《中子及其探测》PPT课件.ppt

1 第十三章中子及中子探测 2 13 1中子的性质与分类 1 中子的性质 质量 mn 1 008665u 939 565300MeV c2 自旋 sn 1 2 费米子 电荷 0 中性粒子 磁矩 n 1 913042 N 中子寿命 发生 衰变的半衰期T1 2 10 60min 3 2 中子的分类 2 中能中子 1keV 0 5MeV 1 慢中子 0 1keV 包括冷中子 热中子 超热中子 共振中子 3 快中子 0 5MeV 10MeV 4 特快中子 10MeV 热中子 与吸收物质原子处于热平衡状态 能量为0 0253eV 中子速度 2 2 103m s 4 13 2中子源 1 241Am Be中子源 属于 n 型中子源 由241Am放射源放出的 粒子 打在9Be上发生反应 产生中子 性能 中子产额 2 2 106 s Ci T1 2 433年 1 同位素中子源 中子能量为0 1 11 2MeV 平均5MeV n 比 中子 强度比 为10 1 5 2 n 型中子源 利用 n 反应获得中子 优点 中子能量单一 缺点 中子产额低 装置体积大 寿命短 常用24Na的2 74MeV的 射线 24Na 9Be 中子能量 0 97MeV半衰期 15小时 6 3 自发裂变中子源 252Cf中子源 中子产额 2 32 106n s g半衰期 2 66年中子平均能量 2 13MeV伴随有较强的 射线 发射率 1 3 107 s g 超钚元素中的某些核素在发生自发裂变时会放出中子 形成中子源 以252Cf 锎 最常用 7 同位素源的特点 优点 体积小 占地面积小能够在恶劣的工况下使用 缺点 产额很难做得很高中子的产额会随着半衰期而衰减总是伴随有较强的 射线时刻存在辐射 对运输 安装和维护带来严重的防护问题 8 2 加速器中子源 可以在相当宽的能区内获得单能中子源 主要反应 对放能反应 如2H d n 3He 3H d n 4He 当入射氘核能量不高时 Td 200keV 反应就可以有效进行 当 90 时 就可得到能量分别为 2 5MeV和 14MeV的单能中子 9 中子发生器 D D D T 反应 D D 反应比 D T 反应的截面小约2个量级 一般常用的是 D T 中子发生器 产额多在108n s 寿命 几十到几千小时用途 石油测井 在线元素分析 10 3 反应堆中子源 宽中子能量 0 001eV 十几MeV 高中子注量率 对核物理实验 核技术应用具有很大价值 CARR 401 不利于在工业中的实用 11 4 散裂中子源 散裂 spallation 指的是高能 GeV 粒子 p n 与原子核 尤其是重原子核 发生的一系列复杂反应 W H SullivanandG T Seaborgcoinedthetermin1947todescribethephenomenon whichwasalreadyquitewellknown inwhichthetargetemitsafairlylargenumberofneutronsinamultiple collisionprocess 早期发现的散裂过程来源于外太阳系的高能质子 1 10GeV 这导致了在大气中产生的中子 在实验室中 由此导致的中子注量率 10 4 10 3n cm2sec 散裂中子源 spallationneutronsource p 184W A B xn 20 12 散裂的过程 入射质子及其次级粒子 n p 激发重原子核 后者通过 蒸发 出中子来消耗能量大多数中子是各向同性出射的 其能谱与裂变中子的能谱类似 平均能量为2 3MeV有小部分 百分之几 的中子是被入射的质子直接被碰撞出来的即使是非裂变核 如W Pb和Hg GeV的质子仍可提供足够的能量使之发生分裂 除去分裂之外 其它的反应过程都是吸热的 相当一部分入射质子的能量消耗在中子的分离能上 约6MeV 中子 动能为2 3MeV neutron 13 9MeV电子打靶 9MeV电子加速器X射线能谱 在X射线检测过程中 电子加速器产生的大量X射线只有极小一部分被用于成像 其它大多数都被当作 废物 而屏蔽掉了 X射线的角分布 利用 n 反应 可以将这些没有用到的X射线利用起来 使之转化为光中子 从而可以用于中子技术分析 5 加速器光中子源 14 光中子源可以实现 1011n s的中子产额 相当于 4 5 104Ci241Am Be中子源 105 g252Cf中子源 103只中子发生器的产额 重水 fission 反应也可用于中子的产生中子能量为裂变中子 相对于光中子能量更高截面更大 为几百mb 15 13 3中子与物质的相互作用 1 中子的散射 1 弹性散射 n n 中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用 出射粒子仍为中子 剩余核仍为靶核 出射中子的动能 16 反冲核的动能 当反冲核为质子 氢核 时 M m 上式变为 当 0时 反冲质子能量最大 Tp Tn 17 反冲质子在实验室座标系中的能量分布的概率密度函数为 即对入射的单能中子而言 实验室坐标系中 其反冲质子的能量分布是一个矩形 最大能量为Tn 最小为零 这个关系可用于快中子能谱测量 18 2 非弹性散射 n n 入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲 且使靶核处于激发态 处于激发态的靶核退激时放出一个或几个特征 光子 在核分析技术中有重要的应用 