718-新型中子探测器技术及其在中子物理上的应用-杨祎罡

1、中子物理学高级讲习班杨祎罡清华大学工程物理系2013.7.18，绵阳2018/10/9/1261新型中子探测器技术及其在中子物理上的应用中子探测原理与部分新型探测器介绍提纲一新型中子探测器研制的背景二射线探测基础三一些新型中子探测器四小结2018/10/92/126一.新型中子探测器研制的背景2018/10/93/126 3He测量中子的重要核素 “gold standard for neutron detection” 高的中子探测效率 好的中子/抑制比 无毒 “廉价”？ 但是，现在其供求关系出现了问题。一方面，大型/微型中子源的建

2、设、国土安全对中子的探测提出了更多的要求。L另一方面，对它的供给却在日益下降。2018/10/94/126He3H不是天然存在的，它的来源是什么？地壳中（1: 3.5107）： He: 0.008ppmSi: 282000ppm 3He是天然存在的，但是丰度仅有1.34ppm 3He是3H衰变得到。+ =.年+3（）3（） + + -衰变 超允许跃迁，半衰期：12.32年3He的来源3He应用回顾2018/10/95/126 Until 1988, tritium was manufactured to support the U.S. nuclear weapons program beca

3、use itis a key component used to enhance a weapons power. In maintaining the tritium stockpile, NNSA removes the helium-3 that accumulates as tritium decays, because the helium-3 can diminish the effectiveness of the nuclear weapons. In the past, NNSA and its predecessor agencies considered helium-3

4、 to be a waste product of the weapons program and vented it to the atmosphere, but from about 1980 through 1995, and again from 2003 through 2008, those agencies provided helium-3 to DOEs Isotope Program to sell. The minimum price for helium-3 was set to recover the cost of extracting it from the tr

5、itium and the administrative cost of selling it, which until 2009 typically ranged from $40 to $85 per liter. Since the end of the Cold War, the United States has been reducing its nuclear weapons stockpile, resulting in less tritium and, therefore, less helium-3. Meanwhile, demand for helium-3 rose

6、 over the past 10 years primarily because it was used increasingly in neutron detectors for research and security applications. In 2008, the U.S. government abruptly learned that it faced a severe shortage of helium- 3 because of this reduction in supply and increase in demand. In 2009, the National

7、 Security Staff established an interagency policy committee consisting of officials from Commerce, DHS, DOE, and the Department of State to address the helium-3 shortage.GAO (2011). .6/126对3He的需求在中子散射中的应用2IN5ILL: a high precision direct geometryTime-of-flight (ToF) spectrometer.p 对于中子散射的大型探测器而言，其面积可

8、能会达到1540平方米，相应需要的3He在几百数千升。p 例如，3000升，IN5 ILL018/10/9Detectorsdetector shapecylindricaldetector surface m230.0fight path (radius of reading) m4.0effective detection height m3.0scattering angular range -12 to 135vertical angular range e20.55solid angle covered1.8 sr (0.6)min. & max. momentum transfer

9、 -10.2/ - 11.8/ spatial resolution cm22.6 x 2.6angular resolution / rad / 0.37 / 6.10-3 rad / 22detector typeposition sensitive 3He countersgas mixture4.75 bar 3He +1.25 bar CF4detector efficiency 80% for Eo = 3.27 meV (5 )dead time / max. count rate (per tube) 10 s / 100 kHzmaterialstainless steeln

10、umber of detectors units (32 tubes/unit)12tubes diameters inches/cm1 / 2.547对3He的需求在国土安全中的应用裂变中子裂变中子谱2018/10/9/1263He正比计数器聚乙烯E = 1.979MeV核材料是制造核 的主要原料，有可能被用来制造简易核装置（IND)实施恐怖 。据国际原子能机构（IAEA）的（非法贸易数据库）ITDB统计，1993 至2011 年间经确认的涉及核材料非法贸易的 共有16例。8/1262018/10/9p 美国，作为最主要的用户，其需求包含： 国土安全部（DHS）国内核探测办公室（DNDO）

