《中子计量修改》课件

中子计量

(修改版)

一、中子计量基础知识中子物理学主要研究中子的性质，中子和物质的相互作用，中子探测技术，中子剂量及其防护技术。中子已在工业、农业、国防和医疗卫生等各方面得到了广泛的应用。基础研究和应用都离不开中子测量技术，随着科学技术的发展，对中子测量准确度的要求也越来越高。要建立中子测量标准，研究相应的传递方法，以统一测量的量值。1精选ppt

中子计量

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一、中子计量基础知识1精选ppt第一节中子源

一．中子的基本特性

中子是不带电的中性粒子，其静止质量为1.008664904u(1.6749286×10-24g)，自由中子的寿命为（886.7±2.0）s。不能直接引起电离。探测要靠记录和原子核相互作用产生能引起电离的次级粒子来实现。

2精选ppt第一节中子源

一．中子的基本特性2精选ppt二．中子引起的核反应

中子和原子核的相互作用主要有:产生带电粒子的核反应，弹性和非弹性散射产生反冲核，引起原子核裂变原子核俘获中子后生成不稳定核（也称活化），该核衰变时放出可探测的射线。3精选ppt二．中子引起的核反应中子和原子核的相互作用主要有:3精选中子和原子核的相互作用与中子能量密切相关，对不同能量中子，所用探测器、探测原理都可能有很大差别。中子能区的划分不是很严格的，按目前的习惯可分为：1.热中子En=0.0253eV其速度υ=2200m/s对能量更低的中子，称为冷中子，其能量一般为meV量级。2.慢中子En<1keV；3.中能中子1keV<En<100keV；4.快中子100keV<En<20MeV中子的能量是指其具有的动能。4精选ppt中子和原子核的相互作用与中子能量密切相关，4精选ppt中子是核反应的产物，中子场总是伴随有γ射线，一部分是核反应直接产生的另一部分是中子与周围物质发生作用时产生的次级效应形成的γ射线在探测中子时，要注意γ射线的影响。5精选ppt中子是核反应的产物，中子场总是伴随有γ射线，5精选ppt三.中子源产生中子的物质，是中子测量的最基本条件。中子源根据其产生方式可分为：放射性核素中子源加速器中子源反应堆中子源三大类各有优缺点：放射性核素中子源的优点是体积小，结构简单，便于运输，价格便宜，使用方便；缺点是强度低，能谱形状复杂，有些还有很强的γ射线。6精选ppt三.中子源产生中子的物质，是中子测量的最基本条加速器中子源优点是强度高，利用不同核反应可在很宽的能区内获得单能中子，还可以产生脉冲中子束，在不运行时没有强辐射，但设备复杂，价格较贵。反应堆中子源是更强的中子源，其堆芯活性区中子能谱是软化的裂变谱，堆型不同能谱也不同，且很复杂。对研究用反应堆，通过在水平孔道放置慢化体或过滤器，可以获得很纯的热中子束或准单能的过滤中子束。7精选ppt加速器中子源7精选ppt（一）放射性核素中子源利用放射性核素衰变放出的具有足够能量的γ射线或α粒子轰击某些靶物质，通过核反应产生中子。通常由发射体、靶物质及相应的包壳组成。发射体要求有适当的半衰期，足够高的射线能量，稳定的化学特性。靶物质一般采用中子结合能低的轻核材料，铍是最常用的物质之一重核通过自发裂变产生中子，也属于放射性核素中子源。放射性核素中子源可分为（α、n）、（γ、n）和自发裂变三种。8精选ppt（一）放射性核素中子源利用放射性核素衰变放出的具有足够能量的1．（α，n）中子源这类中子源主要是具有足够高能量的α粒子打在靶物质上产生中子。241Am，226Ra，210Po及238Pu等常用作为α粒子发射体铍则是最常用的靶物质，特殊用途的中子源也有用硼、锂等作靶材对（α，n）Be中子源主要的核反应是：9Be+α→12C+n+5.711MeV9精选ppt1．（α，n）中子源这类中子源主要是具有足够高能量的α粒子打上述发射体发射的α粒子能量都在4～6MeV之间α粒子与靶核的反应可能有多个反应道和靶材料的散射和慢化，因此（α，n）类中子源具有复杂的连续能谱。一般都是发射体与靶物质均匀混合形成中子源活性区，还有些制成合金或陶瓷体后装在不锈钢封壳内，通常不少于两层封壳，以防止放射性物质的泄漏。此类中子源常用比源强（s-1Bq-1）来表示其产额特性。10精选ppt上述发射体发射的α粒子能量都在10精选ppt

226Ra、210Po、238Pu、241Am是常用的α发射体。241Am可以做成Am-Be（α，n）和Am-B（α，n）等类中子源后者能谱比较简单，平均中子能量低，比源强也低很多，只及前者的四分之一。目前Am-Be中子源是最常用的中子源，其强度一般在104～107s-1。11精选ppt226Ra、210Po、238Pu、242．（γ，n）中子源

（γ，n）中子源又称光中子源利用某些放射性核素放出的γ射线打到靶物质上，通过（γ，n）反应产生近似单能中子。优点是单色性好，可获得几十keV到1MeV能区的多个能量点，有些其它方法不易得到；缺点是比源强低，伴随有很强的γ射线，不易操作，多数寿命短。由于（γ，n）是吸热反应，有较高的阈能，所以只有少数轻核（如氘和铍）适合于做靶材料。其核反应式分别如下：γ+9Be→8Be+n-1.665MeVγ+2H→p+n-2.226MeV12精选ppt2．（γ，n）中子源

