Interactionofneutron

Interactionofneutron中子性质：中子不带电，通过核力与原子核作用。中子或完全消失，产生二次辐射；或能量及运动方向发生巨大变化。目前探测器很难直接测量中子辐射剂量，这是因为中子与吸收介质的反应截面小，可能穿过几厘米的介质而不发生任何反应。中子产生的二次辐射源通常是重荷粒子，他们是由中子诱发核反应产生或中子与原子核碰撞给予原子核能量而产生。探测器可通过直接测量这些重荷粒子来测得中子辐射。慢中子反应室温下，慢中子能量约为0.025eV慢中子与原子核发生弹性散射或中子诱发核反应弹性散射：由于慢中子的动能较小，在弹性散射过程中能传递出去的能量也较少，英雌弹性散射不能作为探测中子的手段。中子诱发核反应：(n,γ),(n,p),(n,α),(n,f)后三种反应便于中子辐射的测量，因为二次粒子均带有电荷；但实际中多发生第一中反应。快中子反应随着中子能量的增加，中子诱发反应的概率很快地下降。更多的中子发生散射。中子发生散射后能量减少，速度变慢。最好的慢化剂是H2，因为氢核只有一个核子，中子与其碰撞时可失去全部能量。快中子如果能量特别高，也可能发生非弹性散射。被碰撞的原子核会处于激发态，随后退激发射γ射线。这种情况下，中子丧失的能量比其发生弹性碰撞时的大得多。非弹性碰撞在中子屏蔽中有很大作用；但对于基于弹性碰撞的中子探测器，非弹性碰撞却是不愿意看到的。宏观反应截面∑=𝑁𝜎N:单位体积原子数；∑：单位长度发生反应的概率自由中子是不稳定的粒子：n=p+𝑒−+𝜗̅,半衰期为896s高能(高速)中子具电离能力，能深入穿透物质。中子是唯一一种能使其他物质具有放射性之电离辐射的物质。此过程被称为“中子激发”。高能中子可以在空气中行进极长距离。中子辐射需要以富有氢核之物质掩蔽，例如混凝土和水。只会在与原子核近距离接触时受强相互作用或弱相互作用影响：结果一个自由中子在与原子核直接碰撞前不受任何外力影响。因为原子核太小，碰撞机会极少，因此自由中子会在一段极长的距离保持不变。中子分类：热中子：符合麦克斯韦－玻耳兹曼分布并且其最可几动能约为kT=0.0253电子伏特(4.0×10−21焦耳)的自由中子，对应这一动能的速率约为2.2千米/秒。这个速度也是对应于290K（摄氏17度）时麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的最可几速率。冷中子：冷中子的能量约5x10−5eV至0.025eV之间超冷中子：冷中子通过与温度只有几K的物质（比如固体氘或者超流体液氦）发生非弹性散射后可以得到超冷中子。其能量小于3x10−7eV。快中子：快中子是在核裂变反应中产生的自由中子，其动能可以达到1MeV。U235产生的中子平均能量为2MeV，且超过一半的中子不是快中子。因此仅仅靠U235裂变产生的中子无法引发增殖性材料（比如铀−238和钍−232）的裂变。慢中子：快中子可以通过减速变成热中子。在核反应堆中，通常使用轻水、重水、或石墨来使中子减速。中子活化：热中子通常有比快中子大得多的有效中子俘获截面，也因此会更容易被原子核吸收，形成更重的、通常也不稳定的同位素。这个现象也被称为中子活化。中子与原子核的相互作用1、势散射：弹性散射的一种。散射前后靶核的内能不发生变化，仍处于基态；中子-靶核系统的动能和动量守恒，中子部分或全部能量转变成靶核的动能。没有能量阙值，所有能量范围的中子都可能发生势散射。中子并未进入到靶核内部。反应式：𝑋+𝑛=𝑋+𝑛𝑍𝐴𝑍𝐴2、复合核的形成：入射中子被靶核吸收，形成新的核——复合核。