19 2 中子的俘获 1 中子的辐射俘获 n 中子射入靶核后与靶核形成一个复合核 而后复合核通过发射一个或几个特征 光子跃迁到基态 这些特征 光子不同于 n n 的特征 光子 由于这些 光子的发射与复合核的寿命相关 一般很快 故称为 中子感生瞬发 射线 同样在核分析技术中有重要的应用 复合核的形成 当发生 n 反应后 新形成的核素是放射性的 就是常说的 活化 测量活化核素的放射性可以用来测量中子流的注量率 区分中子的能量范围 20 2 发射带电粒子的中子核反应 如 n n p 等 这些反应在中子探测中应用很多 成为探测中子的主要手段 如 n 2n n np 等 这些反应的阈能较高 在8 10MeV以上 只有特快中子才能发生 3 裂变反应 n f 4 多粒子发射 21 13 4中子探测的基本方法 中子探测的特点 1 中子为中性粒子 不能直接引起探测介质的电离 激发 2 在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生相互作用产生可被探测的次级粒子的物质 辐射体 中子在辐射体上发生核反应 核反冲 核裂变等次级过程 产生带电的次级粒子 如 p f等 探测器记录这些次级粒子并输出信号 3 中子与辐射体有较大的作用截面 以获得较大的中子探测效率 22 1 核反应法 主要的核反应有 截面很大天然硼中10B的丰度较高 为19 8 易浓缩 96 有合适的气体化合物 可制成BF3正比计数器应用最广 10B 反应能最大 有利于区分中子与 信号 反应后没有 放出 天然锂中6Li的含量为7 5 高浓缩锂价格昂贵 没有合适的气体化合物 无法制成气体探测器 6Li 23 反应截面很大 反应能最小 不利于区分中子和 信号 天然氦中3He的含量很低 只有1 4 10 4 3He 157Gd 反应产物不是重带电粒子 而是 射线和内转换电子157Gd吸收一个中子 会放出87 3 2 5 个内转换电子 29 181keV 反应截面很大 很薄即可实现高探测效率20 m厚 Gd2O3 即可实现30 而同等厚度的6Li或10B仅为1 3 4 丰度较高15 7 可用于中子成像 24 反应截面与中子能量的关系 1 v规律 即随中子能量增加 反应截面减小 因此核反应法适用于慢中子的测量 尤其是热中子的测量 25 反应均为放能反应 反应能Q在生成核与出射粒子之间分配 由于反应能Q比较大 又主要用于慢中子探测 即 故出射粒子能量难以反映慢中子的能量 因此 核反应法常用于中子注量率的测量 这时 Q大易于甄别去除 本底信号 探测介质中含有上述核素的气体探测器 闪烁探测器 或上述材料作为外辐射体的半导体探测器均可用核反应法进行中子探测 26 2 核反冲法 中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核 主要发生在氢核上 常用含氢物质作为辐射体 反冲质子使探测介质电离 激发而产生输出信号 反冲质子能量 反冲质子数 反冲质子的能谱为矩形分布 此法主要用于快中子的探测 尤其是快中子能量的测量 因此 探测介质中富含含氢物质的探测器 如含氢正比管 有机闪烁体等适用于核反冲法测量快中子能谱 27 3 核裂变法 中子与重核发生核裂变产生的裂变碎片是巨大的带正电荷的粒子 能使探测器输出信号 通过测量碎片数 可求得中子注量率 裂变碎片的总动能为150 170MeV 形成的脉冲幅度比 本底脉冲幅度大得多 可用于强 辐射场内中子的测量 热中子可引起的核裂变核 233U 235U 239Pu 如235U的热中子截面为580b 对慢中子满足1 v规律 仅适用于中子的注量率测量 一些重核只有当中子能量大于某一阈能才能发生核裂变 可用此判断中子的能量区间 28 4 活化法 选用一些核素具有较高的活化截面 活化后放射性核素也具有较易测量的放射性 如 测量 粒子的发射率可确定中子的注量率 一般 热中子的活化截面较高 此法适用于热中子的注量率的测量 29 中子探测基本方法小结 30 1 硼电离室和裂变室 辐射体 常用10B和235U 涂敷在电极表面 工作状态 一般工作于电流工作状态 裂变室也可工作于脉冲工作状态 裂变室由于裂变碎片射程很短 所以辐射体涂层很薄 为提高探测效率而做成多层裂变室 13 5常用中子探测器 硼电离室还常工作于补偿型状态 通过补偿消除 本底的影响 31 2 10BF3和3He正比计数器 工作气体 含10B的BF3或含高丰度3He的氦气 工作状态 脉冲型工作状态 性能特点 BF3为负电性气体 性能较差 氦气 尤其是高丰度3He 价格昂贵 32 3 含锂闪烁体 常用6LiI Eu 晶体 铈激活的锂玻璃等 1 含氢正比计数管 气体介质含H2或CH4 2 有机闪烁体 富含H和C 还可以运用n 脉冲形状甄别技术 在较强的 场中测量中子 4 利用质子反冲效应的探测器 33 中心辐射体是中子活化材料 活化后具有 放射性 粒子作为荷电粒子在极板间运动而在外回路中产生输出信号 不需要外加电源 称为自给能探测器 如 输出信号 5 自给能探测器 性能 灵敏度 1 2 10 21A 单位中子注量率 中子注量率测量范围109 1014 cm2s 体积小 直径1 2mm 时间延迟 5T1 2 适合用于堆芯的中子注量率的测量 34 中子灵敏度定义 Nt为探测器灵敏体积中辐射体的靶核数 13 6中子注量率测量的主要指标 中子灵敏度 35 1 堆芯外 用于监测反应堆功率水平 探测器置于压力壳外 1 启动量程 中子注量率102 104 cm2s 较小 本底相对高