中子的性质及分类及13.2中子源及13.3中子与物质的相互作用
中子探测的基本方法及13.5常用中子探测器
13.6 中子注量率测量的主要指标
中子灵敏度
13.7 堆用探测器
13.6 中子注量率测量的主要指标 中子灵敏度
R 中子灵敏度定义：
0
反应的发生率 中子注量率
R N t ( E ) ( E )dE
Nt 为探测器灵敏体积 中辐射体的靶核数。
对能量低于30keV的中子： 30 keV v 0 0 R Nt ( E )dE 0 v 由 ( E ) n( E ) v n(E)为能量E处单位能量 间隔的中子密度。 v为中子速度。
反应截面与中子能量的关系：
100000
0 v0
v
1 1 v Tn
B-10 Li-6 He-3
capture cross section(barn)
10000
1000
100
10
1
0.1 1E-111E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01
可选用微型裂变室，且电极涂235U+239Pu(可增殖， 总积分通量由1.7×1021提高到4.8×1021中子)； 也可以用自给能探测器。
3) 功率量程：大于1010/cm2s；足够大，本底相 对较小；用电流型裂变室或硼电离室。
2. 堆芯探测器——堆芯内中子注量率的空 间分布。
要求体积小，寿命长； 典型工作条件：
~ 5 10 / cm s
8 2
8
本底 ~ 10 R / h
工作温度 ~ 300 C 2 ~ 2500 N / cm 工作压力
v0 为热中子的最可 其中 v 为中子的平均速度， 几速度。
对热中子，在T=20C时，v / v0
中子和物质的相互作用
中子和物质的相互作用中子和物质的相互作用，听起来是不是有点像科幻小说里的情节？其实它比你想象的要有趣得多。
想象一下，咱们周围的世界，桌子、椅子，甚至是你手里的手机，都是由无数的原子构成的。
原子里有个东西叫核子，而中子就是其中的一员。
它们就像是原子里的“安静小伙伴”，不发光，也不发热，但却扮演着非常重要的角色。
你有没有想过，中子到底在干啥？它们在原子核里和质子们一起玩得不亦乐乎。
它们的存在让原子核更稳定，不然那些质子可能就会像孩子们玩耍时打架一样，互相推搡，结果就是原子核可能会崩溃。
可中子就像是个调解员，让这场“打斗”平静下来。
就像是你和朋友吵架时，总有一个人出来说：“嘿，咱们别吵了，喝杯茶吧。
”这就是中子的作用。
再说到中子和物质的相互作用，这可真是个大话题。
中子碰到其他物质时，会发生什么呢？嘿，别小看这小家伙，它们可是有本事的。
中子可以穿透许多材料，像是幽灵一样游走。
比如在医疗上，科学家们就用中子来治疗癌症，借助它们的穿透力，直接打击肿瘤细胞。
听起来是不是很神奇？简直就像超级英雄的能力，拯救世界，嘿嘿。
再讲讲中子在核反应中的角色。
想象一下，核电站就像一个巨大的玩具工厂，而中子就是那个拿着玩具的人。
它们一碰到核燃料，就会引发一连串的反应，像多米诺骨牌一样，能量就会释放出来，供我们使用。
咱们的电，暖气，甚至是飞机飞起来，都离不开这些小家伙的努力。
所以说，中子绝对是能源界的“幕后英雄”。
中子的行为有时候也是捣蛋的。
比如在一些材料里，中子的存在可能会导致放射性衰变，嘿，这就麻烦了。
就像在聚会中，有个调皮的孩子总是让大家分心，闹得鸡飞狗跳。
科学家们必须想办法控制这种情况，让中子在合适的地方发挥它的作用，而不是乱来。
中子还可以用来做科学实验，研究材料的结构和性质。
想象一下，把一个神秘的盒子放在显微镜下，慢慢揭开它的面纱。
中子散射技术就是这么个牛逼的玩意儿，通过分析中子与材料的相互作用，咱们可以了解很多细节，甚至是分子级别的秘密。
中子原子知识点总结
中子原子知识点总结中子的发现1920年代，人们已经发现了原子核中存在质子，并认识到其对于核的结构和稳定性起着至关重要的作用。
但是，科学家们对原子核的密度和重子组成仍然知之甚少。
在这种情况下，英国物理学家詹姆斯·查德威克和欧内斯特·沃尔夫在1932年通过对α粒子的散射实验证实了中子的存在。
他们发现，一部分α粒子无法被金属箔或氚引起的散射解释，于是他们提出了这些α粒子受到质子和中子共同引力的影响。
而中子的发现也为后来的核物理研究提供了重要的实验依据。
中子的性质1. 质量中子的质量是1.675×10^-27千克，略大于质子的质量。
中子的质量对于原子核的稳定性以及核反应有着重要的影响。
2. 自旋中子是费米子，它具有1/2的自旋。
中子的自旋对其在核物理学和量子力学中的相互作用有着重要的影响。
3. 电荷中子是唯一一个没有电荷的带电粒子，在原子核中起着重要的作用。
4. 半衰期自由中子在体系中的存活时间极短，大约只有15分钟左右。
因此，中子通常以中子束的形式存在，而非自由态。
