第八章 中子及中子 探测
第八章-中子测井PPT课件
同位素中子源（连续，产生快中子）：
95 A2m 4 19N 3 2p372H4(ea)
平均能量为5MeV
4B9 e2H4 e6C12 0n1Q(5.70M 1)ev
加速器中子源（脉冲，产生高能中子）：
D T 2H4 e0n11.7 58 M 8ev
•3
第一节 中子测井的核物理基础
二、中子和物质的作用
任何物质单位体积（1立方厘米）的氢核数与同样体积淡水氢核数 的比值。
根据规定，将淡水含氢指数定义为1，而任何其他物质的含氢指数 将与其单位体积内的氢核数成正比。
即： H K x
M
式中：ρ——介质密度，g/cm3；
x——介质分子中的氢原子数；
M——介质的分子量；
K——比例常数。 对于水：ρ=1，x=2，M=18 (水分子)，规定其
含氢指数为1，解得K=9
•19
第二节 超热中子测井
(1)饱和淡水纯石灰岩的含氢指数
孔隙度为φ的石灰岩，则含氢指数为：
H=Hma(1-φ)+Hwφ 中子孔隙度测井仪在饱和淡水的纯石灰岩刻度井中进行含 氢指数刻度，使它测量的含氢指数即为饱和淡水纯石灰岩的 φ。这里，也就人为的将岩石骨架的含氢指数定为0，也就是 没有考虑石灰岩骨架的减速能力。若孔隙度为φ，则含氢指 数为：φ×Hw=φ×1=φ，将中子孔隙度测井得到的含氢指 数记为φN ，并称为中子孔隙度，其单位是石灰岩孔隙度单 位。
决于岩石的含H量。
•7
第一节 中子测井的核物理基础
•散射截面： 微观散射截面σs：一个中子与一个原子核发生弹性散射的几 率，单位1b=10-24cm2； 宏观散射截面Εs：单位体积物质中的原子核的微观散射截面 之和，单位cm-1 结论：氢是岩石中最主要的减速元素，岩石对快中子的减速 能力取决于岩石的含H量，纯岩石的宏观减速能力基本上决 定于纯岩石的孔隙度(含淡水条件)。 用中子测井估算孔隙 度的物理基础。
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
中子的发现过程演示文稿
他们进一步发现石蜡经铍辐射轰击, 释放出高速质子。 由于传统观念, 他们也未能凭自己的实验结果进一步得 出存在中子的结论，反而同意玻特的“贯穿辐射是一 种特殊的γ射线”的观点。
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约里奥-居里夫妇的实验
伊伦·约里奥·居里（Irene Joliot－Curie，1897～1956） 法国核物理学家，父亲皮埃尔·居里，母亲玛丽·居里都 是著名的科学家
费雷德克里·约里奥·居里 （Frederic Joliot－curie, 1900～1958）法国核物理学家
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约里奥-居里夫妇的实验
1923年查德威克在得到卢瑟福的赞同后，用游离室和点计数器作 为检测手段,尝试在大质量的氢化材料中检测γ辐射的发射。
1928年起，玻特和他的学生贝克尔（H.Becker）用钋（po）发 射的α粒子轰击一系列轻元素，发现α粒子轰击铍时，会使铍发 射穿透能力极强的中性射线，强度比其它元素所得要大过十倍。 用铅吸收屏研究其吸收率，证明这种中性辐射比γ射线还要硬。 1930年，玻特和贝克尔率先发表了这一结果，并断定这种贯穿 辐射是一种特殊的γ射线。
之后，经过几天紧张的实验，查德威克就证明了这些 奇异效应是中性粒子的作用。他还测出了这种粒子的 质量与质子大致相同，从而证明卢瑟福于1920年假设 的中子真实存在。
查德威克因此获得1935 年度的诺贝尔物理学奖
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查德威克的发现
α粒子轰击铍的核反应方程式：
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中子发现的深远意义
中子的发现, 是原子核物理发展史上的一个里程碑, 具 有划时代的深远意义。
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中子探测技术
