中子物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十三章第十三章 中子及中子探测中子及中子探测第1页13.1 中子分类与性质中子分类与性质1、中子中子分类分类2)中能中子：中能中子：1KeV0.5MeV。1)慢中子：慢中子：01KeV。包含冷中子、热包含冷中子、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：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.第2页2、中子性质、中子性质质量：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 衰变半衰期衰变半衰期T1/2=10.60min第3页13.2 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放射源放出放射源放出 粒粒子，打在子，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；第4页2)(,n)型中子源型中子源。利用利用(,n)反应取得中子。反应取得中子。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)最惯用。最惯用。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。第5页2、加速器中子源、加速器中子源能够在相当宽能区内取得能够在相当宽能区内取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，当入射氘核能量不高时射氘核能量不高时(Td 200KeV)，反应就能，反应就能够有效进行，当够有效进行，当 90 时，就可得到能量分别时，就可得到能量分别为为2.5MeV和和14MeV单能中子单能中子。第6页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高中子注量率：高中子注量率：第7页13.3 中子与物质相互作用中子与物质相互作用1.1.1.1.中子散射中子散射中子散射中子散射 1)弹性散射弹性散射 (n,n)中子与物质相互作用实质上是中子与物中子与物质相互作用实质上是中子与物质靶核相互作用。质靶核相互作用。出射粒子仍为出射粒子仍为中子中子、剩下核仍为、剩下核仍为靶核靶核。出射中子动能：出射中子动能：第8页反冲核动能：反冲核动能：当反冲核为当反冲核为质子质子(氢核氢核)时，时，Mm，上式，上式变为：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第9页 反冲质子反冲质子在在试验室座标系试验室座标系中中能量分布能量分布概率概率密度函数密度函数为：为：即对入射单能中子而言，试验室坐标系中，即对入射单能中子而言，试验室坐标系中，其其反冲质子反冲质子能量分布能量分布是一个是一个矩形矩形，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测量。量。第10页2)非弹性散射非弹性散射(n,n)入入射射中中子子能能量量损损失失不不但但使使靶靶核核得得到到反反冲冲，且且使使靶靶核核处处于于激激发发态态。处处于于激激发发态态靶靶核核退退激激时时放放出出一一个个或或几几个个特特征征 光光子子，在在核核分分析析技技术术中中有有主要应用。主要应用。第11页2.2.2.2.中子俘获中子俘获中子俘获中子俘获1)中子中子辐射俘获辐射俘获(n,)中中子子射射入入靶靶核核后后与与靶靶核核形形成成一一个个复复合合核核，而而后后复复合合核核经经过过发发射射一一个个或或几几个个特特征征 光光子子跃跃迁迁到到基基态态。这这些些特特征征 光光子子不不一一样样于于(n,n)特特征征 光光子子。因因为为这这些些 光光子子发发射射与与复复合合核核寿寿命命相相关关，普普通通很很快快，故故称称为为“中中子子感感生生瞬瞬发发 射射线线”，一样在核分析技术中有主要应用。，一样在核分析技术中有主要应用。复合核形成。复合核形成。当当发发生生(n,)反反应应后后，新新形形成成核核素素是是放放射射性性，就就是是常常说说“活活化化”，测测量量活活化化核核素素放放射射性性能能够够用用来来测测量量中中子子流流注注量量率率，区区分分中中子子能能量量范范围。围。第12页2)发射带电粒子中子核反应发射带电粒子中子核反应 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，成为探测中子探测中子主要伎俩主要伎俩。