中子的相互作用1. 中子与质子的相互作用中子与质子之间存在强相互作用力，这种力使得中子和质子能够结合形成原子核。
在原子核中，中子与质子之间的相互作用是核稳定性的重要因素。
当中子与质子的数量接近相等时，原子核更加稳定。
2. 中子与其他粒子的相互作用中子与电子、光子等粒子之间也存在相互作用。
这种相互作用对于核磁共振、中子衰变等现象有着重要的影响。
3. 中子与外界物质的相互作用中子与物质之间存在裂变、散射等相互作用。
这种相互作用对于核反应堆、核燃料控制、中子散射等领域具有重要的应用价值。
中子的应用1. 核反应中子是核反应中最重要的粒子之一，它可以引发核裂变和核聚变等反应。
核反应是人类利用核能的重要方式，而中子的引发作用对于核反应的进行至关重要。
2. 放射性同位素中子在放射性同位素的创建、测量和利用中具有重要的作用。
通过中子激活可以得到多种放射性同位素，这些同位素在医学、工业、科研等领域有着广泛的应用价值。
中子和物质的主要相互作用形式
中子和物质的主要相互作用形式中子和物质的相互作用，听起来有点复杂，其实也没那么高深。
你想想，中子就像是个调皮的孩子，在原子核里游来游去。
它可不喜欢待在一个地方，常常会碰到周围的物质。
说到这里，大家是不是想问，中子究竟跟这些物质玩啥呢？先说说中子和原子核的关系。
中子在核内和质子玩得非常好。
它们俩就是核的“好基友”，一起构成了原子。
可中子可不止是待在核里面的乖宝宝，有时候它们还会跟其他物质发生互动。
比如，当中子进入某个物质时，哇，简直就是个不速之客，可能会导致一些神奇的变化。
你想，原本平平无奇的物质，突然多了个中子，结果呢，可能变成了另一种元素，像是变魔术一样。
再聊聊中子和化学反应。
中子本身不带电，这一点可真让它在和物质交互时显得与众不同。
它像个隐形人，穿过原子，轻松自在。
虽然它不参与化学反应，但却能影响反应的速率和性质。
比如，核反应堆里，就有大量中子在搞事情，帮助核裂变。
这就好比是派了一位特工，悄无声息地完成任务。
再来看看中子和物质的碰撞。
当中子撞上其他原子的时候，情况就有趣了。
碰撞后，中子可能会被吸收，变成新的粒子，或者直接弹开，继续它的冒险旅程。
这个过程就像是在打保龄球，中子就是那颗冲出去的球，目标是那些原子小瓶。
有时候一击就能击倒一排，有时候却只打掉一个，真是看运气。
中子也有一些不太好惹的地方。
比如，当中子与某些材料碰撞时，可能会引起放射性。
这样的变化就像变脸，谁也不知道它下一步会做什么。
这也是为什么在核反应堆里，科学家们都得小心翼翼，生怕中子闹出什么大动静。
说到这里，不得不提一下中子探测技术。
这种技术就像是给我们装备了一个超级望远镜，能够观察到微观世界的奥秘。
通过探测中子的行为，科学家们能了解到材料的内部结构，甚至预测一些材料的特性。
这就好比是破案，依靠中子这个“小助手”，发现隐藏在物质背后的秘密。
中子和物质的相互作用还有一个重要的地方，就是在医疗领域。
大家听说过放射治疗吧？就是利用中子对肿瘤细胞的影响。
《核物理》中子与物质的相互作用
第五章 中子与物质的相互作用 4、热中子的 扩散与辐射俘获
第五章 中子与物质的相互作用 4、热中子的 扩散与辐射俘获
3）热中子的辐射俘获反应：物质中的原子核俘获一个 热中子而变成激发态的复核，处于激发态的复核放 射出一个或几个γ光子而回到基态。这一反应称为辐 射俘获核反应，也称（n，γ）反应。反应式为:
¡ 由活化反应放出的γ射线称为次生活化γ射线。
的能量取决于靶核的 能级特征，其大小反 映靶核的性质，因 此，可以通过对非弹 性散射γ射线能谱的测 量来进行元素分析， 这是非弹性散射γ射线 能谱（如C/O）测井 的基础。
2
第五章 中子与物质的相互作用 2、快中子的 活化
第五章 中子与物质的相互作用 2、快中子的 活化
¡ 弹性碰撞过程中，中子肯定要损失部分能量？
非弹性散射、弹性散射
¡ 非弹性散射要先于弹性散射？
错
¡ 只有快中子才能发生非弹性散射和弹性散射？
对
¡ 快中子与原子核发生正碰时，损失的能量最小？
对
错
5
2 A+ 2/3
ln(E0 / 0.025) n= ξ
1 0.268 0.209 0.158 0.120 0.075
¡ 可见：当质量数大于10时，平均对数损耗是由靶核的质
¡ 可见：靶核的质量数越小，慢化到热中子所需的碰撞
量数A决定的，与中子的能量近乎无关。
次数越少。氢的碰撞次数最少，即慢化能力或减速能 力最强。
第五章 4）热化中子与物质的相互作用 碰撞次数 /散射次数 n
第五章 中子与物质的相互作用 二、中子与物质的相互作用
4、热中子的扩散与辐射俘获
¡ 可见：可见氢是地 靶核
1H 2H 9Be 12C 16O
中子物理
