中子及中子測量課件

第十三章

中子及中子探測第十三章

中子及中子探測113.1

中子的分類與性質(zhì)1、中子的分類2)中能中子：1KeV～0.5MeV。1)慢中子：0～1KeV。包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。3)快中子：0.5MeV～10MeV。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~2.2×103m/s.13.1中子的分類與性質(zhì)1、中子的分類2)中能中子：1K22、中子的性質(zhì)質(zhì)量：mn＝1.008665u＝939.565300MeV/c2自旋：sn＝1/2,費米子電荷：0，中性粒子磁矩：n＝－1.913042N中子壽命：發(fā)生－衰變的半衰期T1/2=10.60min2、中子的性質(zhì)質(zhì)量：mn＝1.008665u＝939.565313.2中子源1)241Am-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——2.2×106/s.CiT1/2＝433年；1、同位素中子源中子能量為0.1~11.2MeV，平均5MeV；n/比(中子強度比)為10:1；13.2中子源1)241Am-Be中子源。屬于(,n42)(,n)型中子源。利用(,n)反應(yīng)獲得中子。優(yōu)點：中子能量單一；缺點：中子產(chǎn)額低，裝置體積大。3)自發(fā)裂變中子源自發(fā)裂變中子源為超鈾元素。以252Cf

(锎)最常用。1克252Cf

發(fā)射中子率為2.31×1013個中子。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。2)(,n)型中子源。利用(,n)反應(yīng)獲得中子。優(yōu)點：52、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(Td200KeV)，反應(yīng)就可以有效進行，當(dāng)＝90時，就可得到能量分別為~2.5MeV和~14MeV的單能中子。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)63、反應(yīng)堆中子源寬中子能量：0.001eV~十幾MeV高中子注量率：3、反應(yīng)堆中子源寬中子能量：0.001eV~十幾MeV高中子713.3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。出射中子的動能：13.3中子與物質(zhì)的相互作用1.中子的散射1)彈性8反沖核的動能：當(dāng)反沖核為質(zhì)子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?dāng)=0時，反沖質(zhì)子能量最大，Tp=Tn反沖核的動能：當(dāng)反沖核為質(zhì)子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?dāng)9反沖質(zhì)子在實驗室座標系中的能量分布的概率密度函數(shù)為：即對入射的單能中子而言，實驗室坐標系中，其反沖質(zhì)子的能量分布是一個矩形，最大能量為Tn，最小為零。這個關(guān)系可用于快中子能譜測量。反沖質(zhì)子在實驗室座標系中的能量分布的概率密102)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)的靶核退激時放出一個或幾個特征光子，在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。2)非彈性散射(n,n’)入射中子的能量損112.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復(fù)合核，而后復(fù)合核通過發(fā)射一個或幾個特征光子躍遷到基態(tài)。這些特征光子不同于(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。2.中子的俘獲1)中子的輻射俘獲(n,)122)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8～10MeV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2)發(fā)射帶電粒子的中子核反應(yīng)如(n,)，(n1313.4中子探測的基本方法中子探測的特點：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、核裂變等次級過程，產(chǎn)生帶電的次級粒子，如，p，f等，探測器記錄這些次級粒子并輸出信號。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。13.4中子探測的基本方法中子探測的特點：1)中子為中141.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。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：15反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，反應(yīng)能Q在生成核與出射粒子之間分配。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，Q大易于甄別去除本底信號。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)法進行中子探測。反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，反應(yīng)能Q在生成核與出射粒子162.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。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、有機閃爍體等適用于核反沖法測量快中子能譜。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)173.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。通過測量碎片數(shù)，可求得中子注量率。裂變碎片的總動能為150～170MeV，形成的脈沖幅度比本底脈沖幅度大得多，可用于強輻射場內(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。3.核裂變法中子與重核發(fā)生核裂變產(chǎn)生的裂184.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。4.活化法選用一些核素具有較高的活化截面，191.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。13.5常用中子探測器硼電離室還常工作于補償型狀態(tài)，通過補償消除本底的影響。1.硼電離室和裂變室輻射體：常用10B和235U；涂敷在電202.10BF3和3He正比計數(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：BF3為負電性氣體，性能較差；氦氣(尤其是高豐度3He)價格昂貴。2.10BF3和3He正比計數(shù)器工作氣體：含10B的BF3213.含鋰閃爍體常用6LiI(Eu)晶體；鈰激活的鋰玻璃等。1)含氫正比計數(shù)管——氣體介質(zhì)含H2或CH4。2)有機閃爍體——富含H和C，還可以運用n/脈沖形狀甄別技術(shù)，在較強的場中測量中子。4.利用質(zhì)子反沖效應(yīng)的探測器3.含鋰閃爍體常用6LiI(Eu)晶體；鈰激活的鋰玻璃等。22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動而在外回路中產(chǎn)生輸出信號。不需要外加電源，稱為自給能探測器。如：輸出信號：5.自給能探測器性能：靈敏度＝1.2×10-21A/單位中子注量率;中子注量率測量范圍109～1014/cm2s;體積?。褐睆?～2mm;時間延遲～5T1/2適合用于堆芯的中子注量率的測量。中心輻射體是中子活化材料，活化后具有放射性23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)。13.6中子注量率測量的主要指標中子靈敏度反應(yīng)的發(fā)生率中子注量率中子靈敏度定義：Nt為探測器靈敏體積中輻射體的靶核數(shù)。1324對能量低于30KeV的中子：為中子密度(包括30KeV以下各種能量的中子)，所以探測器的計數(shù)直接代表了被測中子場的中子密度，即Rn。n(E)為能量E處單位能量間隔的中子密度。v為中子速度。由對能量低于30KeV的中子：25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。對熱中子，在T=20C時，故：則，熱中子靈敏度為：則，中子注量率為：其中為中子的平均速度，為熱261.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)啟動量程：中子注量率102～104/cm2s；較小，本底相對高；用脈沖裂變室或BF3正比計數(shù)器。3)功率量程：大于1010/cm2s；足夠大，本底相對較??；用電流型裂變室或硼電離室。13.7堆用探測器—反應(yīng)堆中子注量率監(jiān)測2)中間量程：106～108/cm2s；較大，本底相對仍高；用電流型裂變室或補償型電流硼電離室。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。272.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1.7×1021提高到4.8×1021中子)；也可以用自給能探測器。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，28第十三章