11、需要RPM（ radiation portal monitors ）系统， 由美国和边境控制部门来使用。 DHS已经部署了超过1400个RPM系统，这个数目目前还在增加。计划在2015年前，再扩充700套设备来检查国内口岸、边境入口的车辆和集装箱； 能源部the Second Line of Defense (SLD) program，需要将RPM系统部署在海外，已经安装了2000套，计划在2018年前，再安装2900套； 国防部the Guardian program， 需要安装RPM 系统来检测进入军事设施的车辆和集装箱。GAO (2011). .对3He的需求其它方面慢性阻塞性肺炎病人的

12、呼吸过程HP 3He MRICT2018/10/99/126Fain, S., et al. (2010). “Imaging of lung function using hyperpolarized helium-3 magnetic resonance imaging: Review of current and emergingtranslational methods and applications.” J Magn Reson Imaging 32(6): 1398-1408.3He： = 2 =10666 b, 0 0+, 数+, ， 自旋1/2无电四极矩 惰性气体电子壳层闭合

13、应用是否有替代品？中子散射正在寻找防止核武扩散不大可能有替代品石油测井可以有1K以下的制冷，激光研究，制导尚未发现肺部的MRI成像可被129Xe替代，但3He 仍是优选中子极化没有替代品2018/10/910/126其它工业科学美国对3He的需求预期安全2018/10/911/12 1021 3296 75550 6The Need for 3He-replacement Neutron Scattering Technologies- 3He Required Through 20153He的供求关系国际合作情况2018/10/912/126 2010.3，Grindelwald召开的ICA

14、NS XIX，成立“3He alternative working group” 2010.10.8，法国格勒诺布尔， ILL，“10B Detectors Meeting No. 1” 2010.3.13，法国，格勒诺布尔 ，ILL，“Second International 10B-BF3 Detectors Workshop”ICND (International Collaboration for Neutron Detector Development) / Working GroupsmScintillation Working Group (Coord.: Nigel Rhode

15、s, STFC) Investigation and development of scintillation detector technologies for large area detectorsBuild on experience with detectors based on ZnS:6LiF(Ag) or ZnS:10B2O3(Ag) scintillators read out by coded arrays of clear or wavelength shifting fibresInvestigate scintillators, optics, light reado

16、ut devices, encoding schemes10B-Working Group (Coord.: Bruno Guerard, ILL)Development of solid 10Boron multilayer arrangements in gaseous large area neutron detectorsStudy 10B-coating processesInvestigate and optimize design and fabrication of a multilayer detector in view of performance and costBF3

17、-Working Group (Coord.: Thomas Wilpert, HZB)mmInvestigate BF3 as a potential fast and easy replacement ofStudy gas properties, performance and limitations of BF3 Investigate safety issues for large scale use3He2018/10/913 /126Grenoble, 8 October, 2010K. Zeitelhack14热中子成像CPHS 热中子照相2018/10/914/12613Me

18、V proton3MeV proton9 Be( p, n)9 B61013 n / s1045 n / cm2 s15利用B标记来突出显示飞机发动机叶片的脱模残余（热中子成像）混凝土的X/中子图像燃料电池中的结构（左） 与水份分布（右）2018/10/9/126高探测效率(50%25.3meV)、高空间分辨率(50%50%中子/伽马抑制比好于10-610-7？空间分辨率mmcm108n/s人员安全是是提纲一新型中子探测器研制的背景 二射线探测基础三一些新型中子探测器四小结2018/10/917/126三.射线探测基础2018/10/918/1261. 探测器基础2. 中子与物质的相互作用3.

