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1、中子的分類2)中能中子：1K22、中子的性質質量：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、中子的性質質量：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，產生中子。性能：中子產額——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)反應獲得中子。優(yōu)點：中子能量單一；缺點：中子產額低，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)反應獲得中子。優(yōu)點：52、加速器中子源可以在相當寬的能區(qū)內獲得單能中子源。主要反應：對放能反應，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，當入射氘核能量不高時(Td200KeV)，反應就可以有效進行，當＝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寬的能區(qū)內獲得單能中子源。主要反應63、反應堆中子源寬中子能量：0.001eV~十幾MeV高中子注量率：3、反應堆中子源寬中子能量：0.001eV~十幾MeV高中子713.3中子與物質的相互作用1.中子的散射1)彈性散射(n,n)中子與物質的相互作用實質上是中子與物質的靶核的相互作用。出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。出射中子的動能：13.3中子與物質的相互作用1.中子的散射1)彈性8反沖核的動能：當反沖核為質子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?0時，反沖質子能量最大，Tp=Tn反沖核的動能：當反沖核為質子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?反沖質子在實驗室座標系中的能量分布的概率密度函數為：即對入射的單能中子而言，實驗室坐標系中，其反沖質子的能量分布是一個矩形，最大能量為Tn，最小為零。這個關系可用于快中子能譜測量。反沖質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，在核分析技術中有重要的應用。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合核，而后復合核通過發(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)射與復合核的壽命相關，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)射線”，同樣在核分析技術中有重要的應用。復合核的形成。當發(fā)生(n,)反應后，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如(n,)，(n,p)等，這些反應在中子探測中應用很多，成為探測中子的主要手段。如(n,2n)，(n,np)等，這些反應的閾能較高，在8～10MeV以上，只有特快中子才能發(fā)生。3)裂變反應(n,f)4)多粒子發(fā)射2)發(fā)射帶電粒子的中子核反應如(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的電離、激發(fā)。2)在探測器或探測介質內必須具備能同中子發(fā)生相互作用產生可被探測的次級粒子的物質(輻射體)，中子在輻射體上發(fā)生核反應、核反沖、核裂變等次級過程，產生帶電的次級粒子，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.核反應法主要的核反應有：反應截面與中子能量的關系：

1/v規(guī)律，即隨中子能量增加，反應截面減小，因此核反應法適用于慢中子的測量，尤其是熱中子的測量。1.核反應法主要的核反應有：反應截面與中子能量的關系：15反應均為放熱反應，反應能Q在生成核與出射粒子之間分配。由于反應能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體探測器均可用核反應法進行中子探測。反應均為放熱反應，反應能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生反沖核。主要發(fā)生在氫核上，常用含氫物質作為輻射體。反沖質子使探測介質電離、激發(fā)而產生輸出信號。反沖質子能量：反沖質子數：

反沖質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，探測介質中富含含氫物質的探測器，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，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)含氫正比計數管——氣體介質含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，在較強的場中測量中子。4.利用質子反沖效應的探測器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。13.6中子注量率測量的主要指標中子靈敏度反應的發(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。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正比計數器。3)功率量程：大于1010/cm2s；足夠大，本底相對較小；用電流型裂變室或硼電離室。13.7堆用探測器—反應堆中子注量率監(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)測反應堆功率水平，探測器置于壓力殼外。272.堆芯探測器——堆芯內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1、中子的分類2)中能中子：1K302、中子的性質質量：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、中子的性質質量：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，產生中子。性能：中子產額——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)反應獲得中子。優(yōu)點：中子能量單一；缺點：中子產額低，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)反應獲得中子。優(yōu)點：332、加速器中子源可以在相當寬的能區(qū)內獲得單能中子源。主要反應：對放能反應，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，當入射氘核能量不高時(Td200KeV)，反應就可以有效進行，當＝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寬的能區(qū)內獲得單能中子源。主要反應343、反應堆中子源寬中子能量：0.001eV~十幾MeV高中子注量率：3、反應堆中子源寬中子能量：0.001eV~十幾MeV高中子3513.3中子與物質的相互作用1.中子的散射1)彈性散射(n,n)中子與物質的相互作用實質上是中子與物質的靶核的相互作用。出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。出射中子的動能：13.3中子與物質的相互作用1.中子的散射1)彈性36反沖核的動能：當反沖核為質子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?0時，反沖質子能量最大，Tp=Tn反沖核的動能：當反沖核為質子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?7反沖質子在實驗室座標系中的能量分布的概率密度函數為：即對入射的單能中子而言，實驗室坐標系中，其反沖質子的能量分布是一個矩形，最大能量為Tn，最小為零。這個關系可用于快中子能譜測量。反沖質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，在核分析技術中有重要的應用。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合核，而后復合核通過發(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)射與復合核的壽命相關，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)射線”，同樣在核分析技術中有重要的應用。復合核的形成。當發(fā)生(n,)反應后，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如(n,)，(n,p)等，這些反應在中子探測中應用很多，成為探測中子的主要手段。如(n,2n)，(n,np)等，這些反應的閾能較高，在8～10MeV以上，只有特快中子才能發(fā)生。3)裂變反應(n,f)4)多粒子發(fā)射2)發(fā)射帶電粒子的中子核反應如(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的電離、激發(fā)。2)在探測器或探測介質內必須具備能同中子發(fā)生相互作用產生可被探測的次級粒子的物質(輻射體)，中子在輻射體上發(fā)生核反應、核反沖、核裂變等次級過程，產生帶電的次級粒子，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.核反應法主要的核反應有：反應截面與中子能量的關系：

1/v規(guī)律，即隨中子能量增加，反應截面減小，因此核反應法適用于慢中子的測量，尤其是熱中子的測量。1.核反應法主要的核反應有：反應截面與中子能量的關系：43反應均為放熱反應，反應能Q在生成核與出射粒子之間分配。由于反應能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體探測器均可用核反應法進行中子探測。反應均為放熱反應，反應能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生反沖核。主要發(fā)生在氫核上，常用含氫物質作為輻射體。反沖質子使探測介質電離、激發(fā)而產生輸出信號。反沖質子能量：反沖質子數：

反沖質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，探測介質中富含含氫物質的探測器，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，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)含氫正比計數管——氣體介質含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，在較強的場中測量中子。4.利用質子反沖效應的探測器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生輸出信號。不需要