• 散裂中子源 • 当一个中等能量的质子打到重核（钨、汞等元素）之后会 导致重核的不稳定而“蒸发”出20-30个中子，这样重核 “裂开”并向各个方向“发散”出相当多的中子，大大提 高了中子的产生效率，按这种原理工作的装置称为散裂中 子源。 • 中国散裂中子源（CSNS）是我国“十一五”期间重点建 设的十二大科学装置之首，是国际前沿的高科技多学科应 用的大型研究平台。该项目总投资约23亿元，由中国科学 院和广东省人民政府共同建设，将于2018年前后建成。建 成后将成为中国最大的科学装置，在世界上是第三大散裂 中子源装置，仅次于美日，是英国散裂中子源功率的4倍， 构成世界四大脉冲式散裂中子源。
第三节 中子和物质的相互作用
• 1、中子和宏观物质的相互作用 • 中子在介质中与介质原子的电子发生相互作用可以忽略； • 中子与原子核的作用，根据中子的能量，可以产生弹性散 射、非弹性散射、辐射俘获和裂变等，用σs、σs’、σγ、σf 表示其截面； • 总截面σt＝ σs＋σs’＋σγ＋σf＋… • 吸收截面σa＝ σγ＋σf
第五节 中子的扩散
• 中子源发出的中子一般都是快中子，由于慢化而成热中子， 当Σs>>Σa，即λs<<λa时，热中子并不会马上消失，还会在 介质中不断运动，并和原子核不断碰撞。这是中子和介质 的能量交换达到平衡，其效果就是中子从密度大的地方不 断向密度小的地方迁移，这过程称为中子的扩散。
• 有关中子在介质中扩散的行为在反应堆设计中时很重要的， 在中子的其他应用问题上也是经常要考虑的。
• 散裂中子源
• 2、反应堆中子源
• 利用重核裂变，在反应堆内形成链式反应，不断地产生大 量中子，特点是中子注量大，能谱形状比较复杂。 • 反应堆内中子能谱不是裂变中子谱，特别是热中子反应堆。 低能部分可用一定温度的麦克斯韦分布拟合，高能部分答 题服从1/E分布，有时称为费米谱。 • 总的来说一个反应堆产生的中子能谱是复杂的，为了从反 应堆中得到单能中子，一般利用晶体单色器、过滤器和机 械转子等。
中子与物质相互作用
中子与物质相互作用首先，当能量较低时，通常指的是低于1MeV的能量范围，中子与物质的相互作用主要表现为弹性散射、非弹性散射和吸收。
弹性散射指的是中子与物质中的原子核发生碰撞后发生方向改变而能量没有改变，这种散射过程决定了中子在物质中传输的距离。
非弹性散射指的是中子与物质中原子核发生碰撞后能量发生改变，通常会激发目标核或使其发生裂变。
吸收是指中子被物质完全吸收，也就是中子能量被物质吸收后转化为其他形式的能量，通常是电磁辐射、声能等。
其次，当能量在1MeV到10MeV之间时，中子与物质相互作用的主要表现为能量散失、核激发和反应。
能量散失指的是中子在与物质中原子核碰撞后产生动能损失，从而使中子能量减小。
核激发指的是中子与物质中的原子核碰撞后使其状态由基态激发到激发态，通常伴随着γ射线的发射。
反应是指中子与物质中的原子核碰撞后引起核反应，最常见的一种核反应是中子俘获反应。
最后，当能量超过10MeV时，中子与物质的相互作用主要是强子性和电磁性相互作用。
强子性相互作用指的是中子与物质中的质子和中子发生强相互作用，通常表现为中子与质子的碰撞后产生更多的次级粒子，如π介子、重子等。
电磁性相互作用指的是中子与物质中的原子核和电子发生电磁相互作用，通常表现为中子与原子核或电子发生电离作用、辐射损失等。
中子与物质的相互作用对于核能技术的应用具有重要的意义。
例如，在核反应堆中，中子与核燃料发生反应产生能量，实现核能的利用。
同时，中子与反应堆材料的相互作用也会引起材料的辐照损伤和核改变，这对于核材料的设计和安全性具有重要的影响。
总之，中子与物质之间的相互作用是一个非常复杂的问题，取决于中子的能量范围、物质的性质以及具体的实验条件。
研究中子与物质的相互作用可以帮助我们更好地理解原子核物理学和核能技术的基本原理，并为相关领域的应用提供理论和实验依据。
8章-中子核物理基础
nx x HI 9 9 1.29 n12 x 12 x
轻质油的含氢指数略小于1，而重质油的含氢指数略大于1。
甲烷（CH4）的含氢指数为
H CH 4 2.25CH 4
天然气的含氢指数小于1。
当孔隙中有天然气时，中子孔隙度比地层孔隙度要小得多。 但在冲洗带，部分天然气被泥浆滤液排开，降低了对测量值的 影响。
轰击粒子轰击靶核，产生中子
2、（,n）核反应和常用中子源(同位素中子源）
241 95
Am Np He
237 93 4 2 4 2 12 6 1 0
镅-241衰变产生粒子 粒子轰击铍核发射中 子5.701MeV（反应能） 1.271MeV 4.43MeV
9 4
Be He C n Q1 Be He C n Q2
Lf
R 6
2
含氢量高的岩石宏观减速能力强，Lf 就短，如淡水的Lf约为7 ～8cm,而岩石骨架的中子减速长度约为30～40cm。纯砂岩骨 架要比纯石灰岩骨架的中子减速长度大。 岩石的含氢指数 同体积的岩石与淡水中的氢原子数之比， 用HI或H表示。 1 淡水的含氢指数为 0 碳酸钙的含氢指数为 空隙中充满淡水的石灰岩含氢指数为