（2）6Li(n,α)反应，放出能量大，易区分信号和本底。但 是缺少气体化合物，并且天然6Li丰度低，浓缩后价格贵。 （3）3He(n,p)反应，优点是反应截面大，缺点是放出能量 低，不易除本底。并且3He含量低，制备困难。
核反冲法
入射能量为E的中子和原子核发生弹性散射时，中子 的运动方向改变，能量也有所减少。中子减少的能量传递 给原子核，使原子核以一定速度运动。这个原子核就称为 “反冲核”，反冲核具有一定电荷，可以作为带电粒子来 记录。记录了反冲核，就是探测到中子。它是探测快中子的 主要方法。 由动量．能量守恒定律可以推出，反冲核的质量愈小， 获得的能量就愈大。所以，在反冲法中通常都选用氢核做 辐射体。这时，反冲核就是质子，有时就称反冲质子法。
中子具有波动性，当它的波长与物质原子之间的距离数
量级相同时就会发生衍射，利用这一原理制成了中子晶体衍
射仪，既可用来研究中子能量分布，也可分解出单色中子。
第四节 中子通量密度及中子源强度的测 量
研究一束中子与物质的相互作用时，我们主要关心的是
每秒钟射到物体上的中子数。当距离较远时，中子束可近似
看成平行束。令中子束里单位体积内的中子数为n，称为中 子密度。如果中子的速度为v(cm/s)，则单位时间内在垂直于 中子束方向单位面积上将有nv个中子通过。中子密度n和速 度的乘积nv，称为中子通量密度，用符号ϕ表示。
它放出的β或γ放射性，根据衰变纲图可算出此材料中形成的
放射性核的活度，从而求得中子通量密度。优点是测量容易、 体积小、无本底、灵敏度变化范围大、可以测量不同材料等， 缺点是不能连续指示通量密度随时间的变化。
锰浴法测量中子源强度
所谓“锰浴法”是将待测中子源放置在体积很大的含锰
元素的水溶液中，中子在水中充分慢化后被溶液中的55Mn俘 获，变成放射性核素56Mn，通过测量56Mn的放射性核素，就 可得出中子源强度，这一方法专门用来标定各种携带式中子 源强度。
放射治疗的中子探测
放射治疗的中子探测前文链接：放射治疗的中子屏蔽防护本篇为放射治疗中子系列的第二期，我们非常感谢请到华北电力大学的史昊鹏为我们讲述放射治疗中有的光中子测量手段。
有请嘉宾～导语医疗技术在飞速发展的同时也要尽量避免其带来的负影响，光中子作为医用加速器产生的高能射线中不需要的粒子逐步得到重视和研究。
但是与此相关的辐射防护措施并没有得到及时地处理。
由于医用加速器设计不同(主要是机头内部)，性能也有很大差别，因此光中子的通量、能谱和剂量也有不同的分布规律。
基于参与复杂相互作用的粒子特点，可通过蒙特卡罗模拟和实验测量两个途径来研究医用加速器产生的光中子通量和能谱等物理量，从而对治疗室中子剂量率进行监测，了解高能射线出束时治疗室内外中子辐射水平，为中子辐射防护提供依据。
01放射治疗中光中子测量手段采用蒙特卡罗模拟和探测器直接测量中子剂量各有优势。
只要建立了直线加速器机头构造的模型，蒙特卡罗程序就能够模拟所有粒子在不同位置的运动学参数。
但是对于加速器机头多叶光栅运动过程中的粒子通量和能量变化目前无法计算，仍只能通过实验仪器来监测，且由于蒙特卡洛模拟过程本身的随机性，模拟结果可能存在误差，需要通过较为准确的测量值进行评估矫正。
随着中子探测器的发展，现有的探测器技术成熟，响应快，测量准确。
采用探测器直接测量，可获得相对精确的实时测量值，但探测器无法追踪中子的运动轨迹，只能测量固定位置的中子物理参数。
所以，蒙特卡罗模拟与实验测量是技术上互补，数据结果上互相验证的两个重要工具。
中子的探测过程一般分为两步：第一，由中子与穿过的介质相互作用产生带电粒子；第二，用某种探测器记录带电粒子。
带电粒子的探测器品种繁多，所以中子探测器有多种类型，本篇我们主要介绍一些常用于放射治疗室中子的探测器。
02BF3（三氟化硼）正比计数器BF3计数器是最通用的中子测量用探测器，它的基本结构和测量γ射线常用的盖格米勒计数管基本一致，工作电压在2000 V 左右。
中子探测技术
氢反冲法
氢反冲法是利用中子和含氢物质中的氢原子发生碰撞, 反冲出来的氢核能量与入射中子存在以下关系：
Ep = Ecos2ϕ 测量了反冲质子能量,就能推算出中子能量 1 微分测量法 2 积分测量法
6Li和3He谱仪
利用中子和6Li或3He发生核反应,记录反应产物的能量从 而计算出中子能量
