1、8.1 1、中子的中子的分類分類包括冷中子、熱包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。中子、超熱中子、共振中子。熱中子：與吸收物質(zhì)原子處于熱平衡狀態(tài)，熱中子：與吸收物質(zhì)原子處于熱平衡狀態(tài)，能量為能量為0.0253eV，中子速度，中子速度2.2103m/s.2、中子的性質(zhì)、中子的性質(zhì)mn1.008665u939.565300MeV/c2sn1/2, 費(fèi)米子費(fèi)米子0 0，中性粒子，中性粒子 n1.913042 N發(fā)生發(fā)生 衰變的半衰期衰變的半衰期T1/2=10.60min1) 241Am-Be中子源中子源。屬于屬于( ,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，打在子

2、，打在Be上發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生中子。上發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生中子。性能：性能：中子產(chǎn)額中子產(chǎn)額2.2106/s.CiT1/2433年；年；1、同位素中子源同位素中子源nCBe 129 中子能量為中子能量為0.111.2MeV，平均，平均5MeV；n/ 比比(中子中子 強(qiáng)度比強(qiáng)度比)為為10:1；2) ( ,n)型中子源型中子源。利用利用( ,n)反應(yīng)獲得中子。反應(yīng)獲得中子。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：中子能量單一；：中子能量單一；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：中子產(chǎn)額低，裝置體積大。：中子產(chǎn)額低，裝置體積大。3) 自發(fā)裂變中子源自發(fā)裂變中子源自發(fā)裂變中子源為超環(huán)元素。以自發(fā)裂變中子源為超環(huán)元素。以252Cf (锎锎)最常用。最常用。1克克25

3、2Cf 發(fā)射中子率為發(fā)射中子率為2.311013個(gè)個(gè)中子。半衰期：中子。半衰期：T1/2(自發(fā)裂變自發(fā)裂變)85.5a，T1/2( 衰變衰變)2.64a。中子平均能量為。中子平均能量為2.2MeV。2、加速器中子源、加速器中子源可以在相當(dāng)寬的能區(qū)內(nèi)獲得可以在相當(dāng)寬的能區(qū)內(nèi)獲得單能中子源單能中子源。主要反應(yīng)主要反應(yīng)：對(duì)對(duì)放能反應(yīng)放能反應(yīng)，如，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，當(dāng)入，當(dāng)入射氘核能量不高時(shí)射氘核能量不高時(shí)( Td 200KeV )，反應(yīng)就可以，反應(yīng)就可以有效進(jìn)行，當(dāng)有效進(jìn)行，當(dāng) 90 時(shí)，就可得到能量分別為時(shí)，就可得到能量分別為2.5MeV和和14MeV的的單能中子單能中

4、子。HendH32),(MeVQ269. 3 MeVEn5 . 2 HendH43),(MeVQ59.17 MeVEn14 3、反應(yīng)堆中子源、反應(yīng)堆中子源寬中子能量：寬中子能量：0.001eV十幾十幾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) 彈性散射彈性散射 (n,n)222222sincos)( mMmMmTTnn 中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。物質(zhì)的靶核的相互作用。出射粒子仍為出射粒子仍為中子中子、剩余核仍為、剩余核仍為靶核靶核。出射中子的動(dòng)能：出射中子的動(dòng)能：反沖核的動(dòng)

5、能：反沖核的動(dòng)能：當(dāng)反沖核為當(dāng)反沖核為質(zhì)子質(zhì)子(氫核氫核)時(shí)，時(shí)，Mm，上式變，上式變?yōu)椋簽椋寒?dāng)當(dāng) = 0 時(shí)，時(shí)，反沖質(zhì)子反沖質(zhì)子能量最大，能量最大，Tp = Tn 22cos)(4nMTmMmMT 2cosnpTT 反沖質(zhì)子反沖質(zhì)子在在實(shí)驗(yàn)室座標(biāo)系實(shí)驗(yàn)室座標(biāo)系中的中的能量分布能量分布的的概率密度函數(shù)概率密度函數(shù)為：為：npTTP1)( 即對(duì)入射的單能中子而言，實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系即對(duì)入射的單能中子而言，實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中，其中，其反沖質(zhì)子反沖質(zhì)子的的能量分布能量分布是一個(gè)是一個(gè)矩形矩形，最大，最大能量為能量為Tn，最小為，最小為零零。這個(gè)關(guān)系可用于。這個(gè)關(guān)系可用于快中子快中子能譜能譜測(cè)量。測(cè)量。pT)

