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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 自自发裂裂变源源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 Netur
2、on 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 (, n) isotopic neutro
3、n sources, see table 1-6.B. Radioisotope (, n) Sources同位素源同位素源ItsQ-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 excitation energy to a ta
4、rget 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 Sources 1) The main disadvantage of photoneutron sources:It is needed that very large gamma-ray activities must
5、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: Because alpha particles are the only heavy charged particles with low z conventiently available from
6、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 (Q-value)3.26MeV(Q-val
7、ue)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 中子的分类与性质中子的分类与性质（1）中子的中子的分类分类2) 中能中子：中能中子：1KeV0.5MeV。1) 慢中子：慢中子：01KeV。包括冷中子、热包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。中子、超热中子、共振中子。3) 快中子：快中子：0.5MeV10MeV。4) 特快中子：特快中子：
8、10MeV。热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，热中子：与吸收物质原子处于热平衡状态，能量为能量为0.0253eV，中子速度，中子速度2.2103m/s.（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, 费米子费米子电荷：电荷：0 0，中性粒子，中性粒子磁矩：磁矩： n1.913042 N中子寿命：中子寿命：发生发生 衰变的半衰期衰变的半衰期T1/2=10.60min3 中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用（1 1 1 1） 中子的散射中子的散射中子的散射中子的散射 1) 弹性散射弹性散射 (n,n) 中子与物质的相互
9、作用实质上是中子与物质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。的靶核的相互作用。出射粒子仍为出射粒子仍为中子中子、剩余核仍为、剩余核仍为靶核靶核。出射中子的动能：出射中子的动能：反冲核的动能：反冲核的动能：当反冲核为当反冲核为质子质子(氢核氢核)时，时，Mm，上式变为：，上式变为：当当 = 0 时，时，反冲质子反冲质子能量最大，能量最大，Tp = Tn反冲质子反冲质子在在实验室座标系实验室座标系中的中的能量分布能量分布的的概率密概率密度函数度函数为：为：即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其即对入射的单能中子而言，实验室坐标系中，其反冲反冲质子质子的的能量分布能量分布是一个
10、是一个矩形矩形，最大能量为，最大能量为Tn，最小为，最小为零零。这个关系可用于。这个关系可用于快中子能谱快中子能谱测量。测量。2) 非弹性散射非弹性散射 (n,n ) 入射中子的能量损失不仅使靶核得到入射中子的能量损失不仅使靶核得到反冲反冲，且，且使靶核处于使靶核处于激发态激发态。处于激发态的靶核退激时。处于激发态的靶核退激时放出一个或几个放出一个或几个特征特征 光子光子，在，在核分析技术核分析技术中有中有重要的应用。重要的应用。（2 2 2 2） 中子的俘获中子的俘获中子的俘获中子的俘获1) 中子的中子的辐射俘获辐射俘获 (n, ) 中子射入靶核后与靶核形成一个中子射入靶核后与靶核形成一个复
11、合核复合核，而后，而后复合复合核核通过发射一个或几个通过发射一个或几个特征特征 光子光子跃迁到基态。这些特跃迁到基态。这些特征征 光子光子不同于不同于 (n,n ) 的特征的特征 光子。由于这些光子。由于这些 光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称光子的发射与复合核的寿命相关，一般很快，故称为为“中子感生瞬发中子感生瞬发 射线射线”，同样在核分析技术中有重，同样在核分析技术中有重要的应用。要的应用。复合核的形成。复合核的形成。 当发生当发生(n, )反应后，反应后，新形成的核素新形成的核素是是放射性的放射性的，就，就是常说的是常说的“活化活化”，测量活化核素的放射性可以用来测，测量活化核