6LiI Eu 闪烁体和6LiF夹心式半导体探测器使用较多,闪 烁谱仪分辨较差只能测量MeV能区的中子,而半导体探测器可 以测量较高通量的中子,并且分辨率较好
1、气体探测器： 1 3氟化硼正比计数管 2 硼电离室和裂变室
2、闪烁探测器 1 硫化锌快中子屏 2 硫化锌慢中子屏 3 锂玻璃闪烁体 4 有机闪烁体
3、半导体探测器 4、其它中子探测器
1 “自给能”探测器 2 固体径迹探测器
第3节 中子能谱的测量
对于热中子和快中子,能谱测量方法差异很大 快中子的 能谱测量有4种方法：氢反冲法、核反应法、飞行时间法和 阈探测器法 热中子能谱测量主要是飞行时间法和晶体衍射法
核裂变法
中子与重核作用可以产生核裂变 裂变法就是通过记录 重核裂变碎片来探测中子的方法 对于热中子、慢中子,1般 选235U、239Pu、233U做裂变材料 裂变时放出的能量很大 大 约200 MeV ,入射中子能量远小于这个数值 所以本法不能用 来测定中子能量,只能测定中子通量
由于Q值很大,所以γ本底的影响很小,故可以在强γ本底 下测量中子 中子能量大于某个值 阈值 时,才能产生裂变 核 素不同,则阈值也不同 因此,可以用1系列阈值不同的核素来 判定中子的能量范围
热中子：En=0.0253 eV 与周围分子处于热平衡 冷中子：En<0.0253 eV
核反应法
03 中子探测
22.54 中子与物质的相互作用及应用（2004年春季）第三讲（2004年2月10日） 中子探测N. Tsoulfanidis, Measurement and Detection of Radiation (Taylor and Francis, 1995), 2nd ed, Chap 14.热中子探测器由于中子并不直接产生电离，因此探测中子的最佳方法是通过两种形式的核相互作用，其中一种形式是通过核反应产生带电离子或者光子（这些粒子然后再产生电离），另一种形式通过散射使碰撞粒子（靶核子）反冲从而产生可以被探测到的电离。
对于慢中子，反冲核能量很低难于探测，因此要依靠放热（Q 为正）的核反应。
常用的几种类型的计数管如下：BF 3 计数管该计数管利用的反应方程为：He Li n B 4273105+→+该反应的动能产额为2.3或者2.78MeV，具体是哪个由Li 是否处于激发态决定，然后测量其电离后的电荷。
硼的自然丰度是18.2% 的10B 和81.8% 的11B，其中10B 是一个“1/v 吸收体”而11B 不吸收中子。
为了增加探测效率，可以将10B 的含量增加到96%。
该计数管的探测灵敏度与中子的速度成反比，它的一大优点是对γ射线不敏感。
由γ射线产生的康普顿电子引发的电离很弱，因此可以通过幅度阈值来进行甄别。
它的缺点是探测效率（探测到的中子数/进入计数管的中子数）较低，仅为～10％。
3He 计数管该计数管利用的反应方程为：H T n He 113132+→+其中氚和质子的出射动能分别为0.2 MeV 和0.57 MeV。
3He 的热中子吸收截面为5500 靶，10B 的吸收截面为3840 靶。
通过高压（约为10 个大气压），可以使计数管的体积很小，这将使飞行时间测量（见下）中的飞行路径不确定性降为最低。
裂变室该探测器有一个薄层，它利用裂变材料（235U, 237Np, 239Pu）制成，由薄层产生的裂变碎片可以形成电离。
第8章 中子测量方法
8.4 中子通量密度测量方法
8.4.2 测量中子通量密度的基本方法
1 标准截面法
由于中子不带电，不能直接探测，而中子与原子核反应 有可能产生带电粒子(或生成新放射性核素)，可对带电粒子 (或新放射性核素)进行绝对测量。通常，只要知道了核反应 截面，通过测量带电粒子强度(或新放射性核素活度)，就可 通过两者之积来确定中子通量密度。
Ws为标准样品的待测元素的含量；Is为标准样品经活化后的照射量率。
8.5 中子测量的应用
8.5.2 中子活化分析法及应用
中子活化分析在物理分析中的应用 ： 1）在分析高纯材料中的应用 在分析高纯材料中的应用 2）在冶炼工业中的应用 在冶炼工业中的应用 3）在其它方面的应用 在其它方面的应用
8.5 中子测量的应用
中子波在晶体上的反射
把无数个平行晶面上的反射累加，便得到相干产生极大的条件， 即布喇格公式：
8.3 中子能谱测量方法
8.3.2 快中子能谱测量方法
1 飞行时间法
