中子探测技术

中子探测技术目录•中子探测的基本原理•常用的中子探测器•中子能谱的测量•中子通量密度及中子源强度的测量第一节中子探测的基本原理中子探测是靠中子和其他物质相互作用完成的。由于中子本身不带电，与物质的电子不发生相互作用，不能引起电离，只能依靠中子和原子核相互作用产生能引起电离反应的次级粒子来进行记录。中子和原子核相互作用包括产生带电粒子的核反应、核反冲、核裂变、活化等，通过这些原理对中子进行探测。中子的基本性质1.不带电静止质量mn=1.67495×10-24g2.中子分类（按能量区分）（1）慢中子：能量为1keV；（2）中能中子：能量为1—100keV；（3）快中子：能量为0.1—20MeV。热中子：En=0.0253eV(与周围分子处于热平衡)冷中子：En0.0253eV核反应法中子本身不带电，它和物质中原子核之间没有库仑斥力．因此比较容易进入原子核，发生核反应。选择某种能产生带电粒子的核反应，记录带电粒子引起的电离现象就可探测中子。这种方法主要用于探测慢中子的强度，在个别情况下，也可用以测量快中子能谱。目前应用得最多的以下三种核反应：（1）10B(n,α)反应，是目前应用最广泛的，B易获得，气态选用BF3,固态选用B2O3、B4C。天然硼中10B含量约为19.8%，探测器中多用浓缩硼（10B浓度96%以上）。（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。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，一般选235U、239Pu、233U做裂变材料。裂变时放出的能量很大（大约200MeV），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，可以用一系列阈值不同的核素来判定中子的能量范围。活化法中子和原子核作用后，形成一个处于激发态的复合核，通过发射一个或几个光子迅速跃回基态，用(n,γ)表示。比如使用115In作为激活材料，受中子照射后发生如下反应：第二节常用的中子探测器中子探测过程分为两个步骤：（1）由中子和核的某种相互作用产生带电粒子；（2）用某种探测器记录带电粒子。分类一、气体探测器：（1）三氟化硼正比计数管（2）硼电离室和裂变室二、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）有机闪烁体三、半导体探测器四、其它中子探测器（1）“自给能”探测器（2）固体径迹探测器第三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。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。3He气体探测器早期使用圆柱形正比计数管，目前还有一种小型球形电离室，体积较小，可用在反应堆中测量能谱。飞行时间法如果知道中子的速度v，由E=1/2mv2，就可以得到中子能量E。当中子能量在30MeV以下时，不必引入相对论修正，而中子的速度可以从中子通过一段固定距离l所需的时间t测量得出。因此只需测出中子的飞行时间就可以得出中子的能量。晶体衍射法中子具有波动性，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。通量密度测量的基本方法（1）标准截面方法：中子与原子核反应可能产生带电粒子，只要精确知道核反应截面，通过对带电粒子强度的测量就可以定出中子通量密度。（2）伴随事件方法：分为伴随粒子法和伴随放射性法，通过测量反应中放出的粒子的通量密度或者γ射线的强度就可以得到中子的通量密度。（3)长计数器测量方法：长计数器的效率与中子能量关系不大，测量效率比其他方法高。氢反冲法：是测量中子能谱的重要方法，同时也是测量快中子通量密度的主要方法。因为H(n,n)H反应截面研究得比较透彻可以以它作为标准截面，通过测量反冲质子数定出中子通量。包括闪烁望远镜方法、半导体望远镜和平面膜半导体探测器以及含氢气体正比管等。中子活化法：将材料接受中子照射一段时间，之后测量它放出的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。完！