19、 光子与物质的相互作用1.探测器基础2018/10/919/126 探测器的基本分类 云室，气泡室，核乳胶，热释光片，切仑科夫探测器 气体，闪烁体，半导体是探测器的三种最主要形式。射线电信号探测器：射线可感知的信号 探测器的基本分类 载流子探测器关心的主要对象 能量沉积产生载流子的前提 带电粒子的电离形成能量沉积 带电粒子的产生与探测效率有关2018/10/920/126 载流子探测器关心的主要对象 要得到电信号，首先要形成信号电流。 载流子的运动电流 载流子的不同特性是决定不同探测器特性的主要因素： 产生机制 运动特性 统计特性 前述三种探测器的（信息）载流子分别为： 气体：电子离子对 闪烁

20、体：D1收集到的光电子 半导体：电子空穴对 探测器输出的信号看似是个连续的模拟信号，其本质却是离散的载流子的数目是离散值。载流子的数目由射线沉积能量与平均电离能的比 值决定； 沉积能量射线要被测量到，必须先在探测器的灵敏体积内沉积能量。能量沉积产生载流子的前提 射线必须先沉积能量于探测器的灵敏体积内，才能产生载流子，从而被测量到； 能量的沉积过程必须由带电粒子来完成！ 但是，我们所检测的射线并不一定就是带电粒子首先明确一下带电粒子在探测器内的特性2018/10/921/126平均电离能N = E0/ W载流子数目带电粒子沉积在灵敏体积内的能量带电粒子的电离形成能量沉积带电粒子在探测器介质内，可

21、以发生四种作用两种弹性碰撞过程p 与原子核的弹性碰撞p 与整个原子的弹性碰撞两种非弹性碰撞过程p 与电子的非弹性碰撞电离p （主要）与原子核的非弹性碰撞轫致辐射当能量不是很低的时候，后面的两种非弹性碰撞过程是带电粒子损失能量的主要方式，它们之间也存在竞争关系p 对于重带电粒子来说，轫致辐射不重要p 对于快电子来说，其竞争关系较为明显总体而言，电离对重带电粒子和电子的能量沉积 都很重要。z2 EdE -NZ 2m2dx rad2018/10/922/126(dE / dx)E Z rad (dE / dx)800ion入射粒子的电荷、能量及质量吸收物质的原子序数和单位体积的原子数 重带电粒子与电

22、子在探测器内，通过电离作用损失能量，形成所谓的能量沉积，在这个过程中产生了载流子， 使得电信号得以形成，因此对它稍作讨论是有必要的。 重带电粒子与快电子的电离特性，有同有异。重带电粒子快电子2018/10/923/126- dE =12e4 NZ m v2 E- b1()2 ln 0(ln 2)(2 12 -1+ b 2 ) + (1- b 2 ) +(1-1- b 2 )2 dx 4pem v22I 2 (1- b 2 )8ion00 - dE =12 4z2e4dx ( 4pe )m v2NBion001000proton alpha carbon100102MeV1g / cm21E-3

23、0.010.1110100100010000E/A(MeV)该带电粒子的最小能量损失率Minimum ionizing particlesz2 2MeV g / cm2dE(4MeVa)dx同为4MeV的能量，相对而言，重带电粒子在单位路径上损失的能量更多。 516和电子在单位距离上dE(4MeVe- )的能量损失是不同的：dx想一想：在测量中子时，重带电粒子vs快dE/dx的不同，将会引出一些“问题”或“现象”电子，哪个更重要些？2018/10/924/126dE/dx_/z2electron(MeV/(g*cm-2)S dEdL =dxdEdx1 + kBdx质子vs电子不同能量的电子20

24、18/10/925/126quenchingSpecific energy lossThe fluorescent energy emitted per unit path lengths问题：探测器能量响应的非线性（正比）问题”带电粒子的产生与探测效率相关 入射的射线可能是如，质子，这样的带电粒子； 但也可能是中子或光子这样的不带电粒子； 要对后二者进行测量，首先要产生带电粒子，能否产生带电粒子是个概率这关系到了探测效率；2018/10/926/126一些不同的发光模式： 发光中心直接发光； STE：self-trapped exciton -luminescence： 允许跃迁, 10ns

