中子應(yīng)用

自1932年發(fā)現(xiàn)中子以來，中子在現(xiàn)代科學(xué)的許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。中子的發(fā)現(xiàn)立即為科學(xué)家們探索原子核的性質(zhì)提供了一種新的工具。特別是，中子及其性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)對(duì)發(fā)展核反應(yīng)堆和核wu器具有重要意義。中子起關(guān)鍵作用的主要分支總結(jié)如下：

核反應(yīng)堆

核反應(yīng)堆是核電站、核研究設(shè)施或核推進(jìn)船舶的關(guān)鍵設(shè)備。核反應(yīng)堆的主要目的是啟動(dòng)和控制持續(xù)的核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)僅通過自由中子啟動(dòng)、維持和控制。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是指單個(gè)核反應(yīng)（中子誘發(fā)裂變）導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)后續(xù)核反應(yīng)的平均值，從而導(dǎo)致這些反應(yīng)的自蔓延系列的可能性。“一個(gè)或多個(gè)"是反應(yīng)堆物理的關(guān)鍵參數(shù)。為了提高或降低功率，必須改變反應(yīng)量，分別是核芯中的自由中子量（使用控制棒）。

材料結(jié)構(gòu)分析（中子衍射技術(shù)）

中子衍射實(shí)驗(yàn)使用彈性中子散射來確定原子（或磁性）結(jié)構(gòu)。中子衍射是基于這樣一個(gè)原理，即熱中子或冷中子的波長與原子間距相似。受檢樣品（晶體固體、氣體、液體或非晶態(tài)材料）必須放置在熱中子束（0.025 eV）或冷中子束（與極冷環(huán)境（如液態(tài)氘）處于熱平衡的中子）中，以獲得衍射圖案，提供有關(guān)受檢材料結(jié)構(gòu)的信息。中子衍射實(shí)驗(yàn)與X射線衍射實(shí)驗(yàn)相似，但中子與物質(zhì)的相互作用不同。光子（X射線）主要與原子核周圍的電子（原子電子云）相互作用，但中子只與原子核相互作用。原子核周圍的電子（原子電子云）和帶正電的原子核產(chǎn)生的電場都不會(huì)影響中子的飛行。由于它們的性質(zhì)不同，兩種方法（中子衍射和X射線衍射）都可以提供有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充信息。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用

1932年發(fā)現(xiàn)中子后不久，中子的醫(yī)學(xué)應(yīng)用就開始了。中子是一種高度穿透性和離子化物質(zhì)，可用于放射治療或硼捕獲治療等醫(yī)學(xué)治療。但是，當(dāng)它們被物質(zhì)吸收時(shí)，中子激活了物質(zhì)，使物質(zhì)（靶區(qū)）具有放射性。

材料成份測定（中子活化分析）

       中子活化分析是一種測定被檢材料成分的方法。該方法發(fā)現(xiàn)于1936年，是定量分析常量、微量、痕量和稀有元素的前沿方法。該方法基于中子活化，首先用中子輻照分析樣品，以產(chǎn)生特定的放射性核素。這些產(chǎn)生的放射性核素的放射性衰變對(duì)每種元素（核素）都是特定的。每種核素都會(huì)發(fā)出特征伽馬射線，使用伽馬能譜進(jìn)行測量，在特定能量下檢測到的伽馬射線指示特定的放射性核素，并確定元素的濃度。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是中子不會(huì)破壞樣品。該方法也可用于確定核材料的富集程度。

       首先用中子輻照分析樣品，以產(chǎn)生特定的放射性核素。這些產(chǎn)生的放射性核素的放射性衰變對(duì)每種元素（核素）都是特定的。

前沿科研（散裂中子源）

當(dāng)一個(gè)中等能量的質(zhì)子打到重核（鎢、汞等元素）之后會(huì)導(dǎo)致重核的不穩(wěn)定而“蒸發(fā)"出20-30個(gè)中子，這樣重核“裂開"并向各個(gè)方向“發(fā)散"出相當(dāng)多的中子，大大提高了中子的產(chǎn)生效率，按這種原理工作的裝置稱為散裂中子源。

