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1、第四讲第四讲 射线与物质的相互作用（射线与物质的相互作用（4 4） Radiation Interactions with Matter中子中子与物质的相互作用与物质的相互作用A. Spontaneous Fission 自发发裂变变源 1) The most common spontaneous fission source is 252Cf; 2) Half-time:2.65y; 3) the dominant decay mechanism is decay; 4) the energy spectrum of neutrons is plotted in fig. 1-10. 1 1
2、 NeturonNeturon Source SourceSeveral different target materials can lead to (, n) reactions for the alpha particle energies which are readily available in radioactive decay. 1)The maximum neutron yield is obtained with Be as the target:2) The 239Pu/Be sources is probably the most widely used of the
3、(, n) isotopic neutron sources, see table 1-6.B. Radioisotope (, n) Sources同位素源Its Q-value:5.71MeV.Some radioisotope gamma-ray emitters can also be used to produce neutrons when combined with an appropriate target material. The resulting photoneutron sources are based on supplying sufficient excitat
4、ion energy to a target by absorption of gamma-ray photon to allow the emission of free neutron. Only two target nuclei, 9Be and 2H, are of any practical signification for radioisotope source.C. Photoneutron Sources1) The main disadvantage of photoneutron sources: It is needed that very large gamma-r
5、ay activities must be used in order to produce neutron sources of attractive intensity. one gamma ray (105 or 106) one neutron2) Some of the more common gamma-ray emitters are 226Ra, 124Sb, 72Ga, 140La and 24Na.Notes:Notes:Because alpha particles are the only heavy charged particles with low z conve
6、ntiently available from radioisotopes, reactions involving incident protons, deuterons, and so on, must rely on artifically accelerated particles. Two of the most common reaction of this type used to produce neutrons are:D Reactions From Accelerated Charged Particle(“neutron generator”)DD DT 17.6MeV
7、 (Q-value)3.26MeV (Q-value)1) 1 mA D (accelerated potentiao 100300keV) 109n/s (D-D), 1011n/s(D-T). 2) Other neutron generators (higher energy): 9Be(d,n), 7Li(p,n), 3H(p,n)Notes :2 2 中子的分类与性质中子的分类与性质 （1）中子的分类2) 2) 中能中子：中能中子：1KeV1KeV0.5MeV0.5MeV。1) 1) 慢中子：慢中子：0 01KeV1KeV。包括冷中子、热 中子、超热中子、共振中子。3) 3) 快中子
8、：快中子：0.5MeV0.5MeV10MeV10MeV。4) 4) 特快中子：特快中子：10MeV10MeV。热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态， 能量为0.0253eV，中子速度2.2103m/s.（2 2）中子的性质）中子的性质质量：质量：mn1.008665u939.565300MeV/c2自旋：自旋：sn1/2, 费米子电荷：电荷：0，中性粒子磁矩：磁矩：n1.913042N中子寿命：中子寿命：发生衰变的半衰期T1/2=10.60min3 3 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用（1） 中子的散射1) 弹性散射 (n,n)中子与物质的相互作用实质上是中子与物质 的靶核的相互作用。