25、 -luminescence：禁戒跃迁 慢，100s CVL: core-valence luminesence 很快， ns 现象：闪烁探测器发光时间的“快”or“慢2018/10/927/1261. 探测器基础2. 中子与物质的相互作用3. 光子与物质的相互作用2.中子与物质的相互作用（20个问题） 一些基础知识A.应该考虑中子的波动性还是粒子性？p 任何物质都具有波粒二象性；p 不同波长的波叠加而成的波包，是其具体体现；p 是波动性，还是粒子性更为重要，要视具体情况而定中子的能量（波长）vs 所关心的尺度；p 在中子散射中，我们用到的是长波长的中子，例如1.8或更长，在原子间距这样的尺度

26、上，需要以波动的角度来看待中子；p 但中子在产生的时候，能量并不是meV，而是MeV量级，它要经过与原子核的反应来减速才能变成长波长中子，对于MeV量级的中子是应该从波动还是粒子性入手呢？2018/10/928/126 一些基础知识 中子与靶核的相互作用 可用于中子测量的核反应p 不妨以一个1MeV的中子为例。 由于中子的静止质量为939.565MeV/c2，因此可以进行非相对论考虑，则它的动量为： =2 =2 939.565 1 = 43.35/ 由德布罗意关系： = 则该中子的波长为：1243 = 28.6743.35 考虑到原子核的半径为：1 = 30其中0 = 1.2，A为原子核中的核

27、子数 对于12C原子核，可计算得：1= 1.2 12 3 = . . = 121 由于中子在与物质反应时，能量还会不断降低，其波长将不断加大，因此在考虑中子与原子核的反应时，必须以波的角度来入手。2018/10/929/126()=3970/v(m/s)=0.287/()B.中子相互作用的对象是什么？p 这首先取决于作用类型是什么？p 有四种相互作用：强、电磁、弱、引力，其强度递减；s 引力作用对中子（除了超冷中子，5m/s）的影响很小，可以忽略其对探测过程的贡献;s 弱相互作用对中子的影响表现为中子的衰变：12=10.23 + + s 电磁相互作用中子是中性的，不能和电场发生相互作用 但由于

28、中子是由（udd）夸克组成的复合粒子（在部分时间内可看做一个质子和分布半径更大的-），其存在磁矩，因此可以与磁场发生相互作用。 可以与电子发生相互作用：两个磁偶极子。自旋相关，截面很小：5 107 b 强相互作用我们靠它来测量中子！p 对于低能核物理而言，强相互作用主要在核子（中子、质子）间发生。核子之间的力，被称之为核力。2018/10/930/126p 核力是解释中子与物质相互作用的“基本”力，首先认识一下它的特点。I.核力是强相互作用力，比电磁相互作用强2个量级， 是强度最大的力； 核力很强，可以解释中子核反应能较大，在数MeV；核力是短程力，因此也就具有饱和性； 因此只有中子足够靠近靶

29、核的时候，才有机会和原子核发生相 互作用。 所以，反应截面既与道半径有关，也与中子的波长有关。其它的特性，包括：电荷无关、存在排斥芯、自旋相关、自旋轨道角动量的耦合、有非中心力成分等。II.III.p 中子的相互作用对象，是靶核（中的质子和中子）。2018/10/931/126C.中子入射带来的轨道角动量？p 中子在射向靶核时，并不知道靶核在哪里，因此它们的“位置关系”存在一定的随机性。这个关系可以由碰撞参数来描述。入射粒子a，速度va，相对运动动能为，2018/10/932/126T =1ma m Av 2=1 m v 22 m+ ma2a aA碰撞参数半经典的分波分析不同碰撞参数(impa

30、ct parameter)的入射粒子具有不同的轨道角动量。碰撞参数r也量子化将轨道角动量L量子化l = 0, 1, 2, l = 0, 1, 2, r 0= 0r1r 2= 2=2018/10/933 /126Ll= lr l= l所以r =LL =pr=r碰撞参数为r的入射粒子， 轨道角动量为，约化德布罗意波长：= l=2pp2 mT D.角动量vs 截面p 同样的动量，当碰撞参数不同时，其角动量也是不同的。2018/10/934/126R/s= (2l +1)p 2 =p(R +)2l =0中子与靶核的大小中子的波包大小发生反应的截面满足o S= ( 2 l + 1)p2r ,llr l