散裂中子源的出現(xiàn)突破了反應(yīng)堆中子源中子通量的極限。當(dāng)快速粒子如高能質(zhì)子轟擊重原子核時(shí)，一些中子被“剝離"，或被轟擊出來，在核反應(yīng)中被稱為散裂。散裂反應(yīng)和裂變反應(yīng)的不同點(diǎn)是：它不釋放那么高的能量，但它可以將一個(gè)原子核打成幾塊，可能是三塊，也可能是四塊，這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生中子、質(zhì)子、介子、中微子等產(chǎn)物，對(duì)開展核物理前沿課題研究和應(yīng)用研究非常有用，且所產(chǎn)生的中子還會(huì)在相臨的靶核上繼續(xù)通過核反應(yīng)產(chǎn)生中子即核外級(jí)聯(lián)。一個(gè)質(zhì)子在后靶大概可以產(chǎn)生20到30個(gè)中子，這是散裂中子源的基本條件。

中子探測

中子的探測非常特殊，因?yàn)橹凶邮请娭行粤Ｗ?，因此它們主要受?qiáng)核力的影響，而不受電力的影響。因此，中子不會(huì)直接電離，通常必須先轉(zhuǎn)化為帶電粒子才能被探測到。通常，每種類型的中子探測器必須配備轉(zhuǎn)換器（將中子輻射轉(zhuǎn)換為普通可探測輻射）和一種常規(guī)輻射探測器（閃爍探測器、氣體探測器、半導(dǎo)體探測器等）。

中子轉(zhuǎn)換器

有兩種中子與物質(zhì)相互作用類型可以用于中子轉(zhuǎn)換器：

1、彈性散射。自由中子可以被原子核散射，將其部分動(dòng)能轉(zhuǎn)移到原子核。如果中子有足夠的能量散射出原子核，反沖的原子核就會(huì)使轉(zhuǎn)換器周圍的物質(zhì)電離。事實(shí)上，只有氫和氦原子核才足夠輕，可以用于實(shí)際應(yīng)用。以這種方式產(chǎn)生的電荷可由常規(guī)探測器收集以產(chǎn)生檢測信號(hào)。中子可以將更多的能量傳遞給輕核。該方法適用于檢測快中子（快中子沒有高的吸收截面），允許在沒有慢化劑的情況下檢測快中子。

2、中子吸收。這是一種允許檢測整個(gè)能譜中子的常用方法。該方法基于各種吸收反應(yīng)（輻射捕獲、核裂變、重排反應(yīng)等）。中子在此被發(fā)射次級(jí)粒子（如質(zhì)子、α粒子、β粒子、光子（γ射線）或裂變碎片）的目標(biāo)材料（轉(zhuǎn)換器）吸收。有些反應(yīng)是閾值反應(yīng)（需要最少的中子能量），但大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生在超熱能和熱能下。這意味著需要慢化快中子，導(dǎo)致中子能量信息較差。中子轉(zhuǎn)換器材料最常見的核有：

10B（n，α）。其中，熱中子的中子俘獲截面σ=3820，天然硼豐度為10B 19,8%。

3He（n，p）。其中，熱中子的中子俘獲截面σ=5350，天然氦的豐度為3He 0.014%。

6Li（n，α）。其中，熱中子的中子俘獲截面σ=925，天然鋰的豐度為6Li 7,4%。

113Cd（n，?）。其中，熱中子的中子俘獲截面σ=20820，天然鎘的豐度為113Cd 12,2%。

235U（n，裂變）。其中，熱中子的裂變截面σ=585，天然鈾的豐度為235U 0.711%。鈾作為轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生裂變碎片，這些碎片是重帶電粒子。這有很大的優(yōu)勢。重帶電粒子（裂變碎片）產(chǎn)生高輸出信號(hào)，因?yàn)樗槠谔綔y器敏感體積中沉積了大量能量。這使得背景輻射（即伽馬輻射）易于識(shí)別。這一重要特征可用于核反應(yīng)堆功率測量，其中中子場伴有明顯的伽馬背景。

熱中子探測

熱中子是在溫度為290K（17°C或62°F）的周圍介質(zhì)中處于熱平衡的中子。17°C（62°F）下麥克斯韋分布的最可能能量為0.025 eV（~ 2 km/s）。中子能譜的這一部分是熱反應(yīng)堆能譜中最重要的部分。