（γ，n）中子源又称光中子源12精选p

表1几种常用光中子源的参数光中子源有很强的γ射线，如Sb-Be中子源的γ剂量当量率为中子剂量当量率的近104倍。

类型T1/2平均中子能量/keV标准中子产额/MBq-1·s-1

24Na-Be15.0h9592.9～3.524Na-D2O15.0h2645.8～7.3124Sb-Be60.2d22.84.1～5.1228Th-Be1.91a2270.68～1.9228Th-D2O1.91a1972.6～3.0226Ra-Be1600a<6700.81～1.2226Ra-D2O1600a1200.03～0.1613精选ppt

表1几种常用光中子源的参数

类型T1/2平均中子能量3．自发裂变中子源

适宜作中子源的主要有252Cf，半衰期2.65a1μg252Cf中子产额约为2.4×106s-1，这是其它类型放射性核素中子源不能与之相比的。表2列出了252Cf中子源的主要特性。目前国际标准化组织（ISO）推荐使用重水慢化的252Cf中子源用直径为30cm的球形重水壳包住中子源，使其能谱软化而更接近于反应堆周围的中子场，对中子个人剂量计的校准工作更为有利。14精选ppt3．自发裂变中子源适宜作中子源的主要有252Cf，半衰期

表2252Cf的主要特性衰变方式α衰变96.9%自发裂变3.1%半衰期（总的）α衰变半衰期自发裂变半衰期（2.646±0.0004）a（2.731±0.0007）a（35.5±0.5）a自发裂变中子产额每次自发裂变放出的平均中子数ν平均中子能量平均α粒子能量γ射线发射率2.31×1012/（s·g）3.762.348MeV6.117MeV1.3×1013/（s·g）15精选ppt

表2252Cf的主要特性衰变方式α衰变96.9%（二）加速器中子源

加速器中子源是带电粒子被加速获得能量，轰击靶核通过核反应产生中子。这类中子源的特点是：①强度高，一般可达108～1012s-1，甚至可以达到1015s-1；②可以在很宽的能量范围内产生单能中子；③还可以产生脉冲中子束；④在加速器不运行时，没有强的放射性。最常用的核反应及产生中子的能量列于表316精选ppt（二）加速器中子源加速器中子源是带电粒子被加速获得能量，轰表3常用的加速器中子源

1）7Be*为7Be核的激发态。

核反应中子能区MeV

入射粒子能区MeV

产生第二组能量中子核反应阈MeV

D(d，n)3He2.4～6.00.1～4.5D(d,np)D4.45T(d,n)4He12～200.1～3.8T(d,np)T3.71T(p,n)3He0.3～7.51.25～8.4T(p,np)D8.347Li(p,n)7Be0.12～0.61.92～2.47Li(p,n)7Be*1）2.3817精选ppt表3常用的加速器中子源核反应中子能区入射粒子能区产生第二目前用作中子源的加速器主要有：高压倍加器（或中子发生器）静电加速器（包括串列式）回旋加速器直线加速器。主要是以产生高压电场的方式或粒子加速的方式来划分。18精选ppt目前用作中子源的加速器主要有：18精选ppt（三）反应堆中子源反应堆有多种类型，各有不同特点和用途有活性区、反射层、屏蔽层和控制系统等对研究用的反应堆还有各种实验孔道作为中子源主要是研究型反应堆，其功率从几兆瓦到几十兆瓦中子注量率1012～1014s-1·cm-2，还有高通量反应堆，其中子注量率可达1015s-1·cm-2以上，另外还有特殊用途的脉冲式反应堆。反应堆内的中子能量范围很宽，峰值在0.8MeV附近，平均能量为2MeV。总的中子能谱是很复杂的，为了得到某些能量的中子，采取下列措施引出近似单色中子。19精选ppt（三）反应堆中子源反应堆有多种类型，各有不同特点和用途19精

1．热中子束

热中子是最常用的反应堆中子源。利用石墨对中子很快慢化而吸收很少的特点，可以获得很强的热中子源。描述热中子的纯度常用“镉比”用低能区其俘获截面遵守1/υ规律的探测器，不包和包上1mm镉片测得的计数比，多采用197Au（n，γ）198Au高纯热柱镉比可达5×104用特殊装置，使热中子的能量降低到低于5meV成冷中子源20精选ppt1．热中子束热中子是最常用的反应堆中子源。20精选ppt

2．过滤中子束要获得某些准单能中子，在反应堆水平孔道内放入某些物质，其中子全截面在某些能量附近形成低谷（也叫“中子窗”），当从反应堆出来的连续谱中子通过这些物质后，获得该能量的准单能中子。通常用几种材料做成复合过滤器。即使这样也总是伴随有低能或高能中子本底，而且还伴随有很强的γ射线。21精选ppt2．过滤中子束要获得某些准单能中子，在反应堆水平孔道内放入下列过滤束可获得准单色中子铁24.5keV硅144keV钪2keV238U186eV通常都是准直束中子注量率一般103～105s-1·cm-2。表4列出了有关过滤束的情况。22精选ppt下列过滤束可获得准单色中子铁24.5keV22精选表4常用的过滤束装置过滤材料辅助材料中子能量/keV238USc，Mn，Ge0.186ScTi或Ni，Zn2.0Fe-AlS24.5SiTi，B或Pb，B14423精选ppt表4常用的过滤束装置过滤材料辅助材料中子能量/keV第二节中子的探测