在快中子能谱测量中，经 常使用加速器作为中子源 的伴随粒子法 。
伴随粒子法飞行时间谱仪
8.3 中子能谱测量方法
8.3.2 快中子能谱测量方法
8.5 中子测量的应用
8.5.3 中子测量方法在找矿勘探中的应用
2 常见中子测井方法
2）利用脉冲中子源的测井方法 ） 3）野外现场的中子测量 ）
8.2 中子探测基本原理与方法
8.2.3 核裂变法
中子与重核作用可以发生裂变，裂变法就是通过记 录重核裂变碎片来探测中子的方法。 对于热中子和慢中子，总是选用238U，239Pu，233U 做裂变材料。
常用裂变阈能探测器材料的特性
8.2 中子探测基本原理与方法
中子的发现过程 ppt课件
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中子的3年查德威克在得到卢瑟福的赞同后，用游离室和点计数器 作为检测手段,尝试在大质量的氢化材料中检测γ辐射的发射。
1928年起，玻特和他的学生贝克尔（H.Becker）用钋（po）发 射的α粒子轰击一系列轻元素，发现α粒子轰击铍时，会使铍 发射穿透能力极强的中性射线，强度比其它元素所得要大过十 倍。用铅吸收屏研究其吸收率，证明这种中性辐射比γ射线还 要硬。1930年，玻特和贝克尔率先发表了这一结果，并断定这 种贯穿辐射是一种特殊的γ射线。
物理学家，以其对电子和同位素的实验 著称。他是第三任卡文迪许实险室主任。
——汤姆逊枣糕式无核模型
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中子的发现过程
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中子的发现过程
卢瑟福提出了原子结构的行星式有核模型，并且指出 原子可能是“带正电的氢原子”（1920年正式取名质 子）和电子组成。
但是，如果仅有质子和电子，质量数并不守恒。
1920年，卢瑟福在一次著名的演讲中——皇家学会贝 克里安演讲（Bakerian Lecture）中，首次提到中子 存在的可能。
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中子的发现过程
但是，自从这次演讲之后，卢瑟福再也没有继续对于 这一想法进行阐述。
卢瑟福认为中子是质子和电子的复合体，并非是一个 单独的粒子，这将导致很多的问题。
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中子的发现过程
1920年贝克里安演讲演讲之后，卢瑟福曾请格拉森 （J.L.Glasson）在氢气中放电时寻找中子，不久又请罗伯兹 （J.K.Roberts）也做了类似的实验。
中子的发现过程
1
中子的发现过程
背景 中子概念的提出
寻找中子的早期实验
约里奥-居里夫妇的实验 查德威克的发现 中子发现的深远意义
中子探测技术在材料检测和核反应研究中发挥重要作用
中子探测技术在材料检测和核反应研究中发挥重要作用中子探测技术是一种在材料检测和核反应研究中发挥重要作用的关键工具。
中子作为一种无电荷、质量接近于质子和中子的粒子，具有渗透力强、穿透力高的特点，因此在材料检测和核反应研究中具有广泛的应用前景。
本文将围绕中子探测技术在材料检测和核反应研究中的重要作用展开论述。
中子探测技术在材料检测中的应用材料的内部结构和性质对其性能和可靠性起着至关重要的影响。
中子探测技术可以通过中子与材料原子核之间的相互作用，获取有关材料内部结构和性质的信息，为材料的检测和分析提供重要支持。
首先，中子探测技术在非破坏性材料检测中发挥着重要作用。
传统的非破坏性材料检测方法通常涉及射线或超声波，但这些方法对于某些材料，如高密度或高吸收材料，往往效果不佳。
而中子探测技术可以有效地穿透这些材料，并通过中子与原子核的散射和吸收等过程，获得材料内部的结构信息，从而实现对材料的非破坏性检测。
其次，中子探测技术在材料成分分析中具有独特优势。
中子可以与材料中的原子核发生核反应，通过分析产生的中子散射、吸收或衰变等现象，可以获得材料的成分信息。
尤其是对于复杂的合金材料或核材料中的微量元素，中子探测技术可以准确地识别这些成分，为材料的合理设计和性能优化提供重要依据。
此外，中子探测技术还可用于材料缺陷和疲劳行为的研究。