如如(n,2n)，(n,np)等，这些反应阈能较高，等，这些反应阈能较高，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第13页13.4 中子探测基本方法中子探测基本方法中子探测特点：中子探测特点：中子探测特点：中子探测特点：1)中子为中子为中性粒子中性粒子，不能不能直接引发探测介质电离、直接引发探测介质电离、激发。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相互作用产生可被探测次级粒子可被探测次级粒子物质物质(辐射体辐射体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变等次级过程，产生等次级过程，产生带电带电次级粒子次级粒子，如，如，p，f 等，等，探测器统计这些次级粒子并输出信号。探测器统计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有较大作用截面作用截面，以取得较大中，以取得较大中子探测效率。子探测效率。第14页1.1.1.1.核反应法核反应法核反应法核反应法主要核反应有：主要核反应有：反应截面反应截面与与中子能量中子能量关系：关系：1/v规律规律，即随中子能量增加，反应截面减，即随中子能量增加，反应截面减小，所以核反应法适合用于小，所以核反应法适合用于慢中子慢中子测量，尤其测量，尤其是热中子测量。是热中子测量。第15页 反应均为反应均为放热反应放热反应，反应能，反应能Q在生成核与出在生成核与出射粒子之间分配。因为反应能射粒子之间分配。因为反应能Q比较大比较大，又主要，又主要用于慢中子探测，即：用于慢中子探测，即：故故出射粒子能量出射粒子能量难以反应难以反应慢中子能量慢中子能量，所以，核，所以，核反应法惯用于中子反应法惯用于中子注量率注量率测量。这时，测量。这时，Q大易于大易于甄别去除甄别去除 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气体探测器气体探测器、闪烁闪烁探测器探测器，或，或上述材料作为外辐射体上述材料作为外辐射体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。第16页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弹性碰撞产生反冲核。中子与靶核弹性碰撞产生反冲核。主要发生在主要发生在氢核氢核上，惯用上，惯用含氢物质含氢物质作为作为辐射辐射体体。反冲质子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：反冲质子能谱反冲质子能谱为为矩形分布矩形分布。此法主要用于。此法主要用于快快中子中子探测，尤其是快中子探测，尤其是快中子能量能量测量。所以，探测量。所以，探测介质中富含测介质中富含含氢物质含氢物质探测器，如探测器，如含氢正比管含氢正比管、有机闪烁体有机闪烁体等适合用于核反冲法测量快中子能等适合用于核反冲法测量快中子能谱。谱。第17页3.3.3.3.核裂变法核裂变法核裂变法核裂变法 中中子子与与重重核核发发生生核核裂裂变变产产生生裂裂变变碎碎片片是是巨巨大大带带正正电电荷荷粒粒子子，能能使使探探测测器器输输出出信信号号。经经过过测测量碎片数，可求得中子注量率。量碎片数，可求得中子注量率。裂裂变变碎碎片片总总动动能能为为150170MeV，形形成成脉脉冲冲幅幅度度比比 本本底底脉脉冲冲幅幅度度大大得得多多，可可用用于于强强 辐辐射场射场内中子测量内中子测量。热热中中子子可可引引发发核核裂裂变变核核：233U，235U，239Pu。如如235U热热中中子子截截面面为为580b。对对慢慢中中子子满满足足1/v 规规律，仅适合用于热中子注量率测量。律，仅适合用于热中子注量率测量。一些重核只有当中子能量大于某一一些重核只有当中子能量大于某一阈能阈能才才能发生能发生核裂变核裂变，可用此判断中子能量区间。，可用此判断中子能量区间。第18页4.4.4.4.活化法活化法活化法活化法 选取一些选取一些核素核素含有较高含有较高活化截面活化截面，活化后，活化后放射性核素也含有较易测量放射性。放射性核素也含有较易测量放射性。如：如：测测量量 粒粒子子发发射射率率可可确确定定中中子子注注量量率率。普普通通，热热中中子子活活化化截截面面较较高高，此此法法适适合合用用于于热热中中子子注注量率量率测量。测量。第19页1.1.1.1.