对中子的测量大致可分为三大类：①

中子数目的测定（包括中子源强度、中子注量等）；②

中子能谱测量（中子数目随能量的分布）；③

中子与物质的相互作用的测定（如各种核反应截面，中子在物质中的能量传递、损失以及引起的相应的生物效应）对电离辐射的测量，中子的测量难度较大，测量不确定度也较大。中子探测主要利用核反应法、核反冲法、核裂变法、活化法和量热法等。

24精选ppt第二节中子的探测对中子的测量大致可分为三大类：24精选p一.核反应法

用于中子探测的主要核反应有：n+10B→α+Li+2.792MeVσ0=3838.2bn+6Li→α+T+4.786MeVσ0=941.4bn+3He→p+T+0.764MeVσ0=5327b这三个核反应都是放热反应，等式后面的能量为相应的反应Q值。σ0热中子的反应截面。25精选ppt一.核反应法用于中子探测的主要核反应有：25精选ppt（一）10B（n，α）反应

主要是气态BF3，多数作为正比计数管的内充气体，BF3正比计数管。天然硼中10B的含量仅为19.9%，常采用10B含量达96%的浓缩硼。

7Li+α+2.792MeV（6.1%）n+10B7Li*+α+2.31MeV（93.9%）

7Li*→7Li+γ+0.478MeV第二个反应道的产物核7Li核处于激发态，通过释放能量为478keV的γ射线跃迁到基态。这一反应道几率占93.9%。

26精选ppt（一）10B（n，α）反应主要是气态BF3，多数作为正比（二）6Li（n，α）反应

这个反应的特点是放出的能量最大，中子产生的信号容易与γ射线分开，但是反应截面最小。它没有合适的气态化合物，所以只能做成固体材料，如6LiI晶体或锂玻璃，6LiI晶体容易潮解，因此用得不多。27精选ppt（二）6Li（n，α）反应这个反应的特点是放出的能量最大，（三）3He（n，p）反应

优点是反应截面最大，但放出的能量低，产生的带电粒子质量轻，射程长。要加入重的惰性气体（如Ar、Kr、Xe等），使其对γ射线探测的灵敏度增加，不适用于强γ射线情况下使用。3He质量轻，当中子能量超过1MeV时，产生的反冲3He产生的脉冲，就可能干扰（P+T）产生的脉冲。测量1MeV以下中子能谱有其突出优点，热中子产生的脉冲幅度，可以用作能量刻度（相当于764keV）。28精选ppt（三）3He（n，p）反应优点是反应截面最大，但放出的能二、核反冲法通过记录反冲核来探测中子，这种方法就称为“反冲法”。是探测快中子的主要方法。反冲核的质量愈小，则可能获得的能量愈大。常用氢的反冲来探测中子，反冲氢核也称作反冲质子。29精选ppt二、核反冲法通过记录反冲核来探测中子，这种方法就称为“反冲法

反冲质子的能量和出射方向有以下关系：Ep=Encos2θθ—反冲质子的出射角；En—入射中子能量。中子能量不同，采用不同方法。在中子能量低于2MeV做成充含氢气体的正比计数管。在较高能量时，做成固体辐射体（如聚乙烯）或含氢的塑料闪烁体。30精选ppt反冲质子的能量和出射方向有以下关系：30精选ppt

三．核裂变法

记录裂变碎片探测中子常用的有235U和238U235U主要用于热中子注量测量其热中子的裂变截面准确测量，最多的是将235U做成电离室，测量中子引起的裂变碎片对快中子测量，用238U，因为238U裂变时，阈能将近1MeV，一般用于测量6MeV以上中子注量率。用235U测量快中子时，对热中子灵敏度比快中子高得多，要特别注意散射中子和其他低能中子的贡献。31精选ppt三．核裂变法记录裂变碎片探测中子31精选ppt四.活化法测量生成核发射的射线强度定中子注量，这就是活化法。197Au（n，γ）198Au是测量热中子最常用的方法，197Au唯一的同位素，易于得到高纯样品，衰变方式简单，产物核射线能量适中，半衰期合适，易于测量，热中子截面准确测量。对14MeV中子，中子注量测量

56Fe（n，p）56Mn，27Al（n，α）24Na核反应也是常用的方法之一。32精选ppt四.活化法测量生成核发射的射线强度定中子注量，这就是活化

五．量热法灵敏度很低绝对测量方法，准确度高制作要求很高用得并不多

33精选ppt五．量热法灵敏度很低33精选ppt第三节中子源强度测量

目前放射性核素中子源在科研、工农业生产各方面得到了广泛的应用凡是使用的中子源都要知道其强度，尤其用于校准各种中子测量仪表或测量一些重要的核数据，就要准确测定中子源的强度。中子源强度测量有多种方法，如水池法、金箔活化法及伴随粒子法等目前应用最广泛、测量准确度最高的是硫酸锰浴法。34精选ppt第三节中子源强度测量目前放射性核素中子源在科研、工农锰浴法的基本原理中子源放在装满硫酸锰水溶液的锰池中心中子在溶液中被慢化，被各种核所俘获55Mn俘获中子后生成56Mn，56Mn经β-衰变（T1/2=2.5785h），同时放出γ射线。56Mn的饱和放射性与中子源的强度成正比，测量56Mn的饱和放射性可以确定中子源的强度。在计算中子源强Q时还要考虑一些修正。目前中子源的强度标准仍然是中子计量的一个重要标准。35精选ppt锰浴法的基本原理中子源放在装满硫酸锰水溶液的锰池中心35精选36精选ppt36精选ppt