6、(pTPnT/10nT2) 非彈性散射非彈性散射 (n,n ) 入射中子的能量損失不僅使靶核得到入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖反沖，且使靶核處于且使靶核處于激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時(shí)放出一個(gè)或幾個(gè)時(shí)放出一個(gè)或幾個(gè)特征特征 光子光子，在，在核分析技術(shù)核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。中有重要的應(yīng)用。2. 2. 中子的俘獲中子的俘獲1) 中子的中子的輻射俘獲輻射俘獲 (n, ) 中子射入靶核后與靶核形成一個(gè)中子射入靶核后與靶核形成一個(gè)復(fù)合核復(fù)合核，而后而后復(fù)合核復(fù)合核通過(guò)發(fā)射一個(gè)或幾個(gè)通過(guò)發(fā)射一個(gè)或幾個(gè)特征特征 光子光子躍遷躍遷到基態(tài)。這些特征到基態(tài)。這些特征 光子光

7、子不同于不同于 (n,n ) 的特征的特征 光子。由于這些光子。由于這些 光子的發(fā)射與復(fù)合核的壽光子的發(fā)射與復(fù)合核的壽命相關(guān)，一般很快，故稱為命相關(guān)，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)中子感生瞬發(fā) 射射線線”，同樣在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。，同樣在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。復(fù)合核的形成。復(fù)合核的形成。 當(dāng)發(fā)生當(dāng)發(fā)生(n, )反應(yīng)后，反應(yīng)后，新形成的核素新形成的核素是是放射放射性的性的，就是常說(shuō)的，就是常說(shuō)的“活化活化”，測(cè)量活化核素的，測(cè)量活化核素的放射性可以用來(lái)測(cè)量中子流的注量率，區(qū)分中放射性可以用來(lái)測(cè)量中子流的注量率，區(qū)分中子的能量范圍。子的能量范圍。2) 發(fā)射帶電粒子的中子核反應(yīng)發(fā)射帶電粒

8、子的中子核反應(yīng) 如如(n, )，(n,p)等，這些反應(yīng)在中子探測(cè)中等，這些反應(yīng)在中子探測(cè)中應(yīng)用很多，成為應(yīng)用很多，成為探測(cè)中子的探測(cè)中子的。 如如(n,2n)，(n,np)等，這些反應(yīng)的閾能較高，等，這些反應(yīng)的閾能較高，在在810MeV以上，只有特快中子才能發(fā)生。以上，只有特快中子才能發(fā)生。3) 裂變反應(yīng)裂變反應(yīng) (n,f)4) 多粒子發(fā)射多粒子發(fā)射中子探測(cè)的特點(diǎn)：中子探測(cè)的特點(diǎn)：1) 中子為中子為中性粒子中性粒子，不能不能直接引起探測(cè)介質(zhì)的電直接引起探測(cè)介質(zhì)的電離、激發(fā)。離、激發(fā)。2) 在探測(cè)器或探測(cè)介質(zhì)內(nèi)必須具備能同中子發(fā)生在探測(cè)器或探測(cè)介質(zhì)內(nèi)必須具備能同中子發(fā)生相互作用產(chǎn)生相互作用產(chǎn)生可

9、被探測(cè)的次級(jí)粒子可被探測(cè)的次級(jí)粒子的物質(zhì)的物質(zhì)()，中子在輻射體上發(fā)生核反應(yīng)、核反沖、核，中子在輻射體上發(fā)生核反應(yīng)、核反沖、核裂變等次級(jí)過(guò)程，產(chǎn)生裂變等次級(jí)過(guò)程，產(chǎn)生帶電的帶電的次級(jí)粒子次級(jí)粒子，如，如 ，p，f 等，探測(cè)器記錄這些次級(jí)粒子并輸出信號(hào)。等，探測(cè)器記錄這些次級(jí)粒子并輸出信號(hào)。3) 中子與中子與輻射體輻射體有較大的有較大的作用截面作用截面，以獲得較，以獲得較大的中子探測(cè)效率。大的中子探測(cè)效率。1. 1. 核反應(yīng)法核反應(yīng)法主要的核反應(yīng)有：主要的核反應(yīng)有：MeVLiBn792. 2710 MeVHeLin786. 436 MeVHpHen764. 033 228010113841m 2

10、280106936m 228010105327m 反應(yīng)截面反應(yīng)截面與與中子能量中子能量的關(guān)系：的關(guān)系：nTvvv1100 1/v規(guī)律規(guī)律，即隨中子能量增加，反應(yīng)截面減，即隨中子能量增加，反應(yīng)截面減小，因此核反應(yīng)法適用于小，因此核反應(yīng)法適用于慢中子慢中子的測(cè)量，尤其的測(cè)量，尤其是熱中子的測(cè)量。是熱中子的測(cè)量。 反應(yīng)均為反應(yīng)均為放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)能，反應(yīng)能Q在生成核與出在生成核與出射粒子之間分配。由于反應(yīng)能射粒子之間分配。由于反應(yīng)能Q比較大比較大，又主要，又主要用于慢中子探測(cè)，即：用于慢中子探測(cè)，即：nTQ 故故出射粒子能量出射粒子能量難以反映難以反映慢中子的能量慢中子的能量，因此，因此，核反