12、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。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发射带电粒子的中子核反应 如如(n, )，(n,p)等，这些反应在中子探测等，这些反应在中子探测中应用很多，成为中应用很多，成为探测中子的主要手段探测中子的主要手段。 如如(n,2n)，(n,np)等，这些反应的阈能较高，等，这些反应的阈能较高，在在810MeV以上，只有特快中子才能发生。以上，只有特快中子才能发生。3) 裂变反应裂变反应 (n,f)4) 多粒子发射多粒子发射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：中子探测的特点：中子探测的特点：中子探测的特
13、点：1) 中子为中子为中性粒子中性粒子，不能不能直接引起探测介质的直接引起探测介质的电离、激发。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相互作用产生可被探测的次级粒子的物质(辐射辐射体体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核，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。等，探测器记录这些次级粒子并输出信号。3) 中子与中子与辐射体辐射体有较大的有较大的作用截面作用截面，以获得较大，以
14、获得较大的中子探测效率。的中子探测效率。（1 1 1 1） 核反应法核反应法核反应法核反应法主要的核反应有：主要的核反应有：反应截面反应截面与与中子能量中子能量的关系：的关系： 1/v规律，即随中子能量增加，反应截面减规律，即随中子能量增加，反应截面减小，因此核反应法适用于小，因此核反应法适用于慢中子慢中子的测量，尤其的测量，尤其是热中子的测量。是热中子的测量。反应均为反应均为放热反应放热反应，反应能，反应能Q在生成核与出射粒在生成核与出射粒子之间分配。由于反应能子之间分配。由于反应能Q比较大比较大，又主要用于，又主要用于慢中子探测，即：慢中子探测，即：故故出射粒子能量出射粒子能量难以反映难以
15、反映慢中子的能量慢中子的能量，因此，因此，核反应法常用于中子核反应法常用于中子注量率注量率的测量。这时，的测量。这时，Q大大易于甄别去除易于甄别去除 本底信号。本底信号。探测介质中含有上述核素探测介质中含有上述核素的的气体探测器气体探测器、闪烁探闪烁探测器测器，或，或上述材料作为外辐射体上述材料作为外辐射体的的半导体探测器半导体探测器均可用均可用核反应法核反应法进行中子探测。进行中子探测。（2 2 2 2） 核反冲法核反冲法核反冲法核反冲法中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。中子与靶核的弹性碰撞产生反冲核。 主要发生在主要发生在氢核氢核上，常用上，常用含氢物质含氢物质作为作为辐射辐射体体。反冲质子
16、反冲质子使探测介质电离、激发而产生输使探测介质电离、激发而产生输出信号。出信号。反冲质子能量反冲质子能量：反冲质子数反冲质子数： 反冲质子的能谱反冲质子的能谱为为矩形分布矩形分布。此法主要用于。此法主要用于快中子快中子的探测，尤其是快中子的探测，尤其是快中子能量能量的测量。因的测量。因此，探测介质中富含此，探测介质中富含含氢物质含氢物质的探测器，如的探测器，如含含氢正比管氢正比管、有机闪烁体有机闪烁体等适用于核反冲法测量等适用于核反冲法测量快中子能谱。快中子能谱。（3 3 3 3） 核裂变法核裂变法核裂变法核裂变法中子与中子与重核重核发生发生核裂变核裂变产生产生裂变碎片裂变碎片，裂变碎片，裂变
17、碎片是是巨大的带正电荷的粒子巨大的带正电荷的粒子，能使探测器输出信号。，能使探测器输出信号。通过测量碎片数，可求得中子注量率。通过测量碎片数，可求得中子注量率。裂变碎片裂变碎片的的总动能为总动能为150170MeV，形成的形成的脉脉冲幅度冲幅度比比 本底本底脉冲幅度脉冲幅度大得多大得多，可用于可用于强强 辐辐射场射场内中子的测量内中子的测量。热中子可引起的核裂变热中子可引起的核裂变核：核：233U，235U，239Pu。如如235U的热中子截面为的热中子截面为580b。对慢中子满足。对慢中子满足1/v 规律，仅适用于热中子的注量率测量。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
18、于某一一些重核只有当中子能量大于某一阈能阈能才能才能发生发生核裂变核裂变，可用此判断中子的能量。，可用此判断中子的能量。（4 4 4 4） 活化法活化法活化法活化法选用一些选用一些核素核素具有较高的具有较高的活化截面活化截面，活化，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。后放射性核素也具有较易测量的放射性。如：如： 测量测量 粒子的发射率粒子的发射率可确定中子的可确定中子的注量率注量率。一。一般，般，热中子热中子的的活化截面活化截面较高，此法适用于较高，此法适用于热中热中子的注量率子的注量率的测量。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变为放射性核素样放射性核素样放射性核
