中子测水原理.doc

在中子与物质的相互作用中, 由于中子和组核质+ 相当, 根据弹性碰撞理论, 中子与氮核碰撞产生弹性散射, 能量损失最大, 而待测材料中其它非氢元素, 如煤中的碳元素, 原子核质量一般要比氢核大得多。当它们与中子发生碰撞时, 能+ 损失就没有中子与氢核作用时多, 甚至能+ 墓本不损失9 因此当中子源发射的快中子或慢中子在待测的物质中减速、扩散和被吸收时, 主要受待测物质的含氢童控制天然中子测水为此可以考虑采用天然的大气中子作为中子源, 利用大气中子在地表介质中的反射与地表介质的参数有关, 测量地表附近上升中子流的粒子注+ 率来达到测量水分的目的天然中子源的主要来源是初级宇宙射线同大气相互作用产生的大气中子, 由于中子半衰期较短, 太阳系以外的中子很难到达地球表面,因此在地表附近测到的中子主要是大气中大气中子人射到地面后, 与地表介质经一系列的作用后, 能产生一部分上升中子流。实际上,综合各种来源, 地表附近上升中子流产生主要有由宇宙射线产生的快、热中子与地表作用,经减速、慢化、扩散, 其中有一部分反射地面形成上升中子流。由次级宇宙射线产生的中子经地面反射形成的上升中子流。地表介质中天然放射性和某些重核裂变产生的一部分上升中子流。在以上几种上升中子流中, 主要是人射大气中子在地表介质中的反射形成, 其约占总量的. 以上, 而由地表介质中放射性引起的上升中子流仅占. 左右, 因此讨论上升中子流与空气或地表介质各参数的关系主要受人射大气中子的反射中子流的控制。由于氢核对中子的减速能力比其它核大得多, 介质的减速性质主要受含氢量的控制, 该控制作用可用以下地表附近上升快中子流注量率与地表介质含水率的关系式来体现/ 笋:. = 一二下导一言目一. 7 7乙、山 . 十、山二. 一山 、夕仇为= . 门万咖:. =式中习山 、习、. 分别为干料与水对中子的宏观散射截面, & 为与快中子能谱及地表介质干料成分有关的常数, 为中子在大气形成的速度, . 为地表介质的含水率, 上式表明, 地表介质含水率越高, 则在地表附近测得的快中子流注量率就越小。中子测水法的原理是：当一个中子源紧靠于物料堆的表层时，中子源不断地发射的快中子与物料原子核发生碰撞而 被减速，既中子慢化。每碰撞一次就要减速一次，直到最终慢化成为热中子。于是，在中子源附近空间就形成了一 个热中子云球。在快中子减速慢化过程中，氢与其它物质的原子核所起的作用有着明显的差异。中子物理学指出： 不同元素的原子核对中子的减速慢化能力是由两个因子决定的。一是被碰撞核的质量，即中子与核碰撞所损失的能 量随核质量增大而迅速减少。氢核最轻，碰撞使中子损失能量最大。慢化能力最强。二是中子与原子核的碰撞几率 (散射截面)，氢核对中子的散射截面最大。根据中子弹性碰撞理论，可推出碰撞前面能量损失的计算公式如下： E2=(A2+2ACOS+1)/(A+1)2 E1 其中，E1和E2各为中子碰撞前后的能量，A为核的质量数，为中子入射方向与散射方向的夹角。对不同散射角的 平均，由数学分析可得到每次散射的平均能量缩减为： E=2AE1(A+1)2 例如：当E1=5Mev时，对于氢A=1，E=2.5Mev则能量损失为50%，而对于碳A=12，E=0.7Mev，仅损失能量为14%。 理论计算表明：当中子对氢原子和碳原子碰撞时，每碰撞一次平均损失能量的差别反映了它们对快中子慢化成热中 子能力的大小。在中子物理中用平均对数能量缩减()及碰撞几率(S)这两个因子的乘积即(S)来描述中子 宏观慢化能力，换言之，中子慢化不仅决定于每次碰撞损失的能量，而且还决定于碰撞的几率。碰撞几率又决定于 单位体积内的原子核数N和原子核对中子发生作用的反应截面s，=Ns。 平均对数能量缩减的定义为：=ln(E1/E2)=lnE1-lnE2 计算结果得出，氢、水和碳对快中子的能量缩减分别为H=1，H2O=0.92,以及c=0.158。快中子能量由5Mev减到 0.025Mev(热中子)时对氢、水和碳的碰撞次数各需要19次，21次和121次。可以看出快中子与碳和水碰撞的次数 相差六倍。如果综合考虑S与两个因素，通过计算可得(S)C=0.064, (S)H2O=1.53,其值相差25倍。由于 氢原子的结构对快中子的减速作