第七章 中子的防护

程外，还要考虑γ射线的屏蔽
本章主要介绍中子屏蔽的基本原理及一般教学、科研、医疗 等部门常用的同位素中子源和中子发生器的有关屏蔽问题
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中子与物质的相互作用
按能量区分的中子种类： 冷中子 2 103 eV 热中子 0.025eV 慢中子 0-103eV 超热中子 0.5eV eV 共振中子 1 1000
第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
3. 化合物、混合物的宏观分出截面
宏观分出截面和微观分出截面的关系如下：

R

0.602 R cm1 MA
—物质的密度（克/厘米3）；
M A —核素的原子量。
0.602 —是阿伏伽德罗常数NA与10-24的乘积（1靶＝10-24cm2）
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r
第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
1. 实验测量的分出截面
实验测量裂变谱中子分出截面原理如图所示： 在水箱内表面放臵一单向裂变中子平面源，探测器在P点离源的距离为r， 在探测器和源之间放臵一块待研究的材料平板，厚度为t，在P点测得的快
中子剂量率为：
(r ) D (r t )eR t D
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第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
3. 化合物、混合物的宏观分出截面
宏观分出截面和微观分出截面的关系如下：

R
0.602
Qi Ri i 1 M Ai
N
—混合物的密度（克/厘米3）；
Qi —第i种核素所占的重量百分比；
Ri
—第i种核素的微观分出截面（靶）；
NA i Ri R i 1 M Ai
m
( R) D
f DH ( R) —快中子在等效体密度纯氢介质中的计量减弱函数； 上式的适用条件是：源和探测点之间含氢介质应有最小的厚度 Rmin，使介质 S —源的中子发射率（中子/秒）； 中的中子谱达到平衡。这个最小的屏蔽厚度一般与中子能量、所探测的中子 N A —阿伏伽德罗常数（NA=6.0225×1023摩尔-1）； 25 能量下限及起分出作用的材料有关。 R —源与探测点间屏蔽体的厚度。
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中子与物质的相互作用
2.中子与物质的相互作用：
（4）. 带电粒子的发射
原子核吸收中子而发射出带电粒子（如质子，α粒子）的核反
应，叫作发射带电粒子的核反应，例如慢中子引起的（n, α ） 和（n, p ）反应。 （5）. 裂变反应（n，f）
有集中重核，如
235
U ,
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Pu 等，当他们俘获一个中子后，可分裂为
当水层的最小厚度为 45—60厘米时，用这种装臵测量的分出截面与平板 — 水箱中无平板时，离源（ r-t）处的中子计量率； D(r t ) 的厚度无关。这是因为P点的中子谱基本上达到了平衡，平板的插入对P R —被研究材料的宏观分出截面 15 点的中子谱的平衡并无影响。 的值可通过查表得到
·最终靶核将放出一个动能较低的中子而处于激发态
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中子与物质的相互作用
2.中子与物质的相互作用：
（2）. 非弹性散射（n，n’） ·非弹性散射的发生和入射中子的能量有关。
·在阈值以上，随着中子能量的增加，非弹性散射的截面变大
靶核的第一激发能级愈低，愈容易发生非弹性散射，重核的第一激 发能级比轻核的第一激发能级低 ·快中子（>0.5MeV）与重核相互作用时，与弹性散射相比，非弹 性散射占优势 ·在中子屏蔽层中，往往掺入重元素或用金属与减速剂组成交替屏蔽
两个交情的原子核，伴随着放出2-3个中子及200MeV左右的巨大能 量，这就是核裂变反应，即（n，f）反应。
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第七章
中子的防护
中子源发出的中子都是快中子，在屏蔽层中主要通过弹性散
射和非弹性散射损失能量，最后被物质吸收，主要放出γ射 线。因此中子的屏蔽除了要考虑快中子的减弱过程和吸收过 程外，还要考虑γ射线的屏蔽 对中子的屏蔽，出了反应堆、高能加速器、克级以上的252Cf 中子源需要进行较为复杂的计算外，一般小型的同位素中子 源、中子放射器多采用较为简单的计算方法，如以实验为基 础的分出截面法、张驰长度法、实验曲线法等。
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第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
1. 实验测量的分出截面
