第4章射线与物质的相互作用-3

第四章射线与物质的相互作用§4.1概述§4.2α粒子与物质的相互作用§4.3β射线与物质的相互作用§4.4射线与物质的相互作用§4.5射线在物质中的衰减§4.6中子与物质的相互作用***第4.6节中子与物质的相互作用一、中子的基本性质与分类（一）中子的基本性质中子存在于除氢以外的所有原子核中，是构成原子核的重要组分。自由中子是不稳定的。一个自由中子会自发地转变成一个质子、一个电子(粒子)和一个反中微子，并释放出0.782MeV的能量。MeVvepn782.0)()(反中微子自由中子的不稳定性反映中子的静止质量稍大于氢原子质量。mn＝1.0086649u＝939.565300MeV/c2mH＝1.007825u＝938.7830MeV/c2因此贮存自由中子是不可能的。中子的寿命：自由中子(发生－衰变)的半衰期为T1/2=10.60min中子的电荷：中子总体是电中性（不带电），是中性粒子。中子具有强的穿透能力：中子与物质中原子的电子相互作用很小，基本上不会因使原子电离和激发而损失其能量，因而比相同能量的带电粒子具有强得多的穿透能力。中子在物质中损失能量的主要机制是与原子核发生碰撞。产生两个问题：中子的探测（通过与靶核反应或散射产生的带电粒子的测量得到中子能量信息）和对中子的屏蔽及防护。（后续课程要解决的问题）（二）中子的分类慢中子：E1KeV包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。其中：热中子的能量约为0.0253eV，与吸收物质原子处于热平衡状态，中子速度~2.2×103m/s。中能中子：E的范围1KeV~0.5MeV；快中子：E的范围0.5MeV~10MeV；特快中子：E10MeV；二、中子源为了研究中子与物质相互作用以及它们在实际问题中的应用，首先必须要有能够满足不同要求的中子源以产生所需的中子。中子源的分类：•加速器中子源•反应堆中子源•放射性中子源性能更好，多用性强，特别是加速器中子源可实现便携式，使用方便，适合野外及现场使用（一）加速器中子源加速器中子源是利用各种带电粒子加速器去加速某些粒子(带电粒子)，如质子和氘等，用它们去轰击靶原子核产生中子。含义：这种中子源的特点是可以在较广阔的能区内获得强度适中、能量单一的中子束流。特点：在低能加速器上用来产生(0~20)MeV单能中子的核反应：HendT4),(HendD3),(都是放热反应(Q0)，它们发射中子的能量为：式中：Ed是入射氘核的动能，mn，md和mB分别是中子、入射氘核和剩余核的质量，Q是反应能，θ为中子的出射角。222})]1([)(cos{cos)(BddndnBBnBnddnmmEQmmmmmmmmmEE可见：中子的能量不仅和入射氘的动能Ed有关，而且和中子的出射角θ有关。两个反应截面随入射粒子能量的变化如下图所示：两种反应都会因为氘核破裂产生的破裂中子而受到干扰，限制了能够产生单能中子的能区。竞争反应过程T(d,np)T和D(d,np)D的阈能分别为3.71MeV和4.45MeV。是吸热反应(Q0)；BenpLi77),(反应：只能得到(120~600)KeV的单能中子，其截面随能量Ep(1.92~2.4MeV)的变化如右图所示：是吸热反应(Q0)；HenpT3),(反应：在θ=0°方向上，可获得(0.29~7.5)MeV的单能中子，其截面随Ep能量的变化如右图所示：利用数百MeV的脉冲强流电子束或质子束轰击238U等重靶，可以产生具有连续能谱的强中子源（称“白光”中子源）。强中子源：结合飞行时间技术（飞行距离200m或更长）可以一次实验获得宽广能区内不同单能点的中子反应截面曲线。与单能中子源相比，不仅效率高、能区全，而且系统误差小。•散裂中子源(SNS,SpallationNeutronSource)散裂中子源是目前世界上研究物质微观结构最重要的科学设施之一。它能产生比核反应堆强10~100倍的有效中子束流，将其射入被研究的样品，就可以测定物质的内部结构，研究物理、化学性质和变化规律。