1 1
H n H
1 0 2 1
2.21MeV
反应截面为0.323b，发射的射线能量比较大，很容易观察。 1b=10-24cm2
表2.2.*
靶 核
1H 2H 9Be 12C 16O
截面不变能区， 全 截 面 ， 热中子辐射俘获 eV b 截面,b 1～3×103 1～1×105 1～1×104 1～1×105 1～2×105 20.0 3.4 6.1 4.6 3.8 3.23×10-1 5.30×10-4 9.2×10-3 3.4×10-3 1.78×10-4
《原子核物理》(辐照方向)课程大纲
《原子核物理》课程教学大纲课程性质：专业基础课教学对象：核工程与核技术辐射化工专业本科学生学时学分：54学时 3学分编写单位：核工程与技术学院编写人：杜纪富审定人：编写时间：2011年5月一、课程说明1、课程简介本课程是原子物理学课程的姊妹篇，它以阐述原子及原子核的结构、特性为中心。
主要内容包括核结构模型、原子核的放射性、α衰变、β衰变、γ衰变、核反应及核能和放射性的应用等。
2、课程教学目标本课程是近代物理学中的一个重要领域。
通过该门课程的学习，使学生了解和掌握原子核的基本性质和结构、放射性现象及一般规律、原子核反应、射线与物质的相互作用、离子加速器、原子能的利用、核技术及应用、粒子物理的一些简单理论，为学生将来继续学习核工程与核技术的课程奠定理论基础和实验技术能力。
3、预修课程与后续课程大学物理、量子力学、原子物理学4、教学手段及教学方法建议原子核物理学是现代物理学的重要内容，作为应用物理专业的学生，原子核物理学的基础知识理论成为必要的学习内容。
因此本门课程首先把基础知识和基本技能教给学生，使得学生扎实地学好，然后再介绍相关现代科学技术的重要成果。
本课程以讲授为主，然后在课程中会介绍与核辐射相关的案例以及实验等。
5、考核方式平时成绩占30%（考勤、课堂表现和作业），闭卷考试成绩占70%。
6、指定教材杨福家等著，原子核物理（第一版）复旦大学出版社，19937、教学参考书[1] 卢希庭主编，原子核物理，原子能出版社，2000年[2] 王炎森、史福庭，原子核物理学，原子能出版社， 1998年8、教学环节及学时安排表1 课程学时分配表9、教学大纲修订说明二、教学内容第一章原子核物理（8学时）教学目标1、了解原子核物理的研究对象及其发展历史2、理解原子核是由核子（中子和质子）组成的，原子核半径的两种含义。
3、理解原子核的结合能及其与质量的关系。
4、了解原子核的自旋、磁矩、电四极矩、宇称的定义。
本章重点1、原子核半径的两种含义以及结合能与质量的关系。
中子水分仪测试原理
中子水分仪测试原理一、前言中子水分仪是一种用于测量物质含水量的仪器，其原理基于中子和水之间的相互作用。
本文将详细介绍中子水分仪的测试原理，包括中子与物质相互作用、中子源、探测器、数据处理等方面。
二、中子与物质相互作用1. 中子的性质中子是组成原子核的基本粒子之一，具有电荷为零、质量为1.0087u （原子单位）的特点。
由于其不带电荷，因此在物质中传播时不受库伦力的影响。
2. 中子与物质相互作用当中子与物质相互作用时，会发生散射、吸收等现象。
其中，散射是指中子在物质内部发生反弹或偏转；吸收是指中子被物质吸收并引起能量损失。
3. 中子与水分子相互作用由于水分子含有氢原子，而氢原子对中子具有较高的散射截面（即碰撞概率），因此当中子遇到水分子时容易发生散射和吸收。
其中，快速中能量较高的中子更容易与水分子发生散射，而低能量中子更容易被水分子吸收。
三、中子水分仪的组成1. 中子源中子源是指用于产生中子的装置，一般采用放射性同位素或加速器等方式。
其中，放射性同位素产生的中子源具有较高的强度和稳定性，但存在较高的辐射风险；加速器产生的中子源则具有较低的辐射风险，但需要消耗大量能量。
2. 探测器探测器是指用于测量中子与物质相互作用后所产生信号的装置。
常见的探测器包括闪烁体、气体探测器、半导体探测器等。
其中，闪烁体探测器具有灵敏度高、时间响应快等优点；气体探测器则适用于高通量条件下的实验；半导体探测器则具有分辨率高等特点。
3. 数据处理数据处理是指对从探测器处获取到的信号进行处理和分析，以得到物质含水量等相关信息。
常见的数据处理方法包括峰位法、计数法、比例法等。
四、中子水分仪的测试原理1. 测试方法中子水分仪的测试方法一般采用计数法。
具体而言，将样品放置在中子源和探测器之间，中子源发射出的中子穿过样品后与探测器相互作用，产生电信号。
根据探测器所测量到的信号数量，可以计算出样品中所含水分的含量。
2. 测试步骤（1）将待测样品放置在中子源和探测器之间；（2）启动中子源，产生一定强度和能量的中子束；（3）探测器接收到经过样品后剩余的中子，并将其转化为电信号；（4）根据电信号数量计算出样品中所含水分的含量。
