放射性。放射性。 粒子作为粒子作为荷电粒子荷电粒子在极板间运动而在极板间运动而在外回路中产生输出信号。不需要外加电源

17、，在外回路中产生输出信号。不需要外加电源，称为称为自给能探测器自给能探测器。如：如：VnV5251),( CrV5252 输出信号：输出信号：5. 5. 自给能探测器自给能探测器 eni 性能：灵敏度性能：灵敏度 1.210-21A/单位中子注量率单位中子注量率;中子注量率测量范围中子注量率测量范围1091014/cm2s;体积小：直径体积小：直径12mm;时间延迟时间延迟5T1/2适合用于堆芯的中子注量率的测量。适合用于堆芯的中子注量率的测量。定义：定义： R Nt 为探测器灵敏体积为探测器灵敏体积中中辐射体辐射体的的。 0)()(dEEENRt 反应的发生率反应的发生率中子注量率中子注量率

18、对能量低于对能量低于30KeV的中子：的中子： KeVtdEEvvNR30000)( nvNdEEnvNRtKeVt0030000)( KeVdEEnn300)( 为为中子密度中子密度(包括包括30KeV以下各以下各种能量的中子种能量的中子)，所以探测器的计数直接代表了，所以探测器的计数直接代表了被测中子场的中子密度，即被测中子场的中子密度，即 。n(E)为能量为能量E处单位能处单位能量间隔的量间隔的中子密度。中子密度。v为为中子速度中子速度。vEnE )()( 由由则，则，中子注量率中子注量率为：为：vvNRvnt00 其中其中 为中子的为中子的平均速度平均速度， 为热中子的为热中子的最可最可几速度几速度。v0v对热中子，在对热中子，在T=20 C时，时，128. 1/0 vv故：故：0128. 1 tNR 则，则，热中子灵敏度热中子灵敏度为：为：128. 10 tNR 1. 1. 堆芯外堆芯外用于监测反应堆用于监测反应堆功率水平功率水平，探测器置于探测器置于压力壳外压力壳外。1) 启动量程：中子注量率启动量程：中子注量率102104/cm2s； 较小较小， 本底相对高本底相对高；用；用脉冲裂变室脉冲裂变室或或BF3正比计数器正比计数器。3) 功率量程：功率量程：大于大于1010/cm2s； 足够大，足够大， 本底相本底相对较小对较小；用；用电流