工作原理——质子通过大型加速器获得高能量后，轰击重元素靶(如：铅、钨、铀、钍靶)，重靶的原子核不稳定而发生散裂反应，从而中子从原子核内发射出来，每个高能量的质子可以使靶核发出20~30个中子，瞬间就会形成非常强的中子束流。散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广，它可以提供从eV~几百MeV宽广能区的中子，大大地扩展了中子科学研究的范围，拓深了中子科学研究的领域。中子慢化后与样品发生散射，由中子散射谱仪接收。科研人员则利用中子谱仪研究样品最本质的结构细节和动力学性质。•中国散裂中子源(CSNS,ChinaSpallationNeutronSource)目前，世界上正在运行的三大散裂中子源包括英国卢瑟福实验室散裂中子源、美国橡树岭国家实验室散裂中子源和日本原子能研究机构散裂中子源。中国散裂中子源于2011年10月20日在广东省东莞市奠基，其建成后，将成为发展中国家的第一台散裂中子源，并与正在运行的美国、日本、英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲式散裂中子源。英国散裂中子源已成功运行超过25年，获得大量成果。日本散裂中子源造价17亿美元，其用户增长极为迅速，正在酝酿建设新的2兆瓦的散裂中子源。美国散裂中子源造价14亿美元，设计束流功率1.4兆瓦，目前稳定运行在900千瓦，2006年产生中子，还依托散裂中子源建立纳米材料科学中心。总投资16.7亿元人民币，加速器采用低能直线加速器+高能快循环同步加速器的方案，可以节省投资、易于升级；散裂中子源建在地下5米的隧道内，周围用很厚的钢筋混凝土墙来屏蔽辐射；在屏蔽外，剂量水平远低于天然宇宙线产生的照射。只要加速器一停机，这种瞬发辐射随即消失。（二）反应堆中子源反应堆中子源是利用重核裂变，在反应堆内形成链式反应，不断地产生大量的中子。含义：特点：反应堆中子源的特点是中子注量率大，能谱形状比较复杂。中子注量率(fluencerate)：每秒(dt)进入某一截面的单位面积(da)的中子数(dN)，表述为：dadtNddtdadNd2)/(反应堆中子源是一个体中子源，它的强度不宜用总的中子数来描述，而是采用中子注量率来表示。21610/10~10cms•高中子注量率：•产生中子的能量范围宽：0.001eV~十几MeV右图给出一个热中子反应堆内所测得的中子能谱：总的来说，一个反应堆内的中子能谱是复杂的，为了从反应堆中得到单能中子，一般利用晶体单色器、过滤器和机械转子等转置加以获取。（三）放射性（同位素）中子源放射性中子源是利用放射性核素衰变时放出的射线，去轰击某些轻靶发生(α,n)和(γ,n)反应，而放出中子的装置。也可直接利用超铀原子核自发裂变中放出的中子作为自发裂变中子源。含义：1、(α,n)反应中子源常用的(α,n)反应中子源，是将铀系重核210Po、226Ra，及239Pu，241Am等α发射体粉末均匀、紧密地与铍粉(Be粉)相混合并压紧后密封在金属容器内制成，通过如下放热核反应而产生中子：MeVnCBe70.5129下表给出常用的几种(α,n)放射性中子源的性质：以241Am为例进行说明：nCBe129由241Am放射源放出的粒子，打在Be上发生反应，产生中子。•性能：中子产额——2.2×106Ci/s；T1/2＝433年（半衰期长，因此源的中子强度不变）；中子能量为0.1~11.2MeV，平均5MeV；n/比(中子强度比)为10:1（241Am源放出的γ本底干扰小）2、(γ,n)反应中子源(γ,n)反应都是吸热的。用这种光中子源产生中子的主要特点是：优点：中子能量单一；可以提供从20KeV~1MeV之间某些能量点的单能中子。缺点：中子产额低，装置体积大。