锰浴装置结构一个装满硫酸锰水溶液、尺寸足够大的锰池和γ射线探测器。锰池直径为1m的球形桶，采样容器用NaI（Tl）计数器测量γ射线，晶体多采用φ40mm×40mm循环式锰浴装置用循环水泵将已活化的硫酸锰溶液从锰池中抽出，送到装有探测器的采样容器内然后再回到锰池中，这样不断循环。37精选ppt锰浴装置结构一个装满硫酸锰水溶液、尺寸足够大的锰池和γ射线采用循环式结构有以下优点：①探测器放在锰池外面，降低本底；②可以边照射边测量，可获得更小的统计不确定度，降低测量下限一般测量源强范围可从105～107s-1。测量不确定度可以好于±1.0%目前对中子源强测量的不确定度，252Cf中子源可达0.5%，Am-Be中子源则略好于1%。下面列出国际比对的结果；38精选ppt采用循环式结构有以下优点：①探测器放在锰池外面，降低本底；339精选ppt39精选ppt第四节中子注量测量一、0.1～l.5MeV能区反冲质子正比计数器是这个能区中子注量率绝对测量的常用装置探测效率高，γ本底影响小，不确定度～2％正比计数器内充有含氢气体，如氢气、甲烷等入射中子与氢原子发生弹性散射产生反冲质子，即H(n,n)H反应通过记录反冲质子的数目，得到入射中子的注量，还可以确定其能量。40精选ppt第四节中子注量测量一、0.1～l.5MeV能区40精选一个典型的正比计数管，其结构示于图3。计数管由阳极、阴极和场管组成。阳极是直径为20～50μm的镀金钨丝，阴极直径为50mm的薄黄铜管，两端是直径为6mm的不锈钢场管，场管用来确定计数管的灵敏体积。外壳为不锈钢筒。阴极材料可以很薄，以便减少本底。加工正比计数管的工艺过程每一步都必须十分仔细、清洁。41精选ppt一个典型的正比计数管，其结构示于图3。41精选ppt

阳极和阴极分别加正负高压，场管接地。当阳极和阴极所加电压的比例使两场管为地电位时，灵敏区长度才等于两场管间的距离，这时所测到的反冲质子谱才和理论谱接近。这个电压比为：

d1—阴极直径；d2—场管直径；d3—阳极直径。42精选ppt阳极和阴极分别加正负高压，场管接地。42精选ppt图3 含氢正比管结构示意图43精选ppt图3 含氢正比管结构示意图43精选ppt设中子束平行入射，则计数管中产生的反冲质子数Np可表示为：

—入射中子注量率；—氢的弹性散射截面，以cm2为单位—灵敏体积内总的氢原子数

44精选ppt设中子束平行入射，则计数管中产生的反冲质子数Np可表示为：4

当中子源与正比计数管间距离较近时，中子束不能认为是平行的，这时应采用点源对圆柱体的几何来计算：

其中，N1/2—实验测量反冲质子谱的半面积计数；

M1/2—用Monte-Carlo方法计算出来的反冲质子谱的半面积概率；45精选ppt当中子源与正比计数管间距离较近时，中子束不能认为是平行的，ΔI—几何因子，表示为：

L1—点源与灵敏区的“前表面”间的距离；L2—点源与灵敏区的“后表面”间的距离。

46精选pptΔI—几何因子，表示为：46精选ppt中子能量为200keV时测得的反冲质子谱合成不确定度为1.8％。

47精选ppt中子能量为200keV时测得的反冲质子谱47精选ppt二、1.5～5MeV能区这个能区中子注量（率）的测量装置主要是半导体望远镜原理基于中子和氢核弹性碰撞产生反冲质子聚乙烯薄膜作为辐射体48精选ppt二、1.5～5MeV能区这个能区中子注量（率）的测量装原理和结构半导体望远镜的结构简图示于图4。中子打在聚乙烯（CH2）上产生的反冲质子用全耗尽型金硅面垒型半导体探测器记录反冲质子数测得的反冲质子数为Np，则中子注量φn应为：49精选ppt原理和结构49精选ppt图4半导体望远镜结构示意图

50精选ppt图4半导体望远镜结构示意图50精选ppt

2.5MeV中子注量的测量和不确定度

用D(d,n)3He反应产生2.5MeV中子。氘束能量200keV，测得的反冲质子谱如图5所示。需进行下列修正：靶头散射修正靶与望远镜之间物质引起的衰减和散射修正辐射体面积修正等等。不确定度主要来自下列因素：m值计算，样品称重，距离测量，中子散射及本底和计数统计等。合成不确定度为1.9％。51精选ppt

2.5MeV中子注量的测量和不确定度51精选ppt图5

用半导体望远镜测量

2.5MeV中子的反冲质子谱52精选ppt图5用半导体望远镜测量

2.5MeV中子的反冲质子谱52

三、

5～18MeV能区反冲质子望远镜是这个能区中子注量（率）绝对测量的主要装置测量原理和计算公式与上述半导体望远镜完全相同；由于中子能量高，各种本底相当强，必须采用符合方式来测量。53精选ppt

三、

5～18MeV能区53精选ppt辐射体中产生的反冲质子先穿过ΔE探测器，在其中损失很小一部分能量后再进入E探测器耗尽其全部能量。用ΔE及E探测器产生的脉冲进行符合，用符合脉冲开门去记录E探测器的脉冲幅度，大大降低本底影响。还可以用来进行中子能量的测量。合成不确定度为1.8％。54精选ppt辐射体中产生的反冲质子先穿过ΔE探测器，在其中损失很小一部分ΔE探测器可以是一个或两个相接的薄窗气体正比计数器或是一个穿透型的硅半导体探测器E探测器是CsI晶体或金硅面垒耗尽型探测器。根据所用的ΔE探测器数目，采用两重或三重ΔE-E符合装置。55精选pptΔE探测器可以是一个或两个相接的薄窗气体正比计数器55精选