19、素样放射性核素样品品品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品放射性核素样品冷却合适时间计算样品的物质计算样品的物质成成分和含量分和含量应用应用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
20、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。核技术基础知识核技术基础知识核素同位素丰度探测限*（g）55Mn100%10-1110-12107Ag51%10-910-10197Au100%10-1010-1164Ni1.2%10-710-875As100%10-910-10202Hg30%10-810-965Cu31%10-910-10121Sb57%10-910-10*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, ）分析探测）分析探测限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
21、子与物质相互作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的一组方法的一组方法中子一超热中子测井中子一超热中子测井强减速性元素强减速性元素 氢氢中子中子热中子测井热中子测井强吸收性元素强吸收性元素 氯氯 硼硼油水层油水层 孔隙度孔隙度岩层孔隙岩层孔隙度度油气层界面油气层界面特殊中子特殊中子性质矿产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
22、收性质的方法中子中子- -中子测井中子测井中子一中子测井中子中子- -伽马测井伽马测井原理原理：与中子与中子中子测井法相似。区别在于不是测定中子的中子测井法相似。区别在于不是测定中子的空间分布，而是测量热中子被组成岩石的原子核俘获空间分布，而是测量热中子被组成岩石的原子核俘获后放出的后放出的二次伽马射线二次伽马射线。应用应用：划分地质剖面、寻找气层和划分气水界面、划分油水界面.碳和氧的快中子非弹性散射产生能量差别较大的射线（4.43和6.13兆电子伏）峰计数比确定碳氧碳氧含量比含量比判别地层油水含量状况原理及应用：不同岩性的地层和不同的孔隙液体，热中子寿命不一样，可以利用它来区分油水层，划分油
23、、气、水界面。中子寿命测井中子寿命测井：测量热中子被地层俘获所需时间与深度变化关系热中子寿命热中子寿命：测井探管中中子发生器（中子管）释测井探管中中子发生器（中子管）释放出的放出的14兆电子伏脉冲快中子束，与井液和地层原子核兆电子伏脉冲快中子束，与井液和地层原子核发生连续碰撞而很快地被减速成热中子。从脉冲快中子发生连续碰撞而很快地被减速成热中子。从脉冲快中子变为热中子的瞬间起，到热中子大部分（约变为热中子的瞬间起，到热中子大部分（约63.7）被）被周围物质吸收时止，热中子所经过的这段平均时间。周围物质吸收时止，热中子所经过的这段平均时间。油气层和含盐量高的水层含氯量差别很大，氯对热中子有特殊俘
24、获能力中子寿命测井是划分油水层的重要方法。100个热中子经历经历 时间时间36个热中子中子寿命测井中子寿命测井谢谢！谢谢！2 中子源中子源1) 241Am-Be中子源中子源。属于属于( ,n)型中子源。由型中子源。由241Am放射源放出的放射源放出的 粒子，打在粒子，打在Be上发生反应，产生中子。上发生反应，产生中子。性能：性能：中子产额中子产额2.2106/s.CiT1/2433年；年；(1) 同位素中子源同位素中子源中子能量为中子能量为0.111.2MeV，平均，平均5MeV；n/ 比比(中子中子 强度比强度比)为为10:1；2) ( ,n)型中子源型中子源。利用利用( ,n)反应获得中子
25、。反应获得中子。优点优点：中子能量单一；：中子能量单一；缺点缺点：中子产额低，装置体积大。：中子产额低，装置体积大。3) 自发裂变中子源自发裂变中子源自发裂变中子源为超铀元素。以自发裂变中子源为超铀元素。以252Cf (锎锎)最常用。最常用。1克克252Cf 发射中子率为发射中子率为2.311013个个中子。半衰期：中子。半衰期：T1/2(自发裂变自发裂变)85.5a，T1/2( 衰变衰变)2.64a。中子平均能量为。中子平均能量为2.2MeV。2、加速器中子源、加速器中子源可以在相当宽的能区内获得可以在相当宽的能区内获得单能中子源单能中子源。主要反应主要反应：对对放能反应放能反应，如，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，当入射氘核，当入射氘核能量不高时能量不高时( Td 200KeV )，反应就可以有效进行，反应就可以有效进行，当当 90 时，就可得到能量分别为时，就可得到能量分别为2.5MeV和和14MeV的的单能中子单能中子。3、反应堆中子源、反应堆中子源宽中子能量：宽中子能量：0.001eV十几十几MeV高中子通量：高中子通量：