11、應(yīng)法常用于中子核反應(yīng)法常用于中子的測(cè)量。這時(shí)，的測(cè)量。這時(shí)，Q大大易于甄別去除易于甄別去除 本底信號(hào)。本底信號(hào)。 探測(cè)介質(zhì)中含有上述核素探測(cè)介質(zhì)中含有上述核素的的氣體探測(cè)器氣體探測(cè)器、閃閃爍探測(cè)器爍探測(cè)器，或，或上述材料作為外輻射體上述材料作為外輻射體的的半導(dǎo)體探半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)器均可用均可用核反應(yīng)法核反應(yīng)法進(jìn)行中子探測(cè)。進(jìn)行中子探測(cè)。2. 2. 核反沖法核反沖法中子與靶核的彈性碰撞產(chǎn)生反沖核。中子與靶核的彈性碰撞產(chǎn)生反沖核。 主要發(fā)生在主要發(fā)生在上，常用上，常用作為作為。反沖質(zhì)子反沖質(zhì)子使探測(cè)介質(zhì)電離、激發(fā)而產(chǎn)生輸使探測(cè)介質(zhì)電離、激發(fā)而產(chǎn)生輸出信號(hào)。出信號(hào)。反沖質(zhì)子能量反沖質(zhì)子能量：反沖質(zhì)子數(shù)

12、反沖質(zhì)子數(shù)： 2cosnpTT SpN 反沖質(zhì)子的能譜反沖質(zhì)子的能譜為為矩形分布矩形分布。此法主要用于。此法主要用于快中子快中子的探測(cè)，尤其是快中子的探測(cè)，尤其是快中子能量能量的測(cè)量。因的測(cè)量。因此，探測(cè)介質(zhì)中富含此，探測(cè)介質(zhì)中富含含氫物質(zhì)含氫物質(zhì)的探測(cè)器，如的探測(cè)器，如含含氫正比管氫正比管、有機(jī)閃爍體有機(jī)閃爍體等適用于核反沖法測(cè)量等適用于核反沖法測(cè)量快中子能譜?？熘凶幽茏V。3. 3. 核裂變法核裂變法 中子與中子與發(fā)生發(fā)生核裂變核裂變產(chǎn)生的產(chǎn)生的裂變碎片裂變碎片是是巨大的帶正電荷的粒子巨大的帶正電荷的粒子，能使探測(cè)器輸出信號(hào)。，能使探測(cè)器輸出信號(hào)。通過(guò)測(cè)量碎片數(shù)，可求得中子注量率。通過(guò)測(cè)量碎

13、片數(shù)，可求得中子注量率。 裂變碎片裂變碎片的的總動(dòng)能為總動(dòng)能為150170MeV，形成形成的的脈沖幅度脈沖幅度比比 本底本底脈沖幅度脈沖幅度大得多大得多，可用于可用于強(qiáng)強(qiáng) 輻射場(chǎng)輻射場(chǎng)內(nèi)中子的測(cè)量?jī)?nèi)中子的測(cè)量。 熱中子可引起的核裂變熱中子可引起的核裂變核：核：233U，235U，239Pu。如。如235U的熱中子截面為的熱中子截面為580b。對(duì)慢中子滿。對(duì)慢中子滿足足1/v 規(guī)律，僅適用于熱中子的注量率測(cè)量。規(guī)律，僅適用于熱中子的注量率測(cè)量。 一些重核只有當(dāng)中子能量大于某一一些重核只有當(dāng)中子能量大于某一閾能閾能才才能發(fā)生能發(fā)生核裂變核裂變，可用此判斷中子的能量區(qū)間。，可用此判斷中子的能量區(qū)間。

14、4. 4. 活化法活化法 選用一些選用一些核素核素具有較高的具有較高的活化截面活化截面，活化，活化后放射性核素也具有較易測(cè)量的放射性。后放射性核素也具有較易測(cè)量的放射性。如：如： InInn116115vSnIn116116 測(cè)量測(cè)量 粒子的發(fā)射率粒子的發(fā)射率可確定中子的可確定中子的注量率注量率。一般，一般，熱中子熱中子的的活化截面活化截面較高，此法適用于較高，此法適用于熱熱中子的注量率中子的注量率的測(cè)量。的測(cè)量。1. 1. 硼電離室和裂變室硼電離室和裂變室輻射體輻射體：常用：常用10B和和235U；涂敷在電極表面涂敷在電極表面工作狀態(tài)工作狀態(tài)：一般工作于：一般工作于電流工作狀態(tài)電流工作狀態(tài)，