图6反冲质子望远镜结构示意图56精选ppt

图6反冲质子望远镜结构示意图56精选ppt

图7用闪烁望远镜测量14.8MeV中子的反冲质子谱57精选ppt

图7用闪烁望远镜测量57精选ppt四、

伴随粒子法1.伴随放射性法在某些核反应A(a,n)B中，发射出的中子n和产物B是一一对应的如果伴随产物B具有特定的放射性，例如发射出具有适当半衰期和合适能量的γ射线等，那么，准确测量这些γ射线的强度，就可以得到产物B的数目，也就可以准确推算出该核反应产生的中子数目来。58精选ppt四、

伴随粒子法1.伴随放射性法58精选ppt7Li(p,n)7Be的反应产物7Be通过电子俘获以半衰期53.29d，分支比10.52%（1±0.1%）衰变到7Li激发态，然后立即放出477.6keV的γ射线退激发。如果用γ谱仪绝对测量Li靶的γ射线强度，推算出7Be生成的总数NBe，考虑7Li(p,n)7Be中子源的角微分截面，就可以相当准确地求得这个中子源在某个θ方向的中子注量率φ(En,θ)。

59精选ppt7Li(p,n)7Be的反应产物7Be通过电子俘获以半衰期5适用的中子能区约在100keV和几十keV中子在质心系基本各向同性。比值的不确定度约2%。60精选ppt适用的中子能区约在100keV和几十keV60精选ppt

2.伴随粒子法核反应产生中子的同时，还伴随产生重带电粒子，如3H(d,n)4He的4He核（即α粒子）等记录这些粒子，通过反应运动学关系，可对中子注量率进行准确测定，这称作伴随粒子法。主要介绍伴随α粒子法、伴随质子法，其设备简单，准确度可高达1％～2％，可及时反应瞬时中子注量率的变化。

61精选ppt2.伴随粒子法61精选ppt1）伴随α粒子法核反应d+T

n＋4He＋17.6MeV，中子和α粒子（即4He核）一一对应在与入射氘束成φ角的ΔΩα立体角内，测得有Nα个α粒子时，则相当于在与入射氘束成θ角的单位立体角的中子注量为：

62精选ppt1）伴随α粒子法62精选ppt测量不确定度主要来源几何尺寸的测量靶点漂移各向异性因子的计算Ti-T靶中T随靶深度分布的均匀性其他核反应产生的带电粒子本底等合成不确定度为1％至1.3％。

63精选ppt测量不确定度主要来源63精选ppt

2）伴随质子法

当氘束能量为200keV左右时利用D(d,n)3He获得2.5MeV的单能中子，通过测量3He粒子数来测定中子注量，但3He粒子能量较低，仅0.8MeV，不易和散射的入射d核分开d+D

p+t的质子能量约3～4MeV，易于测准用厚的Si探测器对它进行测量，效率不难达到100％与入射氘束成φ角处∆Ωp立体角内单位时间内记录到Np个质子，则相当于在与入射氘束成φ角处单位立体角内的中子注量率为：

64精选ppt2）伴随质子法64精选ppt五、长计数器结构和测量原理是一种简便、可靠的中子探测器突出优点是探测效率随中子能量变化缓慢，能在强γ本底场下工作用它不能直接进行中子注量率的绝对测量，效率需要经过校准广泛用作中子注量率测量的次级标准。各国中子计量实验室的常备设备。

65精选ppt五、长计数器结构和测量原理65精选ppt66精选ppt66精选ppt计数器由BF3正比计数管、聚乙烯慢化体、碳化硼热中子屏蔽层和铝壳组成。慢化体是直径380mm，长度为450mm的聚乙烯圆柱，中心插有BF3正比计数管。计数管外壳为不锈钢或无氧铜，外径27mm，厚0.5mm，内充10B浓缩度为95％的BF3气体，压力在30～60kPa之间，工作电压在1000～2000V之间。聚乙烯慢化体分两层，中间夹有一层含硼聚乙烯，用以屏蔽周围的本底中子。在慢化体前表面挡有一层厚0.5mm的镉片，用以吸收热中子本底。

67精选ppt计数器由BF3正比计数管、聚乙烯慢化体、碳化硼热中子屏蔽层和长计数器的效率εΩ定义是

I(θ)—长计数器表面法线方向单位立体角内的入射中子数目；

N—扣除本底后长计数器的净计数本底用挡锥法测量或用1／r2规律测定。

68精选ppt长计数器的效率εΩ定义是

68精选ppt565keV国际比对结果69精选ppt565keV国际比对结果69精选ppt144keV国际比对结果144keV国际比对结果70精选ppt144keV国际比对结果144keV国际比对结果70精选pp第五节中子的能量测量中子数目随能量的分布称作中子能谱1.直接测量中子的速度（飞行时间法）关键是测量中子飞行的时间，主要是确定起飞时间脉冲中子源（产生脉冲的电信号，与中子出发的同时信号）同时发生的事件（伴随粒子，裂变中子与裂变碎片等）对14MeV中子测量的时间分辨要求是ns量级对热中子是μs量级。71精选ppt第五节中子的能量测量71精选ppt2.通过测量核反应产物的能量反冲核（质子）（核乳胶—测量径迹长度，射程的长度，质子的能量）3He（n，p）T，6Li（n，α）T，目前3He（n，p）T用得最多，尤其在几百keV～2MeV能区。主要是测量产物核（p+T）的总能量放热反应，热中子可以产生762keV能量，可以用于能量刻度。

