中子探测篇(2)_中子探测的主要方法

中子和原子核的相互作用过程主要有核反应、核反冲、核裂变、活化这四种，因此衍生出的中子探测方法也主要分为核反应法、核反冲法、核裂变法以及活化法这四种，下面分别介绍这四种方法：

 

1，核反应法

中子本身不带电，它和物质中的原子核之间没有库仑相互作用，因此比较容易进入原子核发生核反应。选择某种能产生带电粒子的核反应，记录带电粒子引起的电离现象就可以探测中子，这种方法主要用于探测慢中子的强度。

 

目前应用的最多的是以下三种核反应：

n+10B→α+7Li+2.792MeV

n+6Li→α+3T+4.786MeV

n+3He→p+3T+0.765MeV

 

(1)10B(n, α)反应目前应用最广泛，主要原因是硼的材料比较容易获得，气态的可以选用BF3，固态的可以选择氧化硼或碳化硼。基于10B(n, α)反应原理的中子探测器有三氟化硼正比管、含硼电离室和载硼的闪烁计数器等。

 

(2)6Li(n, α)反应的优点是放出的能量最大，所以把中子产生的信号和γ本底区分开来比较容易。缺点是Li没有合适的气体化合物，使用时只能采用固体材料。通常采用高浓缩的氟化锂来探测中子，但价格十分昂贵。

 

(3)3He(n, p)反应的优点是反应截面最大，缺点是反应放出的能量最小，探测器不容易去除γ本底，而且3He不容易制备，价格偏贵。

 

2，核反冲法

入射能量为E的中子和原子核发生弹性散射时，中子的运动方向改变，能量也有所减少。中子减少的能量传递给原子核，使原子核以一定速度运动。这个原子核就称为反冲核，反冲核具有一定电荷，可以作为带电粒子来记录。因此，记录了反冲核，也就探测到中子。这种方法称为反冲法，它是探测快中子的主要方法。

 

 

由动量、能量守恒定律可以推出，反冲核的质量越小，获得的能量就越大。所以在反冲法中通常选用氢核来做辐射体，此时反冲核就是质子，有时就称为反冲质子法。

 

当散射角度为0度时，相当于入射中子和氢原子核迎面正碰，反冲核获得的能量最大。而当散射角度在0~10度变化时，反冲质子的能量只变化3%。所以在实用中，单测0度方向质子太少，一般都是测量沿入射中子束方向，张角为±10度的反冲质子，此时探测器接收到的反冲质子较多，测得的反冲质子能量粗略的等于入射中子能量。

 

3，核裂变法

中子与重核作用可以发生裂变，裂变法就是通过记录裂变碎片来探测中子的方法，对于热中子、慢中子总是选用235U、239Pu、233U做裂变材料。

 

中子引起裂变时放出的能量很大，大约200MeV，两个裂变碎片共带走165MeV，而入射中子的能量一般远小于这个数值，因此这种方法不能直接测量中子能量，主要用来测定中子通量。

 

由于核裂变法的特点是放出的能量很大，因此γ本底对测量没有什么影响，用裂变法可以在强γ本底下测量中子。

 

4，活化法

中子和原子核相互作用时，辐射俘获是很主要的作用过程。中子很容易进入原子核形成一个处于激发态的复合核，复合核通过发射一个或几个光子迅速跃回基态。这种俘获中子，放出γ辐射的过程称为“辐射俘获”，用(n, γ)表示。

 

一个典型例子是用115In做激活材料，它受中子照射时发生如下反应：

n+115In→116In*→116In+γ

 

新生成的核素一般都不稳定，本例子中生成的116In就是β放射性的，衰变方式如下：

116In→116Sn+γ+β-

 

这种现象称为“活化”或“激活”，所产生的放射性称为“感生放射性”，测量经过中子辐照后材料中的放射性，就知道中子的强度，这就是活化法。

 

总的来说，在不同的中子能区，上述的四种相互作用过程截面相差很大，所以对不同能区的中子要采用不同的探测方法和探测器。

 

而且由于中子作用截面一般都不大，所以中子的探测效率，尤其是快中子探测效率是较低的。与α、β、γ辐射探测器相比，中子探测器的探测效率要低一些，过程也复杂一些，测量精度也要差一些。

 

探测中子时，在大多数情况下，中子辐射场总是伴随γ辐射的存在，而中子探测器往往对γ射线也有一定响应，所以探测中子时，常遇到中子和γ的甄别问题。

 

参考文献：

[1]原子核物理实验方法

[2]粒子探测技术及数据获取

[3]核电子学

[4]模拟电子技术基础

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