31、r r l +1S= p ( r 2- r 2 ) = ( 2 l + 1)p2ll + 1l这些入射粒子与靶核的作用截面为r l= l轨道角动量为l的入射粒子，碰撞参数r 满足r l +1 = ( l + 1)Rr= lRR=R a + R Al R= lmax碰撞参数rl 小于道半径R的入射粒子才能发生反应经典理论E.入射中子平面波的球面波分解p 在处理中子入射的时候，通常会按照角动量，将其波函数分解为互相正交的部分，以便于分别考虑。2018/10/935/126 1- i kr - lp + i kr - lp y= il +1 (2l + 1) e2 -h e2 P (cosq )2k

32、rlll =0被靶核散射后，出射波函数发生变化与散射、反应有关 1- i kr - lp + i kr - lp y= il +1 (2l + 1) e2 - e2 P (cosq )i2krll =0-r: 入射球面波+r: 出射球面波一般情况下， 入射粒子束用平面波表示，y= eikx= eikr cosq= (2l + 1)il j (kr )P (cos q )illl = 0kr 1波函数远离原子核j (kr ) 1 sin(kr - lp / 2)lkr(kr)ljl (kr) (2l + 1)!2018/10/936/1260 p2 ( 2 l + 1)o= p2 (2l + 1

33、) (1 - h2 )r ,ll22o sc ,l= p( 2 l + 1) 1 - hl0 4p2 ( 2 l + 1)反应截面被靶核吸收的粒子数 (1-|hl|2)d W = sin q d q d fo = ds d Wd W 4p,l = l P (cosq )P (cosq ) sin q dq df = 2l + 1ll 0,l l hl是复数，散射时，|hl|=1；反应时，|hl|1。l不同，hl不同，表示不同l的出射波振幅和相位变化。y=y -y= 1 il +1 (2l +1)(1-h )ei (kr -lp / 2) P (cosq ) = ysci2krllsc,ll =

34、0l =0j: particle current densityds= ( j)r 2 scattereddWjincident22=(2l +1)i(1-hl )Pl (cosq ) 4l =0散射粒子数/入射粒子通量j =(y * y - y *y ) 2mirr散射截面出射波系数hl ：F.1MeV 中子带来的角动量是多少？p 假设中子是和一个12C原子核在发生碰撞；p 从经典角度入手，则中子带给体系的相对运动动能为：p 动量为：p 最大碰撞参数为中子与12C原子核半径之和，则碰撞所能带来的最大轨道角动量为：p 考虑实际中角动量是量子化出现，以为最基本单位，将L亦以为单位表述：2018/

35、10/937/126L = 5.1MeV fm = 5.1MeV fm = 0.02591c197MeV fmp 即，此1MeV中子入射所带来的轨道角动量很小，近似为0，可认为S波入射。p 当中子能量不高（20MeV) 时，通常会认为S波入射是主要的。L = pr= (1+121/3 ) 1.2 fm 1.3MeV / c = 5.1MeV fm / cT = 1ma mAv2 =mA 1 m v2 = 12 MeV2 m+ mam+ m2a a13aAaAp =2mT =2ma mA 12 MeV = 1.3MeV / cma + mA13G.中子在核外与核内波函数的关系，影响了反应截面p

36、前已述及，中子主要以核力来与物质发生相互作用，而核力是短程力；p 因此，中子的行为也就可以分为核外和核内两部分；p 波函数()的径向部分为 向分布规律；，对于中心势场，求解薛定谔方程，可知中子的径2018/10/9/126k1 Acos k1R = k2C cos(k2 R +d)k1 cot k1R = k2 cot(k2 R +d)38Asin k1R = C sin(k2 R +d)相移u (R) = u(R)inoutuin (R) = uout (R)连续、平滑！uout (r) = C sin(k2r +d)uin (r) = Asin k1rk2 =2mE2B = 0k=2m(E

