第八章中子及中子探测

当? = 0 时，反冲质子能量最大，Tp = Tn
反冲质子在实验室座标系中的能量分布的
概率密度函数为：
1
P(Tp ) ? Tn
即对入射的单能中子而言，实验室坐标系
中，其反冲质子的能量分布是一个矩形，最大
能量为Tn，最小为零。这个关系可用于快中子 能谱测量。
P(Tp )
1 / Tn
0
Tn
Tp
2) 非弹性散射 (n,n' ?)
入射中子的能量损失不仅使靶核得到 反冲 ， 且使靶核处于 激发态。处于激发态的靶核退激 时放出一个或几个 特征 ?光子，在 核分析技术 中有重要的应用。
2. 中子的俘获 复合核的形成。
1) 中子的辐射俘获 (n,?)
中子射入靶核后与靶核形成一个 复合核， 而后复合核通过发射一个或几个特征?光子跃迁
2) 发射带电粒子的中子核反应
如(n,? )，(n,p)等，这些反应在中子探测中
应用很多，成为探测中子的主要手段。
3) 裂变反应 (n,f )
4) 多粒子发射
如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高， 在8～10MeV以上，只有特快中子才能发生。
8.4 中子探测的基本方法
中子探测的特点：
第8章
中子及中子探测
8.1 中子的分类与性质
1、中子的分类 1) 慢中子：0～1KeV。包括冷中子、热 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， 能量为0.0253eV，中子速度~2.2×103m/s.
2) 中能中子：1KeV～0.5MeV。
3) 快中子：0.5MeV～10MeV。
Q ? 3.269MeV En ? 2.5MeV Q ? 17.59MeV En ? 14MeV
3、反应堆中子源
高中子注量率：1010 ~ 1016 / s ?cm2
宽中子能量：0.001eV~十几MeV
8.3 中子与物质的相互作用
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。
1. 中子的散射
反应截面与中子能量的关系：
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?
? ? 0v0 ?
1 ?
1
v v Tn
1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减 小，因此核反应法适用于慢中子的测量，尤其 是热中子的测量。
反应均为放热反应，反应能Q在生成核与出 射粒子之间分配。由于反应能Q比较大，又主要 用于慢中子探测，即：
Q ?? Tn
故出射粒子能量难以反映慢中子的能量，因此， 核反应法常用于中子注量率的测量。这时，Q大 易于甄别去除?本底信号。
1. 核反应法
主要的核反应有：
n? 10B ? ? ? 7Li ? 2.792MeV n? 6Li ? ? ? 3He ? 4.786 MeV
n? 3He ? p? 3H ? 0.764 MeV
? 0 ? 3841 ? 11 ? 10 ?28 m2 ? 0 ? 936 ? 6 ? 10 ?28 m2 ? 0 ? 5327 ? 10 ? 10?28 m 2
1) 弹性散射 (n,n) 出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。
出射中子的动能：
Tn??
Tn
m2 (M ? m)2
?
?cos?
??
?
2
M2 m2
?
sin2 ?
? ? ??
反冲核的动能：
TM
?
4mM (M ? m)2
Tn cos2 ?
当反冲核为质子(氢核)时，M＝m，上式变
为：
Tp ? Tn cos2 ?
1) 中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的电 离、激发。
2) 在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生
相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射 体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核
裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如? ， p，f 等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。
3) 中子与辐射体有较大的作用截面，以获得较 大的中子探测效率。
可以在相当宽的能区内获得单能中子源。
对放能反应，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，当入 射氘核能量不高时( Td ? 200KeV)，反应就可以
有效进行，当?＝90?时，就可得到能量分别为
~2.5MeV和~14MeV的单能中子。
主要反应：
2 H (d, n)3He 3 H (d, n)4He
4) 特快中子：>10MeV。
2、中子的性质
质量：mn＝1.008665u＝939.565300MeV/c2 自旋：sn＝1/2, 费米子 电荷：0，中性粒子
磁矩：? n＝－1.913042? N
中子寿命：发生? －衰变的半衰期T1/2=10.60min
8.2 中子源
1、同位素中子源 1) 241Am-Be中子源。
优点：中子能量单一；
缺点：中子产额低，装置体积大。
3) 自发裂变中子源
自发裂变中子源为超环元素。以252Cf (锎) 最常用。1克252Cf 发射中子率为2.31×1013个
中子。半衰期：T1/2(自发裂变)＝85.5a，T1/2(? 衰变)＝2.64a。中子平均能量为2.2MeV。
2、加速器中子源
反冲质子的能谱为矩形分布。此法主要用于 快中子的探测，尤其是快中子能量的测量。因 此，探测介质中富含含氢物质的探测器，如含 氢正比管、有机闪烁体等适用于核反冲法测量 快中子能谱。
探测介质中含有上述核素的气体探测器、闪 烁探测器，或上述材料作为外辐射体的半导体探 测器均可用核反应法进行中子探测。
2. 核反冲法
中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。
主要发生在氢核上，常用含氢物质作为辐射 体。反冲质子使探测介质电离、激发而产生输 出信号。
反冲质子能量： Tp ? Tn cos2 ? 反冲质子数： N p ? ? ? S
到基态。这些特征 ? 光子不同于 (n,n' ?) 的特征
? 光子。由于这些 ? 光子的发射与复合核的寿 命相关，一般很快，故称为“中子感生瞬发?射 线”，同样在核分析技术中有重要的应用。
当发生 (n,?)反应后， 新形成的核素 是放射
性的，就是常说的“ 活化”，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 子的能量范围。
属于(? ,n)型中子源。由241Am放射源放出的? 粒 子，打在Be上发生反应，产生中子。
? ? 9Be? 12C ? n
性能：中子产额——2.2×106/s.Ci
T1/2＝433年；
中子能量为0.1~11.2MeV，平均5MeV；
n/?比(中子?强度比)为10:1；
2) (?,n)型中子源。 利用(?,n)反应获得中子。