中子
1 中子的发现 1932年，英国物理学家詹姆 斯·查德威克用α粒子轰击铍核，发 现实验所产生未知射线不会被磁场偏 转，行进速率仅是光速的十分之一左 右；质量数和质子相当；并具有很强 的穿透本领；在威尔逊云室内证明它 不能直接产生电离作用，基本上不带 电荷。 因此查德威克命名此射线为“中 子”。
4 中子源
（1）放射性中子源： （ α ，n）反应：α＋9Be→ 12C＋n （ γ ，n）反应： γ＋9Be→ 8Be ＋n （2）加速器中子源 （3）反应堆中子源
二、 中子与原子核的相互作用
中子与物质相互作用比较复杂， 有如下过程：
弹性散射(n,n)
非弹性散射(n,n’)
辐射俘获(n,γ) 裂变(n,f) (n,n) 和 (n,γ) 反应是最普遍的核反应。对于轻核和中量核，弹性散射是最主要的反应方 式，其它形式的反应几率很小。由于中子与轻核主要的相互作用过程是弹性散射，而且当 中子能量不高的时候， s 近似为常数，因此常用轻核（H,2H,C）构成的材料做中子慢化剂。 慢中子与重核相互作用中，辐射俘获是主要的过程。 非弹性散射通常在快中子与中、重核相互作用时发生，反应的阈能 Eth：
1 b=10-28m2
宏观截面 ∑= N σ 宏观散射截面： ∑s= N σs 宏观吸收截面： ∑a= N σa 平均自由程 中子在介质中运动时，与原子核连续两次相互作用 之间穿行的平均距离叫做平均自由程。 λ=1/Σ λs=1/Σs λa=1/Σa λt=1/Σt 3
三、中子的慢化
1 弹性散射时能量的变化
中子性质 质量：mn=1.008665u=939.5731MeV/c2 自旋：sn=1/2，费米子，遵守泡利不相容 原则，服从费米统计 电荷：近似为0 磁矩：μn=（－1.91304308±0.00000054） Μn 寿命：T1/2=10.60分 3 分类（按能量分） （1）特快中子：En＞10MeV （2）快中子： 10MeV＞ En ＞0.5MeV （3）中能中子：500keV ＞ En ＞1keV （4）慢中子： 1keV ＞ En ＞0 热中子：En ≈0.025eV 2
《核物理》中子与物质的相互作用
2 A+ 2/3
ln(E0 / 0.025) n= ξ
1 0.268 0.209 0.158 0.120 0.075
¡ 可见：当质量数大于10时，平均对数损耗是由靶核的质
¡ 可见：靶核的质量数越小，慢化到热中子所需的碰撞
量数A决定的，与中子的能量近乎无关。
次数越少。氢的碰撞次数最少，即慢化能力或减速能 力最强。
第五章 中子与物质的相互作用 1）弹性散 射过程
3、弹性散射 1 ）弹性散射过程：高能中子在极短的时间内，经过一、 二次非弹性碰撞损失了大量的能量后，中子已没有足 够的能量再同原子核发生非弹性散射，此时，中子与 原子核发生碰撞后，系统的总动能不变，中子所损失 的动能全部转变成反冲核的动能，而反冲核仍处于基 态。 反应式为：
A Z 1 A 1 X+ 0 n→ Z X+ 0 n
碰撞后的中子
θ
¡ 主要发生在中子发射后的10-6~10-3s时间间隔内。
反冲核
第五章 中子与物质的相互作用 3、弹性散 射
第五章 中子与物质的相互作用 2）碰撞前后 中子的动能比值E2/E1 ¡ 一次碰撞，中子可能的最大能量损失为：
2）碰撞后前中子的动能比值E2/E1： 每次弹性碰撞后，快 中子的能量损失与靶核的质量数A、入射中子的能量 E1 以及散射角θ有关。由动量守恒和能量守恒定律，可得
2）硅活化核反应：
28 14 1 1 Si + 0 n → 28 13 Al + 1 P
3）铝活化核反应：
27 13 1 1 Al+ 0 n → 27 12 Mg + 1 P
2.3min，伴随发射能量为1.782MeV的γ射线。
28 13 28 Al→ 14 Si + β + γ
中子与物质的相互作用
中子与物质的相互作用
中子是一种无电荷的粒子，和物质之间的相互作用是相当重要的。
下面我们将具体讨论中子与物质之间的不同作用。
1. 中子的散射
中子与物质最常见的相互作用是散射。
中子与原子核碰撞后散射，导致其动能损失。
这种相互作用对于中子的测量和分析非常重要。
2. 中子的吸收
中子也可以被物质吸收，这种作用被称为中子吸收。
吸收后中子失去其能量，导致物质中的原子核被激发。
这种作用经常被用来确定物质中的元素配比。
3. 中子的俘获
中子俘获是一种中子与原子核反应的过程，其中中子与原子核结合成为新的原子核。
这种反应可以用于产生新的放射性同位素或用于研究一些物质的性质。
4. 中子的激发
中子还可以被用于激发原子核，这种反应称为中子激发。
在这种反应中，中子被吸收后引起原子核的能态变化。
这种相互作用对于研究原子核物理性质非常重要。
5. 中子的热化
中子与物质相互作用时可以将能量传递给物质分子，使其产生热化。
