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

dn 反冲质子在实验室座标系中的能量分布的 dE 概率密度函数为： 1
P (Tp )
Tn
p
即对入射的单能中子而言，实验室坐标系 dp 中，其反冲质子的能量分布是一个矩形，最大 dE 能量为Tn，最小为零。这个关系可用于快中子 能谱测量。 Ep P (Tp )
1 / Tn
E
0
Tn
Tp
2) 非弹性散射 (n,n’)
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）
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。
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
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
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
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
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
Leabharlann Baidu
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。
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
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.

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
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
9 12
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。 9 8 Be Be n，阈能： 1.67MeV 2 1 H H n，阈能： 2.223MeV
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
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
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。
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
磁矩：n＝－1.913042N 中子寿命：发生－衰变的半衰期T1/2=10.60min
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
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
E mA mn
En Bn
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。
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
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
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。
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。