核辐射探测-第六章

第六章中子及中子探测6.1中子的分类与性质1、中子的分类2)中能中子：1KeV～0.5MeV。1)慢中子：0～1KeV。包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。3)快中子：0.5MeV～10MeV。4)特快中子：10MeV。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~2.2×103m/s.2、中子的性质质量：mn＝1.008665u＝939.565300MeV/c2自旋：sn＝1/2,费米子电荷：0，中性粒子磁矩：n＝－1.913042N中子寿命：发生－衰变的半衰期T1/2=10.60min6.2中子源1)241Am-Be中子源。属于(,n)型中子源。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——2.2×106/s.CiT1/2＝433年；1、同位素中子源nCBe129中子能量为0.1~11.2MeV，平均5MeV；n/比(中子强度比)为10:1；2)(,n)型中子源。利用(,n)反应获得中子。优点：中子能量单一；缺点：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为超铀元素。以252Cf(锎)最常用。1克252Cf发射中子率为2.31×1013个中子。半衰期：T1/2(自发裂变)＝85.5a，T1/2(衰变)＝2.64a。中子平均能量为2.2MeV。2、加速器中子源可以在相当宽的能区内获得单能中子源。主要反应：对放能反应，如2H(d,n)3He，3H(d,n)4He，当入射氘核能量不高时(Td200KeV)，反应就可以有效进行，当＝90时，就可得到能量分别为~2.5MeV和~14MeV的单能中子。HendH32),(MeVQ269.3MeVEn5.2HendH43),(MeVQ59.17MeVEn143、反应堆中子源宽中子能量：0.001eV~十几MeV高中子注量率：21610/10~10cms6.3中子与物质的相互作用1.中子的散射1)弹性散射(n,n)222222sincos)(mMmMmTTnn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。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，M＝m，上式变为：当=0时，反冲质子能量最大，Tp=Tn22cos)(4nMTmMmMT2cosnpTT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：npTTP1)(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。pT)(pTPnT/10nT2)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8～10MeV以上，只有特快中子才能发生。3)裂变反应(n,f)4)多粒子发射6.4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：MeVLiBn792.2710MeVHeLin786.436MeVHpHen764.033228010113841m2280106936m228010105327m反应截面与中子能量的关系：nTvvv1100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，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：nTQ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。主要发生在氢核上，常用含氢物质作为辐射体。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：2cosnpTTSpN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发生核裂变产生的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150～170MeV，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区间。4.活化法选用一些核素具有较高的活化截面，活化后放射性核素也具有较易测量的放射性。如：InInn116115vSnIn~116116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。1.硼电离室和裂变室辐射体：常用10B和235U；涂敷在电极表面工作状态：一般工作于电流工作状态，裂变室也可工作于脉冲工作状态。21III裂变室由于裂变碎片射程很短，所以辐射体涂层很薄，为提高探测效率而做成多层裂变室。6.5常用中子探测器硼电离室还常工作于补偿型状态，通过补偿消除本底的影响。nIIInI2.10BF3和3He正比计数器工作气体：含10B的BF3或含高丰度3He的氦气。工作状态：脉冲型工作状态。性能特点：BF3为负电性气体，性能较差；氦气(尤其是高丰度3He)价格昂贵。3.含锂闪烁体常用6LiI(Eu)晶体；铈激活的锂玻璃等。1)含氢正比计数管——气体介质含H2或CH4。2)有机闪烁体——富含H和C，还可以运用n/脉冲形状甄别技术，在较强的场中测量中子。4.利用质子反冲效应的探测器中心辐射体是中子活化材料，活化后具有放射性。粒子作为荷电粒子在极板间运动而在外回路中产生输出信号。不需要外加电源，称为自给能探测器。如：VnV5251),(CrV5252输出信号：5.自给能探测器eni性能：灵敏度＝1.2×10-21A/单位中子注量率;中子注量率测量范围109～1014/cm2s;体积小：直径1～2mm;时间延迟～5T1/2适合用于堆芯的中子注量率的测量。中子灵敏度定义：RNt为探测器灵敏体积中辐射体的靶核数。6.6中子注量率测量的主要指标中子灵敏度0)()(dEEENRt反应的发生率中子注量率对能量低于30KeV的中子：KeVtdEEvvNR30000)(nvNdEEnvNRtKeVt0030000)(KeVdEEnn300)(为中子密度(包括30KeV以下各种能量的中子)，所以探测器的计数直接代表了被测中子场的中子密度，即Rn。n(E)为能量E处单位能量间隔的中子密度。v为中子速度。vEnE)()(由则，中子注量率为：vvNRvnt00其中为中子的平均速度，为热中子的最可几速度。v0v对热中子，在T=20C时，128.1/0vv故：0128.1tNR则，热中子灵敏度为：128.10tNR1.堆芯外——用于监测反应堆功率水平，探测器置于压力壳外。1)启动量程：中子注量率102～104/cm2s；较小，本底相对高；用脉冲裂变室或BF3正比计数器。3)功率量程：大于1010/cm2s；足够大，本底相对较小；用电流型裂变室或硼电离室。6.7堆用探测器—反应堆中子注量率监测2)中间量程：106～108/cm2s；较大，本底相对仍高；用电流型裂变室或补偿型电流硼电离室。2.堆芯探测器——堆芯内中子注量率的空间分布。要求体积小，寿命长；典型工作条件：可选用微型裂变室，且电极涂235U+239Pu(可增殖，总积分通量由1.7×1021提高到4.8×1021中子)；也可以用自给能探测器。scm28/105~hR/10~8本底C300~工作温度2/2500~cmN工作压力