中子辐照生物效应的理论分析

中子辐照生物效应的理论分析

中子作为构成原子核的基础粒子，它不带电，与物质的相互作用通常是与原子核的相互作用。碳氢氧氮等元素在生物体内的含量很多，中子与生物体的相互作用主要就是与这几种元素原子的相互作用，中子与它们相互作用的概率大小同中子能量有很大的关系，在入射中子能量小于30Mev时，中子同这几种元素的作用类型以弹性散射为主，并在2~10Mev能区存在程度不同的共振。中子诱导的生物效应要高于γ射线，并且中子生物效应还同中子能量、剂量、物理生物因素以及生物终点密切相关。

关键词：中子，生物效应，弹性散射，

第一章引言

1.1中子的性质与应用

1.1.1中子的粒子性与波动性

中子存在于除氢以外的所有原子核中，是组成原子核的重要组分之一，中子主要来源于反应堆、加速器、放射性核素等中子源。自从1932年恰徳维克等人发现中子以来，人们对中子的性质进行了广泛的研究。中子会以高度凝聚态的形式构成中子星物质。[1]

中子的粒子性[1] [2]

质量：chadwick发现中子是通过测量α轰击Be核所产生的未知射线与H、Li、Be、B、C、N等轻核碰撞所产生的反冲核能量，根据能量、动量守恒的规律推算该射线粒子质量的实验完成的。通过某些有中子产生或吸收的核反应，根据运动学关系求出中子质量、中子质子质量差值，是确定中子质量的基本方法。

自旋：中子是自旋为½的费米子，遵守费米统计分布，服从泡利不相容原理。

磁矩：氘核的磁矩小于质子的磁矩表明中子和质子具有相反的磁矩，由磁共振谱仪可以推测出中子磁矩为μn=-1.913042μN，负号表示磁矩矢量方向和自旋角动量方向相反。电中性的中子具有磁矩说明中子内部有结构。在夸克模型中，中子由u、d、d三个夸克组成，分别具有电荷e、- e。

中子寿命：Chadwick于1935年指出自由中子不稳定，它会衰变放出一个质子、一个电子、和一个反中微子并放出0.782Mev的能量；半衰期为10.61±0.61min。这表明了中子的静止质量大于质子质量的实验事实。实验观察到中子衰变是通过从反应堆中子束经电偏转引出正离子，并鉴定正离子为质子而确认的。

中子的波动性[1] [2]

同其他粒子一样，中子除具有粒子性之外还具有波动性。自Chadwick发现中子后，很快观察到热能化中子在多晶铁样品上类似于衍射图像的散射角分布。中子波动性对于中子波在物质结构研究中的应用具有重要意义。电子或电磁辐射与

介质通过电磁相互作用而观察介质的电子密度结构及其运动。而中子与介质的作用是与原子核的强相互作用，用中子波观察的是介质中原子的结构及其运动。由量子力学可以知道对于快中子而言其波长较短。但随着中子能量的降低波长会随之增大，当中子为热中子（0.025ev）时，中子波长就和原子线度和晶格间距为同一数量级。此时中子的波动性比较明显，会在原子和晶体上产生明显的衍射；由于中子在轻重元素上有相近的散射振幅，而相邻核素的散射振幅可以相差很大的性质，因此中子衍射常用来测定含轻元素物质的结构。

1.1.2中子的应用

中子作为人类认识自然界的一种工具，在中子核物理研究中，常利用中子及各种粒子作为探针，探究核结构和核反应规律的侧面，并归纳这些知识，以构建我们对原子核的认识；这是我们研究原子核的基本方式。