这种作用被称为中子热化，可用于冷中子源的热化和热中子源的生产。
6. 中子慢化
中子具有很高的速度，因此需要将其速度慢下来才能和物质发生相互
作用。
这种作用被称为中子慢化，可用于生产冷中子源。
综上所述，中子与物质之间的相互作用有很多，包括散射、吸收、俘获、激发、热化和慢化。
这些相互作用对于研究物质结构和性质、生
产同位素以及研究原子核性质非常重要。
《核物理》中子与物质的相互作用
《核物理》中子与物质的相互作用核物理研究的对象是原子核及其内部的组成粒子，其中包括中子。
中子是一种构成原子核的无电荷粒子，质量稍大于质子。
在核反应、放射性衰变等核过程中，中子与物质之间发生相互作用。
本文将详细介绍中子与物质相互作用的几个主要方面。
首先，中子可以与物质发生弹性散射。
当中子与物质中的原子核相撞时，会发生弹性散射，也称为Rutherford散射。
这种散射过程中，中子的能量、角度等会发生改变，但中子不会被物质吸收或转化为其他粒子。
这是由于中子没有电荷，故无法与原子中的电子发生库仑散射。
弹性散射的现象和规律可以通过散射实验的方式来研究，揭示中子与物质相互作用的性质。
其次，中子还可以与物质发生非弹性散射。
当中子与物质中的原子核相撞并且被散射后，它可以与其他原子核发生碰撞，从而导致能量转移。
这种现象称为非弹性散射，也叫做光学跳跃。
在非弹性散射过程中，中子可以激发物质中的原子核或者引发核反应。
其中，激发过程可以让原子核处于一个高能级的激发态，而核反应则会导致核的转变和释放出能量。
另外，中子还可以被物质所吸收。
中子在物质中的吸收过程是核物理中的重要研究内容，也是利用中子进行材料分析和创建核反应堆等应用的基础。
中子的吸收可以导致中子损失能量并与物质发生相互作用，引起核反应或者放射性衰变。
由于中子是无电荷，且具有透射性，因此与其他带电粒子不同，中子可以穿透较厚的物质，并在其中进行吸收。
吸收程度取决于中子与物质的相互作用截面积，即横截面积。
中子与物质的相互作用截面积在不同能量下会有所差异，需要根据能谱进行测量和计算。
最后，中子与物质的相互作用还涉及到中子的衰变、裂变和俘获等核反应。
中子的衰变是指中子在原子核内衰变成为质子、电子和反中子。
中子的裂变是指中子与原子核发生碰撞后分裂成两个较轻的核片。
中子的俘获是指中子被原子核俘获并转化为另一个核子，产生新的稳定或不稳定核。
综上所述，核物理中子与物质之间的相互作用涉及弹性散射、非弹性散射、吸收、衰变、裂变和俘获等过程。
关于中子及中子源的书籍
关于中子及中子源的书籍《探秘中子：中子及中子源的奥秘》第一章：中子的发现与性质中子是构成原子核的基本粒子之一，它具有中性电荷，质量略大于质子。
中子的存在最早可以追溯到1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克和意大利物理学家恩里科·费米分别独立提出了中子的概念。
中子是由上夸克和下夸克组成，其质量约为 1.675×10^-27千克。
中子是非常稳定的粒子，它在稳定的原子核中起到了平衡质子间的排斥力的作用。
同时，中子也是一种相对寿命较短的粒子，它可以通过一系列的衰变过程转变为质子或其他更轻的粒子。
第二章：中子源的分类与特点中子源是指能够产生大量中子的装置或物质。
根据中子的产生原理和方式，中子源可以分为自发裂变中子源、核反应中子源和加速器中子源。
自发裂变中子源是利用放射性核素的自发裂变过程产生中子。
这种中子源通常使用铀或镎等放射性核素，通过它们自身的裂变过程释放出大量的中子。
自发裂变中子源具有中子产量高、能量范围广等特点。
核反应中子源是利用核反应过程产生中子。
这种中子源通常使用中子与核素发生核反应，产生新的中子。
核反应中子源的中子产量和能量范围可以通过选择不同的核反应体系进行调节。
加速器中子源是利用加速器将带电粒子加速到一定能量后撞击靶材产生中子。
这种中子源通常使用质子或重离子加速到高能量，与靶材产生核反应产生中子。
加速器中子源具有中子能量可控、中子束流稳定等特点。
第三章：中子源的应用领域中子源在许多科学研究和工程领域都有广泛的应用。
下面我们将介绍几个典型的应用领域。
1. 无损检测：中子源可以通过与被检测物质的相互作用，提供关于物质内部结构和成分的信息。
中子无损检测在材料科学、航天航空等领域有着重要的应用。
2. 放射治疗：中子源可以用于放射治疗，对某些恶性肿瘤进行精确照射，达到杀灭肿瘤细胞的目的。
中子放射治疗在医学领域具有较高的疗效和更小的副作用。
3. 核能研究：中子源可以用于核能研究，通过与核素发生核反应，研究核素的性质和核能的释放过程。
《核物理》中子源
8
第一五、章中子中子与物质的相互作用
3、原子核的分类
¡ 轻核：A<30的原子核 。 ¡ 中量核：30<A<90的原子核。 ¡ 重核：A>90的原子核。
