中子及中子探測講解課件

1、第8章 中子及中子探測第1頁，共30頁。8.1 中子的分類與性質(zhì)1、中子的分類2) 中能中子：1KeV0.5MeV。1) 慢中子：01KeV。包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。3) 快中子：0.5MeV10MeV。4) 特快中子：10MeV。熱中子：與吸收物質(zhì)原子處于熱平衡狀態(tài)，能量為0.0253eV，中子速度2.2103m/s.第2頁，共30頁。2、中子的性質(zhì)質(zhì)量：mn1.008665u939.565300MeV/c2自旋：sn1/2, 費(fèi)米子電荷：0，中性粒子磁矩：n1.913042N中子壽命：發(fā)生衰變的半衰期T1/2=10.60min第3頁，共30頁。8.2 中子源1) 241Am

2、-Be中子源。屬于(,n)型中子源。由241Am放射源放出的粒子，打在Be上發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生中子。性能：中子產(chǎn)額2.2106/s.CiT1/2433年；1、同位素中子源中子能量為0.111.2MeV，平均5MeV；n/比(中子強(qiáng)度比)為10:1；第4頁，共30頁。2) (,n)型中子源。利用(,n)反應(yīng)獲得中子。優(yōu)點(diǎn)：中子能量單一；缺點(diǎn)：中子產(chǎn)額低，裝置體積大。3) 自發(fā)裂變中子源自發(fā)裂變中子源為超環(huán)元素。以252Cf (锎)最常用。1克252Cf 發(fā)射中子率為2.311013個(gè)中子。半衰期：T1/2(自發(fā)裂變)85.5a，T1/2(衰變)2.64a。中子平均能量為2.2MeV。第5頁，共30頁

3、。2、加速器中子源可以在相當(dāng)寬的能區(qū)內(nèi)獲得單能中子源。主要反應(yīng)：對(duì)放能反應(yīng)，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，當(dāng)入射氘核能量不高時(shí)( Td 200KeV )，反應(yīng)就可以有效進(jìn)行，當(dāng)90時(shí)，就可得到能量分別為2.5MeV和14MeV的單能中子。第6頁，共30頁。3、反應(yīng)堆中子源寬中子能量：0.001eV十幾MeV高中子注量率：第7頁，共30頁。8.3 中子與物質(zhì)的相互作用1. 中子的散射 1) 彈性散射 (n,n) 中子與物質(zhì)的相互作用實(shí)質(zhì)上是中子與物質(zhì)的靶核的相互作用。出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。出射中子的動(dòng)能：第8頁，共30頁。反沖核的動(dòng)能：當(dāng)反沖核為質(zhì)子(氫核)時(shí)，Mm，

4、上式變?yōu)椋寒?dāng) = 0 時(shí)，反沖質(zhì)子能量最大，Tp = Tn第9頁，共30頁。 反沖質(zhì)子在實(shí)驗(yàn)室座標(biāo)系中的能量分布的概率密度函數(shù)為： 即對(duì)入射的單能中子而言，實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系中，其反沖質(zhì)子的能量分布是一個(gè)矩形，最大能量為Tn，最小為零。這個(gè)關(guān)系可用于快中子能譜測量。第10頁，共30頁。2) 非彈性散射 (n,n) 入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖，且使靶核處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時(shí)放出一個(gè)或幾個(gè)特征光子，在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。第11頁，共30頁。2. 中子的俘獲1) 中子的輻射俘獲 (n,) 中子射入靶核后與靶核形成一個(gè)復(fù)合核，而后復(fù)合核通過發(fā)射一個(gè)或幾個(gè)特征光子躍遷到基態(tài)。這些特

5、征 光子不同于 (n,n) 的特征 光子。由于這些 光子的發(fā)射與復(fù)合核的壽命相關(guān)，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)射線”，同樣在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。復(fù)合核的形成。 當(dāng)發(fā)生(n,)反應(yīng)后，新形成的核素是放射性的，就是常說的“活化”，測量活化核素的放射性可以用來測量中子流的注量率，區(qū)分中子的能量范圍。第12頁，共30頁。2) 發(fā)射帶電粒子的中子核反應(yīng) 如(n,)，(n,p)等，這些反應(yīng)在中子探測中應(yīng)用很多，成為探測中子的主要手段。 如(n,2n)，(n,np)等，這些反應(yīng)的閾能較高，在810MeV以上，只有特快中子才能發(fā)生。3) 裂變反應(yīng) (n,f)4) 多粒子發(fā)射第13頁，共30頁。8.4

6、中子探測的基本方法中子探測的特點(diǎn)：1) 中子為中性粒子，不能直接引起探測介質(zhì)的電離、激發(fā)。2) 在探測器或探測介質(zhì)內(nèi)必須具備能同中子發(fā)生相互作用產(chǎn)生可被探測的次級(jí)粒子的物質(zhì)(輻射體)，中子在輻射體上發(fā)生核反應(yīng)、核反沖、核裂變等次級(jí)過程，產(chǎn)生帶電的次級(jí)粒子，如，p，f 等，探測器記錄這些次級(jí)粒子并輸出信號(hào)。3) 中子與輻射體有較大的作用截面，以獲得較大的中子探測效率。第14頁，共30頁。1. 核反應(yīng)法主要的核反應(yīng)有：反應(yīng)截面與中子能量的關(guān)系： 1/v規(guī)律，即隨中子能量增加，反應(yīng)截面減小，因此核反應(yīng)法適用于慢中子的測量，尤其是熱中子的測量。第15頁，共30頁。 反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，反應(yīng)能Q在生成核與