對(duì)于給定的核素，熱中子的有效中子吸收截面（裂變或輻射俘獲）不同于快中子，并且通常要大得多。

一般來說，有許多檢測原理和多種類型的檢測器。在核反應(yīng)堆中，氣體電離探測器是最常見的，因?yàn)樗鼈兎浅Ｓ行?、可靠，并且覆蓋范圍很廣。各種類型的氣體電離探測器構(gòu)成了所謂的堆外核儀器系統(tǒng)（NIS：excore nuclear instrumentation system）。堆外核儀表系統(tǒng)通過檢測反應(yīng)堆堆芯的中子泄漏來監(jiān)測反應(yīng)堆的功率水平。

用電離室探測中子

電離室通常用作帶電粒子檢測裝置。例如，如果電離室的內(nèi)表面涂有一層薄薄的硼，則會(huì)發(fā)生（n，α）反應(yīng)。大多數(shù)熱中子的（n，α）反應(yīng)是10B（n，α）7Li反應(yīng)，伴有0.48MeV

此外，同位素硼-10在整個(gè)中子能譜上具有較高的（n，α）反應(yīng)截面。α粒子在電離室內(nèi)引起電離，而噴出的電子引起進(jìn)一步的二次電離。

使用電離室檢測中子的另一種方法是使用氣體（BF3）代替電離室中的空氣。入射中子與探測器氣體中的硼原子反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生α粒子。這兩種方法都可以用來探測核反應(yīng)堆中的中子。必須注意的是，BF3計(jì)數(shù)器通常在比例區(qū)域內(nèi)工作。

裂變室-寬量程探測器

裂變室是用來探測中子的電離探測器。裂變室可用作中程探測器，以監(jiān)測中等通量水平的中子通量（反應(yīng)堆功率）。它們還提供指示、警報(bào)和停堆信號(hào)。選擇該儀器的設(shè)計(jì)是為了在源量程通道和功率量程儀器的全量程之間提供重疊。

對(duì)于裂變室，裂變室涂有一層薄薄的高濃縮鈾-235，以檢測中子。中子不是直接電離的，通常必須先轉(zhuǎn)化為帶電粒子才能被探測到。熱中子將導(dǎo)致鈾-235原子裂變，產(chǎn)生的兩個(gè)裂變碎片具有高動(dòng)能，并導(dǎo)致探測器內(nèi)氬氣電離。使用鈾-235涂層而不是硼-10的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，裂變碎片的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硼反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子。因此，裂變室對(duì)中子通量非常敏感，這使得裂變室能夠在比有硼襯里的無補(bǔ)償離子室更高的伽馬場中運(yùn)行。

活化箔和熔絲

中子可以用活化箔和熔絲探測。該方法基于中子活化，首先用中子輻照分析樣品，以產(chǎn)生特定的放射性核素。這些產(chǎn)生的放射性核素的放射性衰變對(duì)每種元素（核素）都是特定的。每種核素都會(huì)發(fā)出特征伽馬射線，這些伽馬射線使用伽馬能譜進(jìn)行測量，在特定能量下檢測到的伽馬射線指示特定的放射性核素，并確定元素的濃度。

活化箔的選定材料包括：銦、金、銠、鐵、鋁、?鈮        

這些元素有很大的橫截面用于中子的輻射俘獲。使用多個(gè)吸收體樣品可以表征中子能譜?；罨€允許再現(xiàn)歷史中子暴露。商用臨界事故劑量計(jì)通常使用這種方法。通過測量薄金屬箔的放射性，我們可以確定金屬箔暴露的中子量。

磁通線可用于核反應(yīng)堆中測量反應(yīng)堆中子通量分布。原則是一樣的。電線或箔材直接插入反應(yīng)堆堆芯，在堆芯中保持激活至所需水平所需的時(shí)間長度?；罨螅焖購姆磻?yīng)堆堆芯上移除磁通線或箔，并計(jì)算放射性?；罨€可以通過在箔上蓋上蓋子過濾（吸收）某些能級(jí)中子來區(qū)分能級(jí)。例如，鎘被廣泛用于在熱中子過濾器中吸收熱中子。