15、裂變室裂變室也可工作于也可工作于脈沖工作狀態(tài)脈沖工作狀態(tài)。21III 裂變室由于裂變室由于裂變碎片射程很短裂變碎片射程很短，所以輻射體涂，所以輻射體涂層很薄，為提高探測(cè)效率而做成層很薄，為提高探測(cè)效率而做成。硼電離室還常工作于硼電離室還常工作于，通過(guò)補(bǔ)償，通過(guò)補(bǔ)償消消除除 本底的影響本底的影響。nI IIn I2. 2. 和和正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器工作氣體：含工作氣體：含10B的的BF3或含或含高豐度高豐度3He的氦氣。的氦氣。工作狀態(tài)：工作狀態(tài)：脈沖型脈沖型工作狀態(tài)。工作狀態(tài)。性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)：BF3為負(fù)電性氣體，性能較差；氦氣為負(fù)電性氣體，性能較差；氦氣(尤其是高豐度尤其是高豐度3He)價(jià)

16、格昂貴。價(jià)格昂貴。3. 3. 含鋰閃爍體含鋰閃爍體常用常用6LiI(Eu)晶體；鈰激活的鋰玻璃等。晶體；鈰激活的鋰玻璃等。1) 含氫正比計(jì)數(shù)管含氫正比計(jì)數(shù)管氣體介質(zhì)含氣體介質(zhì)含H2或或CH4。2) 有機(jī)閃爍體有機(jī)閃爍體富含富含H和和C，還可以運(yùn)用，還可以運(yùn)用n/ 脈脈沖形狀甄別技術(shù)，在較強(qiáng)的沖形狀甄別技術(shù)，在較強(qiáng)的 場(chǎng)中測(cè)量中子。場(chǎng)中測(cè)量中子。4. 4. 利用質(zhì)子反沖效應(yīng)的探測(cè)器利用質(zhì)子反沖效應(yīng)的探測(cè)器 中心輻射體中心輻射體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。 粒子作為粒子作為荷電粒子荷電粒子在極板間運(yùn)動(dòng)而在極板間運(yùn)動(dòng)而在外回路中產(chǎn)生輸出信號(hào)。不需要外加電源，

17、在外回路中產(chǎn)生輸出信號(hào)。不需要外加電源，稱為稱為自給能探測(cè)器自給能探測(cè)器。如：如：VnV5251),( CrV5252 輸出信號(hào)：輸出信號(hào)：5. 5. 自給能探測(cè)器自給能探測(cè)器 eni 性能：靈敏度性能：靈敏度 1.210-21A/單位中子注量率單位中子注量率;中子注量率測(cè)量范圍中子注量率測(cè)量范圍1091014/cm2s;體積?。褐睆襟w積?。褐睆?2mm;時(shí)間延遲時(shí)間延遲5T1/2適合用于堆芯的中子注量率的測(cè)量。適合用于堆芯的中子注量率的測(cè)量。定義：定義： R Nt 為探測(cè)器靈敏體積為探測(cè)器靈敏體積中中輻射體輻射體的的。 0)()(dEEENRt 反應(yīng)的發(fā)生率反應(yīng)的發(fā)生率中子注量率中子注量率對(duì)

18、能量低于對(duì)能量低于30KeV的中子：的中子： KeVtdEEvvNR30000)( nvNdEEnvNRtKeVt0030000)( KeVdEEnn300)( 為為中子密度中子密度(包括包括30KeV以下各以下各種能量的中子種能量的中子)，所以探測(cè)器的計(jì)數(shù)直接代表了，所以探測(cè)器的計(jì)數(shù)直接代表了被測(cè)中子場(chǎng)的中子密度，即被測(cè)中子場(chǎng)的中子密度，即 。n(E)為能量為能量E處單位能處單位能量間隔的量間隔的中子密度。中子密度。v為為中子速度中子速度。vEnE )()( 由由則，則，中子注量率中子注量率為：為：vvNRvnt00 其中其中 為中子的為中子的平均速度平均速度， 為熱中子的為熱中子的最可最可幾速度幾速度。v0v對(duì)熱中子，在對(duì)熱中子，在T=20 C時(shí)，時(shí)，128. 1/0 vv故：故：0128. 1 tNR 則，則，熱中子靈敏度熱中子靈敏度為：為：128. 10 tNR 1. 1. 堆芯外堆芯外用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)堆功率水平功率水平，探測(cè)器置于探測(cè)器置于壓力殼外壓力殼外。1) 啟動(dòng)量程：中子注量率啟動(dòng)量程：中子注量率102104/cm2s； 較小較小， 本底相對(duì)高本底相對(duì)高；用；用脈沖裂變室脈沖裂變室或或BF3正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器。3) 功率量程：功率量程：大于大于1010/cm2s； 足夠大，足夠大， 本底相本底相對(duì)較小對(duì)較??；用；用電流型裂變室電流型裂變室或或硼電