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,、維持和控制。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是指單個核反應(yīng)（中子誘發(fā)裂變）導(dǎo)致一個或多個后續(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,。“一個或多個”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,，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每種元素（核素）都是特定的,。每種核素都會發(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每種元素（核素）都是特定的,。

前沿科研（散裂中子源）

當(dāng)一個中等能量的質(zhì)子打到重核（鎢,、汞等元素）之后會導(dǎo)致重核的不穩(wěn)定而“蒸發(fā)”出20-30個中子，這樣重核“裂開”并向各個方向“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,，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,，但它可以將一個原子核打成幾塊，可能是三塊,，也可能是四塊,，這個過程中會產(chǎn)生中子、質(zhì)子,、介子,、中微子等產(chǎn)物，對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)生中子即核外級聯(lián),。一個質(zhì)子在后靶大概可以產(chǎn)生20到30個中子，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樱虼怂鼈冎饕軓?qiáng)核力的影響,，而不受電力的影響,。因此，中子不會直接電離,，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,。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,，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、警報和停堆信號,。選擇該儀器的設(shè)計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)生的兩個裂變碎片具有高動能，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每種元素（核素）都是特定的,。每種核素都會發(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間長度?；罨?，快速從反應(yīng)堆堆芯上移除磁通線或箔，并計算放射性,?；罨€可以通過在箔上蓋上蓋子過濾（吸收）某些能級中子來區(qū)分能級。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,?？熘凶油ǔＪ峭ㄟ^先將它們慢化（減慢）為熱能來探測的。然而,，在這個過程中,，中子的原始能量、傳播方向和發(fā)射時間的信息丟失了,。

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,，它對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）由一個熱中子探測器,、一套聚乙烯球殼和兩個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,。

用閃爍計數(shù)器探測中子

閃爍計數(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）,。快中子（>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。