实验测量裂变谱中子分出截面原理如图所示： 在水箱内表面放臵一单向裂变中子 平面源，探测器在P点离源的距离
裂 变 中 子 面 源
t
水
P
为r，在探测器和源之间放臵一块
待研究的材料平板，厚度为t，在P
点测得的快中子剂量率为：
仅适用于氢以外核素的分出截面的计算。氢的分出截面等于其总截面的 0.9倍，即：σR(H)=0.9 σH ， σR(H)， σH分别表示屏蔽层中氢的微观 分出截面和微观总截面。 σH可用下面的经验公式计算。
10.97 E0 1.66
H
靶
Baidu Nhomakorabea22
式中E0为中子能量，单位为MeV。在能区1.5MeV～20MeV，上式计算值的准 确度为2％
Be
B C O Al Fe
1.07
0.97 0.81 0.74 1.30 1.98
1.20
1.12 0.95 0.74 1.42 1.87
Cu
2.04
2.04
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第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
2. 理论计算的分出截面
采用实验测量的分出截面时，使用条件和测量条件相似，不然，会造成
除非常轻的元素外，上述公式对均匀介质的计算值比对非均匀介质的计
算值小5-10%。
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第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
1. 实验测量的分出截面
一些元素的微观分出截面
（1靶＝10-28米2） 元素 Li 分出截面（靶） 1.01 计算值（靶） （En≥1.4MeV） 1.03
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第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
分出截面法和张弛长度法时快中子屏蔽的半经验方法。这些方法最初是为
适应反应堆屏蔽计算需要而建立起来的。由于计算方便，有一定精度，除 当用某一阈探测器，测量通过某一含氢屏蔽层后的快中子注量率时，由于 用于反应堆屏蔽计算外，目前广泛地用于各类同位素中资源的屏蔽估算。 散射使快中子的能量降低到阈值一下，或者通过散射偏离原来的束而不能 到达探测器。尽管这些中子可能仍然是快中子，然而都不能被阈探测器探 测到，表明这些中子已经从能量高于阈值的“群”中分出去了。分出截面 就是表示中子通过单位厚度的材料时，从高于某一阈值的中子群中分出来 进入能量较低的中子群的几率。故可用中子从某一能量的中子群中分出几 率的概念来考虑中子的衰减，并用分出截面来计算快中子在屏蔽层中的减 弱。分出截面可以通过实验测量，也可以通过理论计算。
中子的防护
主讲：崔 莹
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第七章
中子的防护
象γ射线一样，中子是一种穿透力很强的间接电离粒子。它
在物质中的减弱是一个复杂的物理过程，在屏蔽计算时一般
应该考虑这些物理过程。然而其中数据尚不完全清楚。 中子源发出的中子都是快中子，在屏蔽层中主要通过弹性散 射和非弹性散射损失能量，最后被物质吸收，主要放出γ射 线。因此中子的屏蔽除了要考虑快中子的减弱过程和吸收过
第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
1. 实验测量的分出截面
在某些屏蔽和反应堆材料中，中子的宏观分出截面
材料 水 铁 普通混凝土 宏观分出截面 R （cm-1） 0.103 0.1576 0.0942 张驰长度λ （cm） 9.7 6.34 10.6
波兰特混凝土
石墨（ρ ＝1.54）
t —种材料板厚
Ec —中子能量下限
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快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
2. 理论计算的分出截面
公式：
R ( E ) t cos es 及
e R t


Ec
S ( E0 ) DH (r t , E0 )e R t dE0


Ec
S ( E0 ) DH (r t , E0 )dE0
同位素中子源：体积小，价钱便宜，使用方便
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中子与物质的相互作用
2.中子与物质的相互作用：
·中子由不同的过程产生，能量覆盖较大的范围 ·像光子一样，中子没有电荷，不会与轨道电子发生作用。
·中子在物质中可以不发生任何作用而输运很远的距离。
·中子通过以下几种机制与原子核的核子发生作用：
（1）. 弹性散射（n，n） （2）. 非弹性散射（n， n ’） （3）. 辐射俘获（n，γ） （4）. 带电粒子的发射 （5）. 裂变（n，f）
2. 理论计算的分出截面
当中子源具有谱分布时，对于能谱平均的分出截面，由下式计算：
e R t