37、 +V0 )12uout (r) = C sin k2r + D cos k2ruin (r) = Asin k1r + B cos k1r核外核内2018/10/9p 相移的大小直接影响了反应截面；p 相移也决定了散射长度a的大小和符号；p 当入射中子的能量发生变化时，k1和k2都会相应发生变化；p 这会导致入射中子波函数在r=R（核界面处）相移的变化；p 实际上，反应截面与散射长度存在关系：p 当中子能量处在某些特定值的时候，相移为/2，核内的波函数（反映中子进入原子核的概率）达到最大值，这时候就实现了共振；39/126lims= 4pa2k1 0a = - lim sindk1 0k1中

38、子与靶核的相互作用H.中子与原子核反应的三个阶段p Weisskopf提出，入射粒子与原子核的反应需要经历三个阶段： 独立粒子阶段光学模型可以很好解释 复合系统阶段我们主要讨论复合核模型 最后阶段独立粒子阶段复合系统阶段表面直接作用体内直接作用多次碰撞集体激发吸收复合核衰变复合核(记忆消失)中间过程2018/10/940/126都是弹性散射I.中子势（形状）弹性散射p 如同物体对光的衍射一样， 原子核也可以导致中子的衍射，形成弹性散射（即使它对中子而言看上去像一个 “黑体”）2018/10/941/126K.共振（复合核）散射若只有散射h= e 2 id 02s= p1 - h20sc ,00

39、sind 0 ( E )对在令2018/10/9d(E ) = p展开02d( E )G = 2( 0)-1E = ERE42/126sind( E ) = G / 20( E - E)2 + G 2 / 41/ 2Ro= p2G 2sc ,0( E - E)2 + G 2 / 4Ro sc ,0 = 4psind( E )220Phase shift只考虑S波，即l=0的情况o= p2 (2l + 1) 1 - h2scll = 022o sc ,l= p( 2 l + 1) 1 - hlJ.势（形状）散射vs 共振（复合核）散射 2221- f + ikR e-2ikR- f + ikR-

40、1) - 2ikRs= p= p= p22e2ikR2(e2ikRsc,0f - ikRf - ikRf - ikR-ikR2= e-1 = e(e- e) = 2iesin kR2ikRikRikRikRApot2kR= p-1) +2(e2ikRfR + i( fI - kR) 10-16 s-2ikR2= pA+ A2=2Aress= p 4p R222ieikR sin kRpotres+ i( f- kR)fpotRI2018/10/943/126kR1 10-22 sh= f + ikR e-2ikR0f - ikRo= p2 1-h2sc,00= 1 dy iydrr = Riy

41、 0 (R) = y i (R)1dy 0ydrr = R0y (R) = y (R)0if rdy 0 ydr r = R0-ikRh eikR - ikRe-ikRf = 0= f+ if e-h0e-ikRikRRIl = 0o= p2 ( 2 l + 1) 1 - h2sc ,lly=i(e-ikr -h e+ikr )02kr0 1 - i kr - lp + i kr - lp y = il +1 (2l + 1) e2 -h e2 P (cosq )2krlll =0L.共振反应的更一般形 式B-W公式(单能级共振公式)4p2p 入射粒子a和出射粒子b可能是相同的，也可能是不同的

42、。p 如果a=b，就是共振散射；p 如果a, b不同，就是共振之后的其它反应。4p R21000010001001010.10.011E-81E-71E-61E-51E-41E-3MeV2018/10/944/126barnso= p2G a G bab(T - E)2 + ( G / 2)2 0109Ag(n,g) reaction8/10/9L.中子能量增大时的能级密度当入射中子的能量提高时，由于所形成复合核的激发能跟高，此时复合核的能级密度会增大；p= 2激发能高的同时也会带来衰变道宽度的增大；这实际使得已经没有可分辨的单一能级；此时中子的吸收，将不再具有单能级共振的特点；其实，是很多单能级（宽度较大）叠加的效果。pppp20145/126238U能级加密100010010s 1/ v 连续能区10.1G n Ggs= p2n ,g- E+ (