7、出射粒子之間分配。由于反應(yīng)能Q比較大，又主要用于慢中子探測，即：故出射粒子能量難以反映慢中子的能量，因此，核反應(yīng)法常用于中子注量率的測量。這時(shí)，Q大易于甄別去除本底信號(hào)。 探測介質(zhì)中含有上述核素的氣體探測器、閃爍探測器，或上述材料作為外輻射體的半導(dǎo)體探測器均可用核反應(yīng)法進(jìn)行中子探測。第16頁，共30頁。2. 核反沖法中子與靶核的彈性碰撞產(chǎn)生反沖核。 主要發(fā)生在氫核上，常用含氫物質(zhì)作為輻射體。反沖質(zhì)子使探測介質(zhì)電離、激發(fā)而產(chǎn)生輸出信號(hào)。反沖質(zhì)子能量：反沖質(zhì)子數(shù)： 反沖質(zhì)子的能譜為矩形分布。此法主要用于快中子的探測，尤其是快中子能量的測量。因此，探測介質(zhì)中富含含氫物質(zhì)的探測器，如含氫正比管、有機(jī)閃

8、爍體等適用于核反沖法測量快中子能譜。第17頁，共30頁。3. 核裂變法 中子與重核發(fā)生核裂變產(chǎn)生的裂變碎片是巨大的帶正電荷的粒子，能使探測器輸出信號(hào)。通過測量碎片數(shù)，可求得中子注量率。 裂變碎片的總動(dòng)能為150170MeV，形成的脈沖幅度比 本底脈沖幅度大得多，可用于強(qiáng)輻射場內(nèi)中子的測量。 熱中子可引起的核裂變核：233U，235U，239Pu。如235U的熱中子截面為580b。對(duì)慢中子滿足1/v 規(guī)律，僅適用于熱中子的注量率測量。 一些重核只有當(dāng)中子能量大于某一閾能才能發(fā)生核裂變，可用此判斷中子的能量區(qū)間。第18頁，共30頁。4. 活化法 選用一些核素具有較高的活化截面，活化后放射性核素也具

9、有較易測量的放射性。如： 測量粒子的發(fā)射率可確定中子的注量率。一般，熱中子的活化截面較高，此法適用于熱中子的注量率的測量。第19頁，共30頁。1. 硼電離室和裂變室輻射體：常用10B和235U；涂敷在電極表面工作狀態(tài)：一般工作于電流工作狀態(tài)，裂變室也可工作于脈沖工作狀態(tài)。裂變室由于裂變碎片射程很短，所以輻射體涂層很薄，為提高探測效率而做成多層裂變室。8.5 常用中子探測器硼電離室還常工作于補(bǔ)償型狀態(tài)，通過補(bǔ)償消除本底的影響。第20頁，共30頁。2. 10BF3和3He正比計(jì)數(shù)器工作氣體：含10B的BF3或含高豐度3He的氦氣。工作狀態(tài)：脈沖型工作狀態(tài)。性能特點(diǎn)：BF3為負(fù)電性氣體，性能較差；氦

10、氣(尤其是高豐度3He)價(jià)格昂貴。第21頁，共30頁。3. 含鋰閃爍體常用6LiI(Eu)晶體；鈰激活的鋰玻璃等。1) 含氫正比計(jì)數(shù)管氣體介質(zhì)含H2或CH4。2) 有機(jī)閃爍體富含H和C，還可以運(yùn)用n/脈沖形狀甄別技術(shù)，在較強(qiáng)的場中測量中子。4. 利用質(zhì)子反沖效應(yīng)的探測器第22頁，共30頁。 中心輻射體是中子活化材料，活化后具有 放射性。 粒子作為荷電粒子在極板間運(yùn)動(dòng)而在外回路中產(chǎn)生輸出信號(hào)。不需要外加電源，稱為自給能探測器。如：輸出信號(hào)：5. 自給能探測器性能：靈敏度 1.210-21A/單位中子注量率;中子注量率測量范圍1091014/cm2s;體積?。褐睆?2mm;時(shí)間延遲5T1/2適合用

11、于堆芯的中子注量率的測量。第23頁，共30頁。中子靈敏度定義：Nt 為探測器靈敏體積中輻射體的靶核數(shù)。8.6 中子注量率測量的主要指標(biāo) 中子靈敏度反應(yīng)的發(fā)生率中子注量率第24頁，共30頁。對(duì)能量低于30KeV的中子： 為中子密度(包括30KeV以下各種能量的中子)，所以探測器的計(jì)數(shù)直接代表了被測中子場的中子密度，即 R n。n(E)為能量E處單位能量間隔的中子密度。v為中子速度。由第25頁，共30頁。則，中子注量率為：其中 為中子的平均速度， 為熱中子的最可幾速度。對(duì)熱中子，在T=20C時(shí)，故：則，熱中子靈敏度為：第26頁，共30頁。1. 堆芯外用于監(jiān)測反應(yīng)堆功率水平，探測器置于壓力殼外。1) 啟動(dòng)量程：中子注量率102104/cm2s；較小，本底相對(duì)高；用脈沖裂變室或BF3正比計(jì)數(shù)器。3) 功率量程：大于1010/cm2s；足夠大，本底相對(duì)較小；用電流型裂變室或硼電離室。8.7 堆用探測器反應(yīng)堆中子注量率監(jiān)測2) 中間量程：106108/cm2s；較大，本底相對(duì)仍高；用電流型裂變室或補(bǔ)償型電流硼電離室。第27頁，共30頁。2. 堆芯探測器堆芯內(nèi)中子注量率的空間分布。要求體積小，壽命長；典型工作條件：可選用微型裂變室，且電極涂235U+239Pu(可增殖，總積分通量由1.71021提高到4.810