中子及中子探測第十三章

中子及中子探測2913.1

中子的分類與性質(zhì)1、中子的分類2)中能中子：1KeV～0.5MeV。1)慢中子：0～1KeV。包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。3)快中子：0.5MeV～10MeV。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~2.2×103m/s.13.1中子的分類與性質(zhì)1、中子的分類2)中能中子：1K302、中子的性質(zhì)質(zhì)量：mn＝1.008665u＝939.565300MeV/c2自旋：sn＝1/2,費米子電荷：0，中性粒子磁矩：n＝－1.913042N中子壽命：發(fā)生－衰變的半衰期T1/2=10.60min2、中子的性質(zhì)質(zhì)量：mn＝1.008665u＝939.5653113.2中子源1)241Am-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——2.2×106/s.CiT1/2＝433年；1、同位素中子源中子能量為0.1~11.2MeV，平均5MeV；n/比(中子強度比)為10:1；13.2中子源1)241Am-Be中子源。屬于(,n322)(,n)型中子源。利用(,n)反應(yīng)獲得中子。優(yōu)點：中子能量單一；缺點：中子產(chǎn)額低，裝置體積大。3)自發(fā)裂變中子源自發(fā)裂變中子源為超鈾元素。以252Cf

(锎)最常用。1克252Cf

發(fā)射中子率為2.31×1013個中子。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。2)(,n)型中子源。利用(,n)反應(yīng)獲得中子。優(yōu)點：332、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(Td200KeV)，反應(yīng)就可以有效進行，當(dāng)＝90時，就可得到能量分別為~2.5MeV和~14MeV的單能中子。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)343、反應(yīng)堆中子源寬中子能量：0.001eV~十幾MeV高中子注量率：3、反應(yīng)堆中子源寬中子能量：0.001eV~十幾MeV高中子3513.3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。出射中子的動能：13.3中子與物質(zhì)的相互作用1.中子的散射1)彈性36反沖核的動能：當(dāng)反沖核為質(zhì)子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?dāng)=0時，反沖質(zhì)子能量最大，Tp=Tn反沖核的動能：當(dāng)反沖核為質(zhì)子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?dāng)37反沖質(zhì)子在實驗室座標系中的能量分布的概率密度函數(shù)為：即對入射的單能中子而言，實驗室坐標系中，其反沖質(zhì)子的能量分布是一個矩形，最大能量為Tn，最小為零。這個關(guān)系可用于快中子能譜測量。反沖質(zhì)子在實驗室座標系中的能量分布的概率密382)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)的靶核退激時放出一個或幾個特征光子，在核分析技術(shù)中有重要的應(yīng)用。2)非彈性散射(n,n’)入射中子的能量損392.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復(fù)合核，而后復(fù)合核通過發(fā)射一個或幾個特征光子躍遷到基態(tài)。這些特征光子不同于(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。2.中子的俘獲1)中子的輻射俘獲(n,)402)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8～10MeV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2)發(fā)射帶電粒子的中子核反應(yīng)如(n,)，(n4113.4中子探測的基本方法中子探測的特點：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、核裂變等次級過程，產(chǎn)生帶電的次級粒子，如，p，f等，探測器記錄這些次級粒子并輸出信號。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。13.4中子探測的基本方法中子探測的特點：1)中子為中421.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。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：43反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，反應(yīng)能Q在生成核與出射粒子之間分配。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，Q大易于甄別去除本底信號。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)法進行中子探測。反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，反應(yīng)能Q在生成核與出射粒子442.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。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、有機閃爍體等適用于核反沖法測量快中子能譜。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)453.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。通過測量碎片數(shù)，可求得中子注量率。裂變碎片的總動能為150～170MeV，形成的脈沖幅度比本底脈沖幅度大得多，可用于強輻射場內(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。3.核裂變法中子與重核發(fā)生核裂變產(chǎn)生的裂464.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。4.活化法選用一些核素具有較高的活化截面，471.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。13.5常用中子探測器硼電離室還常工作于補償型狀態(tài)，通過補償消除本底的影響。1.硼電離室和裂變室輻射體：常用10B和235U；涂敷在電482.10BF3和3He正比計數(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：BF3為負電性氣體，性能較差；氦氣(尤其是高豐度3He)價格昂貴。2.10BF3和3He正比計數(shù)器工作氣體：含10B的BF3493.含鋰閃爍體常用6LiI(Eu)晶體；鈰激活的鋰玻璃等。1)含氫正比計數(shù)管——氣體介質(zhì)含H2或CH4。2)有機閃爍體——富含H和C，還可以運用n/脈沖形狀甄別技術(shù)，在較強的場中測量中子。4.利用質(zhì)子反沖效應(yīng)的探測器3.含鋰閃爍體常用6LiI(Eu)晶體；鈰激活的鋰玻璃等。50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動而在外回路中產(chǎn)生輸出信號。不需要