第五一章节 中中子子源与物质的相互作用
二、中子源
1、中子源：
1）定义：产生中子的装置称为中子源。
2）中子源产生中子的方法：
¡ 用高能粒子（α粒子、氘核、质子P、γ光子等）去轰击 原子核（即靶核），使原子核获得的能量大于中子的 结合能，中子便从核内释放出来。
25
5
138.4d 86.4a 433a 1.913a 21.8a 22a 18a
4.2 5.0 5.0 5.0 4.0~4.7 4.5~5.0 6.0
2.3~3.0 2.2~4.0 2.2~2.7 17~20 15~26 2.3~2.5
6.0
<0.1 <1 1 30 8 9 <1 16
第1）五同章位中素子中与子物源质的相互作用
n其后，德国科学家海伯森 (Werner Karl Heisenberg，1907-1976)（左图）以及前 苏 联 科 学 家 伊 凡 宁 柯 (Dimitri Iwanenko，1904-1994)各自独立提出，原 子核是由质子和中子组成的。
n以 前 的质 子- 电子 模型 不能 解释许 多 实 验现象，而质子-中子模型可以很好说明 原子量与原子序数的关系，很快被人们 接受，质子与中子统称为核子。
量的粒子去轰击某些靶物质，产生中子，这种装置的 源称之为同位素中子源或放射性中子源。在测井中， 最常用的两种同位素中子源是镅-铍源和钚-铍源。
11
第1）五同章位中素子中与子物源质的相互作用
钚-铍中子源（国内2006研制成功） ¡ 利用238Pu作为作为α辐射体
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252
中子产额：2.32×106n/sμg 半衰期：2.66年 中子平均能量：2.13MeV 伴随有较强的γ射线，γ发射率：1.3×107/sμg
Cf 142 Ba 106 Mo 4n
Watt分布
N ( E ) C exp( E
) sinh(2.926E ) 1.025
4
3
Q 3.269MeV En 2.5MeV Q 17.59MeV
En 14MeV
中子发生器
（D,D），（D,T）反应
（D,D）反应比（D,T）反应的截面小约2 个量级。 一般常用的是（D,T）中子发生器。
产额多在108n/s。
寿命：几十到几千小时 用途：石油测井、在线元素分析
即使是非裂变核，如W，Pb和Hg， GeV的质子仍可提供足够的能量使 之发生分裂。
除去分裂之外，其它的反应过程都是吸热 的。 相当一部分入射质子的能量消耗在中子 的分离能上。约6 MeV/中子，动能为 2-3 MeV/neutron。
The Spallation Neutron Spectrum
0.10
0.511MeV
X射线的角分布
0.08 0.06
General Rate = 1.469p/e Average Energy = 1.328MeV
Rate
0.04 0.02 0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Energy (MeV)
在X射线检测过程中，电子加速器产生的大量X 射线只有极小一部分被用于成像。 其它大多数都被当作“废物”而屏蔽掉了。 利用（γ,n）反应，可以将这些没有用到的X射 线利用起来，使之转化为光中子，从而可以用 于中子技术分析。
常用24Na的2.74MeV的γ射线。 24Na-9Be： 中子能量：0.97MeV 半衰期：15小时
优点：中子能量单一； 缺点：中子产额低，装置体积大，寿命短。
3) 自发裂变中子源
•
252Cf中子源：
超钚元素中的某些核素在发生自发裂变时会放出中子， 形成中子源，以252Cf (锎)最常用。
2、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。 4) 特快中子：>10MeV。
13.1 中子的性质与分类（简介）
1
2
同位素源的特点
• 优点： 体积小，占地面积小 能够在恶劣的工况下使用 • 缺点： 产额很难做得很高 中子的产额会随着半衰期而衰减 总是伴随有较强的γ射线 时刻存在辐射，对运输、安装和维护 带来严重的防护问题
The Sandia Portable Neutron Generator
d pn
重 水
光中子源可以实现>1011n/s的中子产额。相当于： ～4.5×104Ci 241Am-Be中子源
～105μg
252Cf中子源
～103只中子发生器的产额 (γ,fission)反应也可用于中子的产生 中子能量为裂变中子，相对于光中子能量 更高
截面更大，为几百mb
13.1 中子的性质与分类（简介） 13.2 中子源
早期发现的散裂过程来源于外太阳系的高能 质子（～1－10GeV），这导致了在大气中产 生的中子。 在实验室中，由此导致的中子注量率 ~ 10-4 10-3 n/cm2 sec.