72精选ppt2.通过测量核反应产物的能量72精选ppt3.通过与已知中子能量关系的核反应几率推算入射中子的能量

阈探测器—用具有不同反应阈能的中子活化片多球谱仪—用一组不同直径的聚乙烯球内放置同一个热中子探测器。对不同的球，由于中子的慢化程度不同，因此有不同的响应，对同样的入射中子有不同的计数。73精选ppt3.通过与已知中子能量关系的核反应几率推算入射中子的第六节中子的反应截面测量入射中子与靶核发生核反应的几率单位m2—巴恩（barn）1b=10-24cm2在热中子能区，中子主要显示波动性，截面近似πλ，λ是中子波长λ=2.86x10-9/E1/2（E单位eV，λ，cm）在快中子能区，中子主要显示粒子性，反应截面和原子核的横截面πR2相当，R是原子核的半径，R≈10-13A1/3（单位，cm）74精选ppt第六节中子的反应截面测量74精选ppt反应截面根据反应的类型分为：全截面，弹性、非弹性散射截面，俘获截面，吸收截面和裂变截面，……等等。截面的测量有相对测量和绝对测量，相对测量是相对于已知的截面测量其比值，它的准确度常常决定于已知的截面值。绝对测量往往关键是中子注量测量的准确度。当然，与使用的中子源的能谱，散射中子的影响等因素都有关系。因此，要求有周密的考虑和深入的研究和丰富的经验。75精选ppt反应截面根据反应的类型分为：全截面，弹性、非弹性散射截面，俘第七节中子剂量测量它包括吸收剂量、剂量当量、照射量以及比释动能等概念。通过中子注量与剂量当量的转换因子，可以得到相应的剂量当量。76精选ppt第七节中子剂量测量它包括吸收剂量、剂量当量、照射量以及比1.中子剂量概述

国际辐射防护委员会（ICRP）1990年发表了第60号报告第一次引入了辐射权重因子WR（radiationweightingfactors）来代替过去用的品质因子Q。主要认为品质因子Q是对某点的吸收剂量加权，这是随机的，而权重因子是对辐射的品质加权，是平均的效应。77精选ppt1.中子剂量概述

国际辐射防护委员会（ICRP）1990年表5辐射权重因子

类型和能量范围

辐射权重因子WR

各种能量光子1各种能量电子和μ介子1中

子<10keV510～100keV10100keV～2MeV202～20MeV10>20MeV578精选ppt表5辐射权重因子类型和能量范围各种能量光子ICRU39#报告（1985）提出在辐射防护中，使用实用量。1）对场所剂量监测，采用周围剂量当量H*（d）定义为辐射场中某点处的周围剂量当量是相应的齐向扩展辐射场在ICRU球内，逆齐向场的半径上深度d处产生的剂量当量对强贯穿辐射（中子是强贯穿辐射，推荐d=10mm，写成H*（10）。79精选pptICRU39#报告（1985）提出在辐射防护中，使用实用量

辐射权重因子

80精选ppt辐射权重因子80精选ppt2）对于个人剂量监测，则用个人剂量当量是指人体某一指定点下面适当深度d处软组织内的剂量当量对强贯穿辐射，推荐值d=10mm。写成Hp（10）。剂量当量的单位是J·kg-1,专有名称为希沃特（Sv）。81精选ppt2）对于个人剂量监测，则用个人剂量当量81精选ppt几个相关的术语简单介绍：1.自由场的量在假定没有散射或本底影响的自由空间中进行照射所得到的量。2.齐向扩展辐射场由实际的辐射场导出的一个假设的辐射场，在其中的整个有关体积内，其注量及能量分布与参考点的实际辐射场相同，但其注量是单向的。82精选ppt几个相关的术语简单介绍：82精选ppt3．

强贯穿辐射在均匀的单向辐射场对某一给定的人体取向，如果皮肤敏感层的任何小块区域内所接受的当量剂量与有效剂量的比值小于10，则该辐射称为强贯穿辐射。中子和γ射线均为强贯穿辐射。83精选ppt3．

强贯穿辐射83精选ppt4．

组织等效材料其成分与肌肉组织相当，用于制造剂量测量器具的材料。中子辐射场总是伴随有γ射线，中子和γ射线的剂量权重因子差别很大，因此对中子剂量的测量，就要把中子贡献与γ射线的贡献分开，这给中子剂量的测量又增加了困难。84精选ppt4．

组织等效材料84精选ppt第二节中子测量仪表检定着重介绍与中子测量仪表检定有关的基础知识检定所需设备以及说明对这些设备的具体要求特别是由于中子经过周围物质散射后，其能量和方向都要发生变化中子仪表检定工作中，散射中子影响要特别予以注意。85精选ppt第二节中子测量仪表检定着重介绍与中子测量仪表检定有关的基础一.检定的基础知识