利用能量、动量可测量的波、粒子在样品上散射可得到有关物质结构及动力学方面的知识。中子在样品上的散射波是中子在原子上散射波相干的结果。热中子散射研究过程分为两大类，一是衍射研究，从中可以得到有关结构的知识；二是谱学研究，从中得到有关动力学知识。中子是电中性，在样品中无直接的电离损耗，不会导致样品的热损伤。由于穿透深度大，不仅可以用大样品，而且测试时还需要包壳样品。x射线的散射（吸收）截面随Z的增大而缓慢线性增大，不能区分相邻元素，也难以做轻元素定位。中子与原子核的作用随不同原子核而异与Z无关，不仅可以区分相邻元素还可以在重元素背景下做轻元素定位。

1.2中子的分类及中子与物质的相互作用

1.2.1中子的能量分类[3]

中子的能量不同，其与物质相互作用的主要方式也不同；根据中子的能量的大小可以对中子进行分类。

（1）慢中子：包括热中子、冷中子、超热中子和共振中子。热中子是指能量为0.005ev~0.5ev的中子，其与周围介质原子（或分子）处于平衡状态，中子速度分布接近麦克斯韦分布，其平均能量为KT(K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度)。通常把能量低于0.005ev的中子成为冷中子。略高于热中子能量的中子称为超热中子。把能量在1ev~1Kev之间的中子称为共振中子，其与原子核相互作用时会发生强烈的共振吸收。

（2）中能中子：指平均能量在热中子和快中子之间即能量在1Kev~100Kev

的中子，其与原子核相互作用的主要方式为弹性散射。

（3）快中子：能量在100Kev~10Mev的中子，其与原子核的主要作用方式为弹性和非弹性散射。

（4）高能中子：能量高于10Mev的中子，其与原子核的相互作用除弹性和非弹性散射外，还可以发生放出两个或两个以上粒子的核反应。

1.2.2中子与物质的相互作用

带电粒子与物质相互作用时主要通过电磁相互作用而损失能量，而中子呈电中性，其与原子中电子的相互作用很小，不会使原子电离、激发而损失能量，因此它和电子的相互作用可以忽略不计。因此，研究中子与物质的相互作用时，主要是研究中子与靶原子核的相互作用。根据入射中子能量的不同，中子与原子核的相互作用有多种形式，主要包括弹性散射、非弹性散射、核反应、裂变等。若中子撞击靶原子核后，核的组成以及能量和作用前相比均未发生变化，则称之为弹性散射；此过程中释放出的中子称为弹性散射中子。如果中子与靶原子核碰撞后，核的组成未发生变化，而能量改变了，则将这一过程称之为非弹性散射；相应的出射中子叫非弹性散射中子。核反应是指中子被原子核吸收而释放出其他带电粒子或γ射线的过程，如（n，γ）、（n，α）、（n，p）等。核裂变是指中子与235U等重核作用时，235U等重核会裂变为两个中等质量的核，同时释放出2~3个中子和大量能量的过程。

（1）对于轻核，当入射中子的能量不高时，弹性散射是中子与原子核相互作用的主要方式，其他反应截面很小可以忽略不计，全截面与弹性散射截面相等。在低能部分弹性散射截面近似为常量，并且会随着入射中子能量的增加而减小。

（2）非弹性散射具有阈能的特点，阈能大小和原子核质量数有关，质量数愈大的核阈能愈低。当中子能量小于阈能时，非弹性散射截面为零，而当中子能量大于阈能时，非弹性散射截面随中子能量的增加而增大。

（3）在吸收截面中最重要的是辐射俘获的贡献，辐射俘获多发生在重核上，在轻核上发生的概率较小；它可以在中子的所有能区发生。重核在低能时的辐射俘获是主要的，全截面几乎与辐射俘获截面相等，在低能呈现1/v律。而中重核在低能的情形介于重核和轻核之间，全截面为弹性散射截面和辐射俘获截面之和。

（4）在一般情况下，中子引起带电粒子飞出的反应也是阈反应，相应的截面值也较小，除10B、3He、6Li等少数核外，在吸收截面中通常不予以考虑。某些轻核的（n，α）及某些裂变核的裂变截面等正比于E1/2即正比于1/v律。