9、出射粒子仍为中子、剩余核仍为靶核。出射中子的动能：反冲核的动能：当反冲核为质子(氢核)时，Mm，上式变为： 当 = 0 时，反冲质子能量最大，Tp = Tn反冲质子在实验室座标系中的能量分布的概率密 度函数为：即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其反冲 质子的能量分布是一个矩形，最大能量为Tn，最小为 零。这个关系可用于快中子能谱测量。 2) 非弹性散射 (n,n)入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲，且 使靶核处于激发态。处于激发态的靶核退激时 放出一个或几个特征光子，在核分析技术中有 重要的应用。（2） 中子的俘获1) 中子的辐射俘获 (n,)中子射入靶核后与靶核形成一个复合核，而后复
10、合 核通过发射一个或几个特征光子跃迁到基态。这些特 征 光子不同于 (n,n) 的特征 光子。由于这些 光 子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为“ 中子感生瞬发射线”，同样在核分析技术中有重要的 应用。复合核的形成。当发生(n,)反应后，新形成的核素是放射性的，就是 常说的“活化”，测量活化核素的放射性可以用来测量中 子流的注量率区分中子的能量范围。2) 发射带电粒子的中子核反应如(n,)，(n,p)等，这些反应在中子探测中 应用很多，成为探测中子的主要手段。如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高， 在810MeV以上，只有特快中子才能发生。3) 裂变反应 (n,f)4)
11、多粒子发射4 4 中子探测的基本方法中子探测的基本方法 中子探测的特点： 1) 中子为中性粒子，不能直接引起探测介质的 电离、激发。 2) 在探测器或探测介质内必须具备能同中子发生 相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射 体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核 裂变等次级过程，产生带电的次级粒子，如，p ，f 等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。3) 中子与辐射体有较大的作用截面，以获得较大 的中子探测效率。（1） 核反应法 主要的核反应有：反应截面与中子能量的关系：1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减 小，因此核反应法适用于慢中子的测量，尤其 是热中子的测量。反应均为放热反应，
12、反应能Q在生成核与出射粒 子之间分配。由于反应能Q比较大，又主要用于 慢中子探测，即：故出射粒子能量难以反映慢中子的能量，因此， 核反应法常用于中子注量率注量率的测量。这时，Q大 易于甄别去除本底信号。探测介质中含有上述核素的气体探测器、闪烁探 测器，或上述材料作为外辐射体的半导体探测器 均可用核反应法进行中子探测。（2） 核反冲法中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。主要发生在氢核氢核上，常用含氢物质含氢物质作为辐射辐射 体体。反冲质子使探测介质电离、激发而产生输 出信号。 反冲质子能量： 反冲质子数：反冲质子的能谱为矩形分布。此法主要用于 快中子的探测，尤其是快中子能量的测量。因 此，探测介质中
13、富含含氢物质的探测器，如含 氢正比管、有机闪烁体等适用于核反冲法测量 快中子能谱。（3） 核裂变法 中子与重核重核发生核裂变产生裂变碎片，裂变碎片 是巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号 。通过测量碎片数，可求得中子注量率。裂变碎片的总动能为150170MeV，形成的脉 冲幅度比 本底脉冲幅度大得多，可用于强辐 射场内中子的测量。热中子可引起的核裂变核：233U，235U，239Pu。 如235U的热中子截面为580b。对慢中子满足1/v 规律，仅适用于热中子的注量率测量。一些重核只有当中子能量大于某一阈能才能 发生核裂变，可用此判断中子的能量。（4） 活化法选用一些核素具有较高的活化截面
14、，活化 后放射性核素也具有较易测量的放射性。如：测量粒子的发射率可确定中子的注量率。一 般，热中子的活化截面较高，此法适用于热中 子的注量率的测量。非放射性核素样品非放射性核素样品置 于中子场中受照变为 放射性核素样品放射性核素样品测量样品的测量样品的 放射 性活度和能量能量样品在中子束照射下，通过(n, ) 反应生 成放射性核素，不同放射性核素的半衰 期和射线的能量都是不同的，如同人的 指纹一样， 这叫“核指纹”特征。测量 样品的 放射性活度和射线能量，可以 确定靶样品中某种核素的含量和种类。取出取出放射性核素样放射性核素样 品品冷却合适时间计算样品的物质计算样品的物质 成分和含量成分和含量
15、应用应用1 1：中子活化分析：中子活化分析照射冷却4小时后测量 有8种痕量元素，4 周后测量 发现其 他元素存在。 能量 MeV 计数中子活化分析头发水质样品能谱图中子活化分析头发水质样品能谱图头发的“微量元素谱”中子活化分析检验出1英寸长头发中的14种元素。科学家认为 100万人中，只有两人9种元素可能相同。核技术基础知识核 素同位素丰度 探测限* （g ） 55Mn100%10-11 10-12107Ag51%10-9 10-10197Au100%10-10 10-1164Ni1.2%10-7 10-875As100%10-9 10-10202Hg30%10-8 10-965Cu31%10
16、-9 10-10121Sb57%10-9 10-10* 测量1小时 放射性计数100 探测效率10%中子活化（中子活化（n,n, ）分析探测限）分析探测限中子中子 测井测井应用应用2 2：中子测井：中子测井中子中子中子寿命中子伽马中子活化利用中子与物质相互作利用中子与物质相互作 用的各种效应用的各种效应 研究钻井剖面岩层性质研究钻井剖面岩层性质 的一组方法的一组方法中子一超热中子测井 强减速性元素 氢中子热中子测井 强吸收性元素 氯 硼油水层 孔隙度岩层孔隙 度油气层界面特殊中子 性质矿产中子源放出快中子，经过一系列碰撞而减弱到热能状态， 最后被吸收 中子的空间分布与物质的减速及吸收性质密切相关。测量源附近中子分布状态来研究岩层减速性质或吸 收性质的方