利用中子结合能很低的9Be和D作靶核与γ射线发生作用：MeVnBeBe665.189MeVnHpHD224.2)()(1121目前用得较多的例如：124Sb-9Be(锑-铍)(T1/2=60.20d)，24Na-D(钠-氘)，24Na-9Be(钠-铍)(T1/2=15.02h)光中子源分别提供24KeV，0.264MeV和0.97MeV的单能中子。3、自发裂变中子源自发裂变中子源为超铀元素(Z92)。以252Cf(锎)(Z=98)最常用。1克252Cf每秒放出2.31×1012个中子（即中子产额为2.31×1012s-1·g-1）。同时经α衰变发出的γ射线平均能量为0.8MeV，数目为1.3×1013个。两种射线数目的比值是一个定值。252Cf同时具有α衰变和自发裂变两种衰变方式。经α衰变放出的γ光子的分支比占96.9%，自发裂变产生中子的分支比占3.1%，有效半衰期为2.64a，中子平均能量为2.2MeV。三、中子和物质的相互作用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。中子因不带电，能进入核内组成复合核。复合核的寿命很短，它很快放出中子，γ光子或其他带电粒子，甚至核裂变。中子与物质相互作用的基本特点：•作用对象：原子核•作用方式：各种核反应主要核反应形式弹性散射(n,n)非弹性散射(n,n’)辐射俘获(n,γ)核裂变反应(n,f)带电粒子发射(n,α),(n,p)多粒子发射(n,2n),(n,np)当中子能量不同，原子核质量不同时，产生的主要作用形式也不同。（一）弹性散射(n,n)Hnnp电离n中子与靶核碰撞过程中，动能、动量守恒，靶核的能级状态没有改变。相当于两个弹性球的碰撞过程。碰撞后，中子的能量和运动方向均有所改变。中子的弹性散射更易于发生在与质量数较小的原子核的碰撞过程中。弹性散射是反应堆中，特别是热中子反应堆中的一种主要中子核反应类型。热中子反应堆中主要是热中子引发裂变。中子从快中子到热中子的过程主要是依靠与轻核的弹性碰撞而损失能量。中子的动能损失或反冲核获得的能量为：22'cos..4nnnMEmMMmEEEEM—反冲核的动能；En，En’—分别为碰撞前、后中子的动能；M—反冲核质量；m—中子质量；φ—实验室坐标系中反冲核的反冲角。式中：从上式可以看出，原子核的质量越小，在弹性散射过程中，中子损失的能量或原子核得到的反冲动能越大。当=0时，反冲质子能量最大，Ep=En当反冲核为质子(氢核)时，M＝m，上式变为：2cosnpEE探测中子的重要途径：探测散射产生的反冲核获取中子信息。对反冲质子，测量其能量Ep和反冲角即可得到中子能量En。（二）非弹性散射(n,n’)中子与靶核的碰撞过程，类似于弹性散射，但是靶核的能级状态有所升高。碰撞后，中子的能量和运动方向均有所改变，伴随着靶核的γ衰变。高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射。中子与原子核发生非弹性散射，实际上包括两个过程：•首先是中子被原子核吸收，形成一个复合核。但这个复合核不是处于稳定的基态，而是处于激发态。•很快它就会又放出一个中子，并且放出γ射线，回到稳定的基态。非弹性散射的反应式可以表示如下：γXnXXXnAzAzAzAz10**110)()(非弹性散射的中子能量存在阈值：在非弹性散射时，中子损失的能量较弹性散射时大。非弹性散射有阈值：MmMEE.阈Eγ—放出的γ射线能量；式中：M—反冲核质量；m—中子质量；只有当中子能量超过阈值时，非弹性散射才能发生。（三）辐射俘获(n,γ)中子进入原子核，被吸收后形成复合核。复合核比原来的核多了一个中子，往往处于激发态，在回到基态时放出γ光子。作用后，中子已不存在，生成核是靶核的另一种同位素。辐射俘获是最常见的核反应。结果是生成核比原来原子核大一个质量数的同位素，即。生成核往往具有放射性。XnXAZAZ1),(γ)()(1*110XXXnAzAzAz中子活化：一个稳定的同位素经中子照射后，生成放射性核，这种现象称为激化或活化。相应的放射性称为人工放射性或感生放射性。•（n,γ）是制备放射性同位素的重要途径：•对地质试样进行活化分析时