硼电离室和裂变室硼电离室和裂变室硼电离室和裂变室硼电离室和裂变室辐射体辐射体：惯用：惯用10B和和235U；涂敷在电极表面涂敷在电极表面工作状态工作状态：普通工作于：普通工作于电流工作状态电流工作状态，裂变室裂变室也可工作于也可工作于脉冲工作状态脉冲工作状态。裂变室因为裂变室因为裂变碎片射程很短裂变碎片射程很短，所以辐射体涂，所以辐射体涂层很薄，为提升探测效率而做成层很薄，为提升探测效率而做成多层裂变室多层裂变室。13.5 惯用中子探测器惯用中子探测器硼电离室还常工作于硼电离室还常工作于赔偿型状态赔偿型状态，经过赔偿，经过赔偿消消除除 本底影响本底影响。第20页2.2.2.2.1010BFBF3 3和和和和3 3HeHe正比计数器正比计数器正比计数器正比计数器工作气体：含工作气体：含10BBF3或含或含高丰度高丰度3He氦气。氦气。工作状态：工作状态：脉冲型脉冲型工作状态。工作状态。性能特点：性能特点：BF3为负电性气体，性能较差；氦气为负电性气体，性能较差；氦气(尤其是高丰度尤其是高丰度3He)价格昂贵。价格昂贵。第21页3.3.3.3.含锂闪烁体含锂闪烁体含锂闪烁体含锂闪烁体惯用惯用6LiI(Eu)晶体；铈激活锂玻璃等。晶体；铈激活锂玻璃等。1)含氢正比计数管含氢正比计数管气体介质含气体介质含H2或或CH4。2)有机闪烁体有机闪烁体富含富含H和和C，还能够利用，还能够利用n/脉冲形状甄别技术，在较强脉冲形状甄别技术，在较强 场中测量中子。场中测量中子。4.4.4.4.利用质子反冲效应探测器利用质子反冲效应探测器利用质子反冲效应探测器利用质子反冲效应探测器第22页 中中心心辐辐射射体体是是中中子子活活化化材材料料，活活化化后后含含有有 放放射射性性。粒粒子子作作为为荷荷电电粒粒子子在在极极板板间间运运动动而而在在外外回回路路中中产产生生输输出出信信号号。不不需需要要外外加加电电源源，称为称为自给能探测器自给能探测器。如：如：输出信号：输出信号：5.5.5.5.自给能探测器自给能探测器自给能探测器自给能探测器性能：灵敏度性能：灵敏度 1.210-21A/单位中子注量率单位中子注量率;中子注量率测量范围中子注量率测量范围1091014/cm2s;体积小：直径体积小：直径12mm;时间延迟时间延迟5T1/2适适用于堆芯中子注量率测量。适适用于堆芯中子注量率测量。第23页中子灵敏度中子灵敏度定义：定义：Nt 为探测器灵敏体积为探测器灵敏体积中中辐射体辐射体靶核数靶核数。13.6 中子注量率测量主要指标中子注量率测量主要指标 中子灵敏度中子灵敏度反应发生率反应发生率中子注量率中子注量率第24页对能量低于对能量低于30KeV中子：中子：为为中子密度中子密度(包含包含30KeV以下各以下各种能量中子种能量中子)，所以探测器计数直接代表了被测，所以探测器计数直接代表了被测中子场中子密度，即中子场中子密度，即 R n。n(E)为能量为能量E处单位能量处单位能量间隔间隔中子密度。中子密度。v为为中子速度中子速度。由由第25页则，则，中子注量率中子注量率为：为：其中其中 为中子为中子平均速度平均速度，为热中子为热中子最可几速最可几速度度。对热中子，在对热中子，在T=20 C时，时，故：故：则，则，热中子灵敏度热中子灵敏度为：为：第26页1.1.1.1.堆堆堆堆芯芯芯芯外外外外用用用用于于于于监监监监测测测测反反反反应应应应堆堆堆堆功功功功率率率率水水水水平平平平，探测器置于探测器置于探测器置于探测器置于压力壳外压力壳外压力壳外压力壳外。1)开启量程：中子注量率开启量程：中子注量率102104/cm2s；较小较小，本底相对高本底相对高；用；用脉冲裂变室脉冲裂变室或或BF3正比计数器正比计数器。3)功率量程：功率量程：大于大于1010/cm2s；足够大，足够大，本底相本底相对较小对较小；用；用电流型裂变室电流型裂变室或或硼电离室硼电离室。13.7 堆用探测器堆用探测器反应堆中子注量率监测反应堆中子注量率监测2)中间量程：中间量程：106108/cm2s；较大，较大，本底相对本底相对仍高仍高；用；用电流型裂变室电流型裂变室或或赔偿型电流硼电离室赔偿型电流硼电离室。第27页2.2.2.2.堆堆堆堆芯芯芯芯探探探探测测测测器器器器堆堆堆堆芯芯芯芯内内内内中中中中子子子子注注注注量量量量率率率率空空空空间间间间分布。分布。分布。分布。要求体积小，寿命长；要求体积小，寿命长；经典工作条件：经典工作条件：可选取可选取微型裂变室微型裂变室，且电极涂，且电极涂235U+239Pu(可增殖，可增殖，总积分通量由总积分通量由1.71021提升到提升到4.81021中子中子)；也；也能够用自给能探测器。能够用自给能探测器。第28页