复合核是处于激发状态的，会通过释放粒子而衰变。复合核的形成：𝑋+𝑛→𝑋∗𝑍𝐴+1𝑍𝐴复合核有多种衰变分解方式：(1)共振弹性散射：也是一个弹性散射过程，散射前后靶核的内能不发生变化，中子-靶核系统的动能和动量守恒。复合核放出一个中子，余核回到基态。只有特定能量的中子会发生共振散射。反应式：𝑋+𝑛→𝑋∗𝑍𝐴+1𝑍𝐴→𝑋+𝑛𝑍𝐴在热中子反应堆内，中子从高能慢化到低能的过程中起主要作用的是弹性散射（势散射和共振弹性散射）(2)非弹性散射：散射前后中子-靶核系统动量守恒但动能不守恒，因为部分动能转变成靶核的内能使其处于激发态。非弹性散射具有阙值，只有中子能量大于靶核的第一激发能才能使靶核激发。反应式：𝑋+𝑛→𝑋∗𝑍𝐴+1𝑍𝐴→𝑋∗+𝑛′→𝑋+𝛾𝑍𝐴𝑍𝐴#轻核激发态的能量噶，重核激发态的能量低。对于U238，中子必须具有45keV以上能量才能发生非弹性散射。(3)辐射俘获：靶核吸收一个中子后形成激发态的复合核，复合核发生γ衰变最终形成靶核的同位素。反应式：𝑋+𝑛→𝑋∗𝑍𝐴+1𝑍𝐴→𝑋+𝛾𝑍𝐴+1#生产的靶核同位素往往具有放射性#所有能量的中子都可能发生辐射俘获#低能的中子和中等质量核、重核作用时较易发生辐射俘获。如U238+n→Pu239+γ(4)(n,p)反应：𝑋+𝑛→𝑋∗𝑍𝐴+1𝑍𝐴→𝑌+𝑝𝑍−1𝐴#反应堆中：O16+n→N16+pN16能进行γ衰变，半衰期为7.13s(5)(n,α)反应：𝑋+𝑛→𝑋∗𝑍𝐴+1𝑍𝐴→𝑌+𝛼𝑍−2𝐴−4#反应堆中：B10+n→Li7+α在低能区，此反应截面很大(6)(n,f)核裂变：𝑋+𝑛→𝑋∗𝑍𝐴+1𝑍𝐴→𝑓1+𝑓2+⋯易裂变同位素：能与各种能量的中子发生裂变，并且与低能中子发生裂变的可能性更大。如U235U235+n→U236∗→f1+f2+an可裂变同位素：只与能量高于某一阙值的中子发生裂变。如U238微观截面σ：平均一个给定能量的入射粒子与一个靶核发生作用的概率的度量宏观截面∑：一个中子与单位体积内所有原子核发生反应的概率的度量。一个中子在介质中穿行单位距离与靶核发生相互作用的概率。Σ=σ𝑁𝑉=−𝑑𝐼/𝐼𝑑𝑥核反应率R：单位时间单位体积内的中子与介质原子核发生作用的次数。R=∑I=Iσ𝑁𝑉I:单位时间通过单位面积的中子数。平均自由程λ：中子在介质中运动时，与原子核连续两次相互作用之间走过的平均距离。λ=1∑微观截面与中子能量的关系：1、能区划分低能区（E1eV）:在此区域中子吸收截面与中子速率成反比，也叫1/v区中能区（1eVEkeV）:许多重核元素的截面出现共振峰，也叫共振区高能区（EkeV）:此区域截面通常很小，且截面随能量变化比较平缓。2、微观吸收截面1）低能区轻核：能量在几个keV甚至MeV的区间内其吸收截面都近似正比于1/v。重核和中等质量核：在低能区会出现共振现象，吸收截面偏离1/v规律。2）中能区轻核：一般不出现共振峰；其共振吸收现象一般出现在MeV区域，共振峰宽而低。重核：出现强烈的共振吸收现象，共振峰窄而高。3）高能区吸收截面随能量变化比较平缓，且截面数值很小。3、微观裂变截面1）低能区裂变截面随中子能量降低而增加，且截面值很大2）中能区裂变截面出现共振峰3）高能区裂变截面随中子能量增加而下降到几靶。4、微观散射截面1）非弹性散射质量数越大的核，能量阙值越大。当中子能量小于阙值时，非弹性散射截面为0；当中子能量大于阙值时，能量越高，非弹性散射截面越大。2）弹性散射弹性散射截面基本上为常数。轻核和中等核：中子能量从低能到MeV范围内，弹性散射截面都为常数重核：在共振区将出现共振弹性散射。