快中子探測

快中子是動(dòng)能大于1 MeV（約15000 km/s）的中子。在核反應(yīng)堆中，這些中子通常被稱為裂變中子。裂變中子具有麥克斯韋-玻耳茲曼能量分布，平均能量（235U裂變）為2 MeV。在核反應(yīng)堆內(nèi)，快中子通過一種稱為中子慢化的過程被減慢到熱能。這些中子也由核裂變或（α，n）反應(yīng)等核過程產(chǎn)生。

一般來說，有許多檢測原理和多種類型的檢測器。但必須補(bǔ)充的是，快中子的探測是一門非常復(fù)雜的學(xué)科，因?yàn)榭熘凶拥姆磻?yīng)截面比慢中子的能量范圍小得多。快中子通常是通過先將它們慢化（減慢）為熱能來探測的。然而，在這個(gè)過程中，中子的原始能量、傳播方向和發(fā)射時(shí)間的信息丟失了。

質(zhì)子反沖-反沖探測器

快中子最重要的探測器類型是直接探測反沖粒子的探測器，特別是彈性（n，p）散射產(chǎn)生的反沖質(zhì)子。事實(shí)上，只有氫和氦原子核才足夠輕，可以用于實(shí)際應(yīng)用。在后一種情況下，反沖粒子在探測器中被檢測到。中子可以將更多的能量傳遞給輕核。該方法適用于檢測快中子，允許在沒有慢化劑的情況下檢測快中子。這種方法允許測量中子能量和中子注量，即探測器可用作光譜儀。典型的快中子探測器有液體閃爍體、氦-4基惰性氣體探測器和塑料探測器（閃爍體）。例如，塑料的氫含量很高，因此，當(dāng)用作閃爍體時(shí)，它對(duì)快中子探測器很有用。

邦納球體光譜儀（Bonner Spheres Spectrometer）

探測慢中子的方法有幾種，探測快中子的方法很少。因此，測量快中子的一種技術(shù)是將它們轉(zhuǎn)換為慢中子，然后測量慢中子。一種可能的方法是基于Bonner球體。1960年，尤因和湯姆·W·邦納描述了該方法，并將熱中子探測器（通常是無機(jī)閃爍體，如6LiI）嵌入不同尺寸的減速球中。邦納球已被廣泛用于測量中子能譜，中子能量范圍從熱到至少20 MeV。邦納球中子光譜儀（BSS）由一個(gè)熱中子探測器、一套聚乙烯球殼和兩個(gè)不同尺寸的可選鉛殼組成。為了探測熱中子，可以使用3He探測器或無機(jī)閃爍體，如6LiI。激光閃爍體在探測熱中子方面非常流行。LiGlass閃爍體的優(yōu)點(diǎn)是其穩(wěn)定性和尺寸范圍大。

用閃爍計(jì)數(shù)器探測中子

閃爍計(jì)數(shù)器用于測量各種應(yīng)用中的輻射，包括手持式輻射測量儀、放射性污染的人員和環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療成像、輻射測定、核安全和核電廠安全。它們被廣泛使用，因?yàn)樗鼈冎圃斐杀镜土?，但效率很高，并且可以測量入射輻射的強(qiáng)度和能量。

閃爍計(jì)數(shù)器可用于檢測α、β、γ輻射。它們也可用于探測中子。為此，使用了不同的閃爍體。

由于中子是電中性粒子，它們主要受強(qiáng)核力作用，但不受電力作用。因此，中子不會(huì)直接電離，通常必須先轉(zhuǎn)化為帶電粒子才能被探測到。通常，每種類型的中子探測器必須配備轉(zhuǎn)換器（將中子輻射轉(zhuǎn)換為普通可探測輻射）和一種常規(guī)輻射探測器（閃爍探測器、氣體探測器、半導(dǎo)體探測器等）?？熘凶樱?/span>>0.5 MeV）主要依賴于（n，p）反應(yīng)中的反沖質(zhì)子。因此，富含氫的材料，例如塑料閃爍體，適合其檢測。熱中子依靠（n，γ）或（n，α）等核反應(yīng)產(chǎn)生電離。因此，LiI（Eu）或玻璃硅酸鹽等材料特別適合探測熱中子。6LiGlass閃爍體的優(yōu)點(diǎn)是其穩(wěn)定性和尺寸范圍大。