先介绍几个经常使用的名词术语1．校准因子是在标准条件下得到的响应倒数。仪表读数M乘以该因子即可得到被测量的值2．能量响应是仪表对单能中子注量（或剂量当量）响应与中子能量的函数关系。用符号RΦ(En)或RD(En)表示。86精选ppt一.检定的基础知识先介绍几个经常使用的名词术语86精选3.光子灵敏度，当γ射线加到中子场中时，所引起仪表读数的变化。4.试验点，在辐射场该点其被测量的约定真值是已知的。5.参考点，为校准或试验目的，而将仪器的该点放于试验点处。仪表的这一点则成为参考点。6．有效中心，如果将仪器内一点看作点探测器，则它的读数的变化遵循与源的距离反平方的关系则该点称作有效中心，对球对称仪表，一般是几何中心。87精选ppt3.光子灵敏度，当γ射线加到中子场中时，所引起仪表读数的变中子测量仪表的校准首先要有适当的中子源，特别注意到校准时用的中子场的能谱尽可能与实际使用时一致，因为大多数中子测量仪表的能量响应不是平坦的。我国已制订了相关标准，规定了校准辐射防护用中子测量仪表及确定其能量响应的中子参考辐射。表6列出了用作参考辐射的放射性核素中子源及有关的参数。88精选ppt中子测量仪表的校准首先要有适当的中子源，特别注意到校准时用的表6用于校准中子测量仪表的

放射性核素中子参考辐射源

名称T1/2a

剂量当量平均能量②MeV

比源强s-1·kg-1

1m处的比中子剂量当量率③Sv·s-1·kg-1

1m处的比光子剂量当量率④Sv·s-1·kg-1

252Cf2.652.42.4×10156.50.314⑤252Cf①（φ30cm重水慢化）2.652.22.1×10151.50.25

aMeVs-1·Bq-1Sv·s-1·Bq-1Sv·s-1·Bq-1241Am-Be4324.46.6×10-55×10-191.9×10-19241Am-B4322.81.6×10-55×10-201.9×10-1989精选ppt表6用于校准中子测量仪表的

放射性核素中子参考辐射源名称

①直径为30cm的重水球，外包厚度约为1mm的镉壳。②剂量当量平均能量——在由放射性核素中子源发射中子的情况下，它是针对某一参考点的剂量③对于252Cf，其值以源中锎的质量表示，而对241Am源，则以其活度值表示。④暂时规定照射量对剂量当量的转换系数为0.01Sv/（2.58×10-4C·kg-1）。⑤源的不锈钢封壳约为2.5mm。90精选ppt①直径为30cm的重水球，外包厚度约为1mm的镉壳。9表中推荐的裸体252Cf中子源，其优点是能谱已知表少，且可以获得足够大的源强（目前最大的源，几何尺寸小（近似点源），密封外壳所用材料少，这样几乎可认为是各向同性的，γ射线成分可以到mg量级，即中子源强度达109s-1）最大缺点是半衰期短，最多可用十年左右241Am-Be和241Am-B中子源的优点是半衰期长，432a，但不可能做得很强的源，尤其Am-B源强度更低。241Am-Be中子源目前最强的也只有5×107s-1。91精选ppt表中推荐的裸体252Cf中子源，其优点是能谱已知表少，且可以表7列出了用于测定中子测量仪表能量响应的主要能量点及其产生方法。作为中子测量仪表校准用的中子源，要由经过认可的计量技术机构检定。各测量仪表的校准技术要根据国家的有关检定规程进行。92精选ppt表7列出了用于测定中子测量仪表能量响应的主要能量点及其产生中子能量MeV

产生方法2×10-8（热中子）经充分慢化的反应堆或加速器产生的中子0.0005经水慢化的Sb-Be（γ，n）放射性核素中子源0.002钪过滤的堆中子束或加速器通过45Sc（p，n）45Ti反应产生的中子0.021Sb-Be（γ，n）放射性核素中子源0.024铁/铝过滤的反应堆中子束或加速器用45Sc（p，n）45Ti反应产生的中子0.144硅过滤的反应堆中子束，或加速器用7Li（p，n）7Be或T（p，n）3He反应产生的中子0.25，0.565用加速器通过T（p，n）3He或7Li（p，n）7Be反应产生的中子1.2，2.5用加速器通过T（p，n）3He反应产生的中子2.8，5.0用加速器通过D（d，n）3He反应产生的中子14.8，19.0用加速器通过T（d，n）4He反应产生的中子93精选ppt中子能量MeV产生方法2×10-8（热中子）中子测量仪表有很多种，推荐的中子剂量一周围剂量当量转换系数现在国际上已推荐使用新的数值。中子注量与周围剂量当量和个人剂量当量的转换系数最常用的一些值列于表8~表11。94精选ppt中子测量仪表有很多种，推荐的中子剂量一周围剂量当量转换系数表8

单能平行中子辐射（齐向扩展场）

从中子注量向周围剂量当量的转换系数h*φ（10；E）中子能量/keV热中子2251442505651200h*φ（10；E）/pSv·cm210.67.719.3127203343425中子能量/MeV2.52.83.25.014.819

h*φ（10；E）/pSv·cm2416413411405536584

95精选ppt表8单能平行中子辐射（齐向扩展场）

从中子注量向周围剂量当表9几种常用放射性核素中子源的

中子注量—周围剂量当量转换系数

h*（10）中子源R*φ（10）/pSv·cm2252Cf（重水慢化）105252Cf385241Am-B（α，n）408241Am-Be（α，n）39196精选ppt表9几种常用放射性核素中子源的

中子注量—周围剂量当量转换中子能量KeVhpφ(10,E,α)/pSv·cm2（α相对入射束角度）0°15°30°45°60°75°

热中子11.410.69.116.614.041.73

28.728.227.275.433.461.67

2420.219.917.213.67.852.38

14413413112110269.922.9

25021521420117312547.0

565355349347313245115

1200433427440412355210

2500437434454441410294

2800433431451441412302

3200429427447439412309

5000420418437435409331

14800561563581572576517

19000600596621614620568

97精选ppthpφ(10,E,α)/pSv·cm2（α相对入射束角度）0

表11

几种常用中子源中子注量φ

对剂量当量Hp（10）的转换系数

中子源hpφ(10,α)/pSv·cm2(α相对入射束角度)0°15°30°45°60°75°rotiso252CfD2O-慢化11010910910287.456.1