材料中的缺陷和疲劳行为对其寿命和可靠性有重要影响。
中子可以通过散射和吸收等现象，探测并分析材料中的缺陷、晶格畸变等微观结构信息，对材料表面和体内的缺陷进行定量分析和研究，从而了解材料的疲劳特性和寿命预测。
中子探测技术在核反应研究中的应用中子探测技术在核反应研究中也发挥着重要作用。
核反应是指核粒子之间的相互作用，并伴随着核能的释放或吸收。
通过中子探测技术可以深入研究核反应的机理，从而推动核能利用和核反应器设计的发展。
首先，中子探测技术在核反应堆安全和监测中起到重要作用。
中子在核反应堆中具有粒子数丰富、穿透力强、能量范围广的特点，可以用于监测核反应堆中的中子流强度、能谱和空间分布等参数，对核反应堆的运行状态和热工性质进行实时监测和控制，确保核反应堆的安全稳定运行。
第八章 中子及中子 探测
4. 活化法
选用一些核素具有较高的活化截面，活化 后放射性核素也具有较易测量的放射性。
如：
n In In
115 116 116
~ In Sn v
116
测量粒子的发射率可确定中子的注量率。 一般，热中子的活化截面较高，此法适用于热 中子的注量率的测量。
8.5 常用中子探测器
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。
10 7
反应截面与中子能量的关系：
1 1 v v Tn
0 v0
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
8.6 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。
1. 核反应法 主要的核反应有：
28 2 3841 11 10 m n B Li 2.792MeV 0 28 2 n 6Li 3He 4.786MeV 0 936 6 10 m n 3He p 3H 0.764MeV 0 5327 10 1028 m2
中子测井介绍
岩石对热中子的宏观俘获截面Εa：
微观俘获截面σ：一个原子核俘获热中子的几率； 宏观俘获截面Εa：一立方厘米所有原子微观俘获截面的总和。常 见元素中：
几种核素的微观俘获截面
Cl
H
C
O
Mg
31.6Βιβλιοθήκη 0.329 0.0045 0.0016
0.40
Ag
Si
Ca
0.215 0.13
0.43
结论：氯元素的俘获截面最大。岩石对热中子的俘获能力主 要取决于含氯量（矿化度、地层水含量）
内容
第一节 中子测井的核物理基础 第二节 超热中子测井(探测超热中子密度SNP) 第三节 补偿中子孔隙度测井(探测热中子密度CNL) 第四节 中子伽马测井 (探测伽马射线NG)
第一节 中子测井的核物理基础
一、中子和中子源 二、中子和物质的作用 三、中子探测器
一 、中子和中子源
1.中子
中子—— 原子核中不带电的中性微小粒子， 与质子以很强的核力结合在一起。
快中子+靶核=>激发态复核=>能量较低中子+非弹性散射伽玛 射线=>基态靶核
特点：将入射中子靶核作为一个系统，碰撞前后能量(动能) 发生损失，所以是非弹性散射，或称（n，n’）核反应，放 出的伽马射线称为非弹性散射伽马射线。
能量大于14MeV的中子发生非弹性散射的几率较大， 而能量<5MeV的中子发生非弹性散射的几率较小。
中子测井
利用中子和地层的相互作用的各种效应，来研究井剖 面地层性质的各种测井方法的总称。它包括中子—热中 子、中子—超热中子、中子—伽马测井、中子活化测井 以及非弹性散射伽马能谱测井和中子寿命测井。
试验8用BF3正比计数管探测慢中子
实验8 用BF 3正比计数管探测慢中子实验目的1. 了解BF 3正比管探测慢中子的基本原理。
2. 学会选取BF 3正比管最佳工作点的方法。
实验内容1. 用示波器观察BF 3正比管的输出脉冲波形。
2. 测量BF 3正比管的坪曲线，并确定管子的工作电压。
3. 测量BF 3正比管的偏压曲线，并确定其偏压。
4. 用多道分析器测BF 3正比管探测中子时的脉冲幅度谱。
原理BF 3正比管内充的是三氟化硼气体，它是用核反应方法探测中子的。