p + 184WA* + B* + xn, <x> ~ 20
散裂的过程
入射质子及其次级粒子(n, p, …) 激 发重原子核，后者通过“蒸发”出 中子来消耗能量 大多数中子是各向同性出射的。其 能谱与裂变中子的能谱类似，平均 能量为 2-3 MeV 有小部分（百分之几）的中子是被 入射的质子直接被碰撞出来的
2、加速器中子源
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 3
H(d,n) He H(d,n) He
在大角度方向 (> 90)，能谱为各向 同性的蒸发谱 (E ~ 2 MeV) （中子 在出射过程中经历了靶材料的多 次碰撞），在小角度方向，由于 必须穿透更大的靶厚，中子数目 下降。
neutrons
reflector water moderators Cooling coupler
小角度方向 (< 90°)的中子能量相 对更高——源于直接的质子－中 子碰撞。 中子的最大能量可近似 为入射质子的能量。
第十三章
中子及中子探测
13.1 中子的性质与分类（简介）
13.2 中子源
13.3 中子与物质的相互作用 13.4 中子探测的基本方法
13.5 常用中子探测器
13.6 中子注量率测量的主要指标 13.7 堆用探测器
13.1 中子的性质与分类（简介）
1、中子的性质
2、中子的分类
13.2 中子源 13.3 中子与物质的相互作用 13.4 中子探测的基本方法
3、反应堆中子源 10 16 2 高中子注量率：10 ~ 10 / s cm 宽中子能量：0.001eV~十几MeV
对核物理实验、核技术应用具有很大价值。 CARR（401）
？不利于在工业中的实用
4、散裂中子源
散裂中子源(spallation neutron source)
散裂，spallation，指的是高能(~GeV)粒子 (p,n…)与原子核（尤其是重原子核）发生的 一系列复杂反应。
Current design •Diameter: •Height: •Weight:
•
• • •
4.5 inches 6 inches 20 lbs
Beryllium stators placed opposite alpha-emitting material 241Am or 227Ac coated onto rotors. Continuous or Pulsed operation via Be(α,n) reaction. Operational Yield ~ 105 – 107 n/s
出射中子的动能：
m Tn Tn 2 ( M m)
2
cos
M 2 sin 2 m
2
2
反冲核的动能：
4mM 2 TM T cos 2 n (M m)
当反冲核为质子(氢核)时，M＝m，上式变 为： 2
Tp Tn cos
当 = 0 时，反冲质子能量最大，Tp = Tn
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。 mA
W. H. Sullivan and G. T. Seaborg coined the term in 1947 to describe the phenomenon, which was already quite well known, in which the target emits a fairly large number of neutrons in a multiple-collision process.
13.3 中子与物质的相互作用
1、中子的散射
2、中子的俘获
13.4 中子探测的基本方法
13.5 常用中子探测器 13.6 中子注量率测量的主要指标
13.7 堆用探测器
13.3 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 1) 弹性散射 (n,n) 出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。
高能(E > ~ 100 MeV)的中子非常 难阻挡——碰撞截面远远小于 1MeV时的截面。这就要求对中子 的防护非常厚，一般为5m的铁。
high-energy proton bursts cryogenic moderators target
5、加速器光中子源
9MeV电子打靶 9MeV电子加速器X射线能谱
13.2 中子源
1、同位素中子源
2、加速器中子源
3、反应堆中子源 4、散裂中子源
5、加速器光中子源
13.3 中子与物质的相互作用
13.2 中子源
1、同位素中子源 1) 241Am-Be中子源。
属于(,n)型中子源。由241Am放射源放出的 粒子，打在9Be上发生反应，产生中子。
Be C n 5.70MeV
13.5 常用中子探测器
13.6 中子注量率测量的主要指标
13.1 中子的性质与分类
1、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