252Cf400397409389346230

241Am-B（α，n）426424443431399289

241Am-Be（α，n）411409424415383293

98精选ppt表11几种常用中子源中子注量φ

对剂量当量Hp（10）二.一般的检定原理

中子测量仪表种类很多，从用途分有辐射场的监测和个人剂量监测.对场所监测现在常给出周围剂量当量，这类仪表的校准应在自由空气中进行.个人剂量计的校准则要用适当的体模，根据GB/T17437—1998的规定仪表的响应或校准因子是仪表本身的特性，它可能与剂量当量率、入射中子能谱或方向有关，但不应与校准的方法、用的设备和校准的实验条件有关。99精选ppt二.一般的检定原理中子测量仪表种类很多，从用途分有辐针对这类仪表的校准，其主要原则也适用于其它仪表。校准时，将仪表的有效中心置于已知中子注量率的中子辐射场的参考点处，必须对各种散射中子的贡献进行扣除，并要对源或探测器大小的影响作修正。中子注量响应Rф可由下式给出：

Rф=MC/ф

式中，MC是对各种影响修正之后的读数。在仪表中心处注量率ф由下式计算:

ф=QΩ/l2

式中，l是从源的中心到有效测量点之间距离，而QΩ为中子源的角源强，100精选ppt针对这类仪表的校准，其主要原则也适用于其它仪表。100精选Q—中子源强度（即中子源在单位时间内4π立体角内发射的总中子数）；

F1（θ又由下式给出：

QΩ=QF1（θ）/4π

式中，

）—源的各向异性修正因子。

剂量当量响应RH则可从下式得到：

RH=RФ/hФ

式中，hФ是注量对剂量当量的转换因子，可参照前面的表，也可从有关文献中查到。

101精选pptQ—中子源强度（即中子源在单位时间内4π立体角内发射的总中三.检定用设备(一.)中子源中子源的强度必须经过认可的计量技术机构的检定。为了减少中子发射的各向异性，源最好做成球形，若是圆柱形，最好直径和高度近似相同。对圆柱形源，校准时源的轴线要与探测器方向成90°角，对所用的每个源都要测定其各向异性，以便于进行修正。表12列出典型商售中子源各向异性因子F（90°方向）。102精选ppt三.检定用设备(一.)中子源102精选ppt表12典型商售中子源各向异性因子F（90°）

校准时源要尽量位于房间的中心，周围不应放无关物品，更不能用屏蔽材料包裹中子源,放源支架也应用不含氢物质做成，且物质应尽量少。源外壳材料质量或放射性活度外径mm高度mm壁厚mmF（90°）252Cf不锈钢<100μg7.810.01.61.012252CfPt-Rh<10mg9.437.61.71.037241Am-Be（α，n）不锈钢≤3×1010Bq≤3.7×1011Bq22.430.03160.02.42.41.030约1.04103精选ppt表12典型商售中子源各向异性因子F（90°）

源外壳材料

(二).照射装置

主要是源与探测器的支架，它们主要用于定位，便于准确测定源与仪器中心的距离。支架应该刚性好，材料尽量少，但不要用含氢材料，以减小对中子的散射，并能较容易地改变源与仪表之间的距离且能准确测量。104精选ppt(二).照射装置

主要是源与探测器的支架，它们主要(三).照射实验室

室散射中子对仪表读数的贡献随房间大小、形状和结构而变化，实验室应使散射贡献尽可能低。但任何情况下，散射本底的贡献使校准仪表在该点处的读数增加值不得大于40%。

（四）影锥

应根据源和探测器的大小以及两者间的距离选择合适的影锥尺寸，

影锥对直接中子的透过率必须可忽略影锥的正确使用应考虑以下各点：

首先，在锥—中子源之间距离;

其次，锥的锥度应使它的张角大于被检仪表的立体角，但不大于这个立体角的两倍。105精选ppt(三).照射实验室

室散射中子对仪表读数的贡献随房间大小、四.散射中子的来源

仪表的校准因子应与校准设备和方法无关，所有校准都参照自由中子辐射场（即无任何散射中子和本底中子，纯粹来自于源发射的中子场）。散射中子主要来源于：室壁散射（包括地板、天花板），空气散射以及仪器支架的散射。散射中子对仪表读数的影响必须做修正。106精选ppt四.散射中子的来源仪表的校准因子应与校准设备和方法无关五.散射中子的修正散射中子对仪表读数的影响，一般与仪表的类型、仪表和源之间的距离以及房间的大小、形状和结构有关。下面是各项修正的具体做法。107精选ppt五.散射中子的修正散射中子对仪表读数的影响，一般与仪表的(一)室散射

中子被实验室墙壁、天花板等散射，其路径非常复杂，更多是在具体实验室条件下用实验方法测量,是散射中子的主要来源。

(二)空气减弱（外散射）

空气减弱与源—探测器之间距离近似线性增加.空对几种放射性核素中子源的平均值列于表13。

108精选ppt(一)室散射

中子被实验室墙壁、天花板等散射，其路径表13几种放射性核素中子源的线性减弱系数

（标准不确定度1.5%）

中子源线性减弱系数Σ/10-7cm-1重水慢化252Cf2964252Cf自发裂变105