中子及中子测量

出射中子的动能：
Tn
Tn
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
概率密度函数为：
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。
体积小：直径1～2mm;时间延迟～5T1/2 适合用于堆芯的中子注量率的测量。
13.6 中子注量率测量的主要指标 中子灵敏度
中子灵敏度定义： R 反应的发生率
中子注量率
R Nt
(E)(E)dE
0
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：
R Nt
30KeV 0v0 ( E )dE
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。
3. 核裂变法
中子与重核发生核裂变产生的裂变碎片是 巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。 通过测量碎片数，可求得中子注量率。
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。
13.4 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号。
则，中子注量率为：
R
nv
v
Nt 0v0
其中 v 为中子的平均速度，v0 为热中子的最可
几速度。
对热中子，在T=20C时，v / v0 1.128 故： 1.128 R
N t 0 则，热中子灵敏度为： R N t 0
1.128
13.7 堆用探测器—反应堆中子注量率监测
1. 堆芯外——用于监测反应堆功率水平， 探测器置于压力壳外。
要求体积小，寿命长；
典型工作条件：
~ 5108 / cm2s
本底 ~ 108 R / h
工作温度~ 300 C
工作压力~ 2500N / cm2
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。
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
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。
1) 启动量程：中子注量率102～104/cm2s；较小，
本底相对高；用脉冲裂变室或BF3正比计数器。
2) 中间量程：106～108/cm2s；较大，本底相对 仍高；用电流型裂变室或补偿型电流硼电离室。
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。
第十三章
中子及中子探测
13.1 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。
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
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。
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
13.2 中子源
1、同位素中子源 1) 241Am-Be中子源。
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
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。
百度文库
v为中子速度。
30 Ke V
R Nt 0v0 0 n(E)dE Nt 0v0n
30 KeV
n 0 n(E)dE 为中子密度(包括30KeV以下各
种能量的中子)，所以探测器的计数直接代表了
被测中子场的中子密度，即 R n。
工作状态：一般工作于电流工作状态，裂变室 也可工作于脉冲工作状态。
硼电离室还常工作于补偿型状态，通过补偿消
除本底的影响。 I I1 I2 I n
In I I
裂变室由于裂变碎片射程很短，所以辐射体涂 层很薄，为提高探测效率而做成多层裂变室。
2. 10BF3和3He正比计数器
工作气体：含10B的BF3或含高丰度3He的氦气。 工作状态：脉冲型工作状态。
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。
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。
裂变碎片的总动能为150～170MeV，形成 的脉冲幅度比 本底脉冲幅度大得多，可用于 强辐射场内中子的测量。
热中子可引起的核裂变 核：233U， 235U， 239Pu。如235U的热中子截面为580b。对慢中子满 足1/v 规律，仅适用于热中子的注量率测量。
一些重核只有当中子能量大于某一阈能才 能发生核裂变，可用此判断中子的能量区间。
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：
n115In116In 116 In116Sn v~
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。
13.5 常用中子探测器
1. 硼电离室和裂变室 辐射体：常用10B和235U；涂敷在电极表面
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
性能特点：BF3为负电性气体，性能较差；氦气 (尤其是高丰度3He)价格昂贵。
3. 含锂闪烁体
常用6LiI(Eu)晶体；铈激活的锂玻璃等。
4. 利用质子反冲效应的探测器
1) 含氢正比计数管——气体介质含H2或CH4。 2) 有机闪烁体——富含H和C，还可以运用n/脉 冲形状甄别技术，在较强的场中测量中子。
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铀元素。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
5. 自给能探测器
中心辐射体是中子活化材料，活化后具有 放射性。 粒子作为荷电粒子在极板间运动而
在外回路中产生输出信号。不需要外加电源， 称为自给能探测器。
如：
51V (n, )52V
52V 52Cr 输出信号： i n e
性能：灵敏度 ＝1.2×10-21A/单位中子注量率;
中子注量率测量范围109～1014/cm2s;