用BF 3气体探测慢中子所依据的核反应方程式如下：⎪⎩⎪⎨⎧++++++=+MeV Li MeV Li MeV Li B n 478.0310.2792.2*732*7317310510γαα （1）10B(n,α)7Li 反应是放热反应，忽略入射中子的能量，反应后的反应能变成了α粒子和7Li 核的动能，BF 3正比管就是通过探测10B(n,α)7Li 反应生成的α粒子和7Li 反冲核间接地探测中子的。
10B(n,α)7Li 反应对热中子的反应截面比较大（3840±11巴），而且中子能量小于30keV 时，它的反应截面符合“速度反比律”。
如图1所示。
BF 3正比管是坪宽较长的慢中子探测器，它的特点是探测灵敏度高，抗γ干扰能力比较强。
由于快中子可以被含氢物质（例如石蜡等）慢化，所以带有慢化装置的BF 3计数管，也能用来探测快中子。
根据这个原理制成的一种快中子探测器叫“长中子管”，它的特点是在很宽的中子能量范围里对快中子响应有几乎不变的灵敏度，工作稳定可靠。
目前，BF 3正比管在慢中子探测和快中子通量测量与监测等方面仍有广泛的应用。
1．BF 3正比管的探测效率BF 3正比管记录α粒子和7Li 核的效率可以认为是100%。
中子探测效率主要决定于10B(n,α)7Li 反应发生的几率。
BF 3正比管探测中子的效率定义为：和10B 发生反应的中子数与入射到管子灵敏体积内的中子数之比。
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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。
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
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＝－1.913042N
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。
8.4 中子探测的基本方法
中子探测的特点：
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m2 (M m)2
cos
M2 m2
sin2
2
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
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
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。
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。
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。
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。
1. 核反应法 主要的核反应有：
n10B 7Li 2.792MeV n6Li 3He 4.786MeV
n3He p3H 0.764MeV
0 3841 11 1028 m 2 0 936 6 1028 m2 0 5327 10 1028 m 2
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。
9Be12C 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。
反应截面与中子能量的关系：
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。
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。
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
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 1) 弹性散射 (n,n) 出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。
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