Ec
S ( E0 ) DH (r t , E0 )e R t dE0


Ec
S ( E0 ) DH (r t , E0 )dE0
S ( E0 ) —中子源能谱的微分分布
DH (r t, E0 ) —无中材料存在时，在厚度为（r-t）的含氢介质中的中子剂量
·中子损失的能量E转移到了反冲粒子
·最大能量转移发生在对头碰撞时 ·弹性散射截面取决于能量和材料
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中子与物质的相互作用
2.中子与物质的相互作用：
（1）. 弹性散射（n，n）
结论：
·轻元素（特别是氢）可以作为良好的快中子减速剂 ·在中子的中能范围内，弹性散射是中子能量损失的主要方式， 同时随着中子能量的降低，氢的弹性散射截面很快变大，当中子 和氢发生弹性散射时没能很快的降低到热能范围。 ·在中子防护中，常选用含氢物质和原子量小的物质作为快中子
中能中子 快中子 相对论中子
1 5 102 keV 5 102 107 keV 107 keV
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中子按能量的划分并不严格，各文献之间略有差别。
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中子与物质的相互作用
1.中子源：
反应堆中子源：强中子源， 中子能量范围0-18MeV 加速器中子源：能在很宽能量范围内产生单能中子束
很大误差。实际上，某些中子源的谱并非裂变谱，有些则是单能中子源，
屏蔽材料也并不象实验那样成层状分布，因而实验值的应用受到局限。
如果能在理论上建立分出截面与中子能量的关系，则分出截面的应用会 更为方便。
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第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
2. 理论计算的分出截面
对于能量为E（兆电子伏）的快中子在某一特定材料中的宏观分出截面，
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中子与物质的相互作用
2.中子与物质的相互作用：
（1）. 弹性散射（n，n）
弹性散射分为势散射和复合核散射两种 －－原子核内能不变 势散射 是中子受核力场作用发生的散射 （中子未进入核内，而是发生在核外面）。
复合核散射是中子进入核内形成复合核，而后放出中子。
弹性散射是慢化中子的最重要的过程： ·保留了总动能
可用下述近似式计算：

R
( E ) t cos es

t
—能量为E的快中子的宏观总截面（厘米-1）； —能量为E的快中子的宏观弹性散射截面（厘米-1）；
es
cos —宏观弹性散射角余弦的平均值，表示弹性散射角分布中向前
散射的部分。
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第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
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复习
中子与物质的相互作用
2.中子与物质的相互作用：
（3）. 辐射俘获(n,γ ) 中子射入靶核后，与靶核形成激发态的复合核，然后复合核通过发
射一个或几个γ光子而回到基态，不再发射其他粒子，此过程叫辐
射俘获，也称 (n,γ) 反应。这时中子被靶核吸收。 ·辐射俘获反应截面仅和中子能量有关。 ·在在低能区除共振区外，其反应截面一般随 1 / E 变化
0.0945
0.0785
10.6
12.7
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第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
一. 分出截面的概念
1. 实验测量的分出截面
当原子质量MA>12时，裂变中子在材料中的微观分出截面可用如下经验
公式计算：
2/ 3 1/ 3 R (M A ) 0.011 M A 0.56M A 0.35靶
的减速剂
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中子与物质的相互作用
2.中子与物质的相互作用：
（2）. 非弹性散射（n，n’） 非弹性散射分为直接相互作用过程和形成复合核过程 直接作用过程 是入射中子和靶核的核子发生非常短时间的相互作用 （约10-22-10-21秒） 复合核过程 是入射中子进入靶核形成复合核，在形成复合核过程中 入射中子和核子发生较长时间的能量交换 （约10-20-10-15秒）
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M Ai —第i种核素的原子量。
第一节
快中子屏蔽的分出截面法和张弛长度法
二. 计算快中子屏蔽的分出截面法
分出截面法不仅适用于含氢材料或以含氢材料（含氢量>0.3%）为后衬 的屏蔽，在一定的限制条件下亦可以用于非含氢材料的屏蔽计算。
1. 快中子在含氢介质中的减弱
（1）均匀含氢介质：当屏蔽体中的含氢材料和其他重组分均匀混合时， 各向同性点源的快中子在屏蔽体中的剂量减弱可用下式计算：