中子應(yīng)用

自1932年發(fā)現(xiàn)中子以來，中子在現(xiàn)代科學(xué)的許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。中子的發(fā)現(xiàn)立即為科學(xué)家們探索原子核的性質(zhì)提供了一種新的工具。特別是，中子及其性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)對發(fā)展核反應(yīng)堆和核wu器具有重要意義。中子起關(guān)鍵作用的主要分支總結(jié)如下：

核反應(yīng)堆

核反應(yīng)堆是核電站、核研究設(shè)施或核推進船舶的關(guān)鍵設(shè)備。核反應(yīng)堆的主要目的是啟動和控制持續(xù)的核鏈式反應(yīng)。核鏈式反應(yīng)僅通過自由中子啟動、維持和控制。鏈式反應(yīng)是指單個核反應(yīng)（中子誘發(fā)裂變）導(dǎo)致一個或多個后續(xù)核反應(yīng)的平均值，從而導(dǎo)致這些反應(yīng)的自蔓延系列的可能性。“一個或多個”是反應(yīng)堆物理的關(guān)鍵參數(shù)。為了提高或降低功率，必須改變反應(yīng)量，分別是核芯中的自由中子量（使用控制棒）。

材料結(jié)構(gòu)分析（中子衍射技術(shù)）

中子衍射實驗使用彈性中子散射來確定原子（或磁性）結(jié)構(gòu)。中子衍射是基于這樣一個原理，即熱中子或冷中子的波長與原子間距相似。受檢樣品（晶體固體、氣體、液體或非晶態(tài)材料）必須放置在熱中子束（0.025 eV）或冷中子束（與極冷環(huán)境（如液態(tài)氘）處于熱平衡的中子）中，以獲得衍射圖案，提供有關(guān)受檢材料結(jié)構(gòu)的信息。中子衍射實驗與X射線衍射實驗相似，但中子與物質(zhì)的相互作用不同。光子（X射線）主要與原子核周圍的電子（原子電子云）相互作用，但中子只與原子核相互作用。原子核周圍的電子（原子電子云）和帶正電的原子核產(chǎn)生的電場都不會影響中子的飛行。由于它們的性質(zhì)不同，兩種方法（中子衍射和X射線衍射）都可以提供有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的補充信息。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用

1932年發(fā)現(xiàn)中子后不久，中子的醫(yī)學(xué)應(yīng)用就開始了。中子是一種高度穿透性和離子化物質(zhì)，可用于放射治療或硼捕獲治療等醫(yī)學(xué)治療。但是，當(dāng)它們被物質(zhì)吸收時，中子激活了物質(zhì)，使物質(zhì)（靶區(qū)）具有放射性。

材料成份測定（中子活化分析）

       中子活化分析是一種測定被檢材料成分的方法。該方法發(fā)現(xiàn)于1936年，是定量分析常量、微量、痕量和稀有元素的前沿方法。該方法基于中子活化，首先用中子輻照分析樣品，以產(chǎn)生特定的放射性核素。這些產(chǎn)生的放射性核素的放射性衰變對每種元素（核素）都是特定的。每種核素都會發(fā)出特征伽馬射線，使用伽馬能譜進行測量，在特定能量下檢測到的伽馬射線指示特定的放射性核素，并確定元素的濃度。這種方法的主要優(yōu)點是中子不會破壞樣品。該方法也可用于確定核材料的富集程度。

       首先用中子輻照分析樣品，以產(chǎn)生特定的放射性核素。這些產(chǎn)生的放射性核素的放射性衰變對每種元素（核素）都是特定的。

前沿科研（散裂中子源）

當(dāng)一個中等能量的質(zhì)子打到重核（鎢、汞等元素）之后會導(dǎo)致重核的不穩(wěn)定而“蒸發(fā)”出20-30個中子，這樣重核“裂開”并向各個方向“發(fā)散”出相當(dāng)多的中子，大大提高了中子的產(chǎn)生效率，按這種原理工作的裝置稱為散裂中子源。

散裂中子源的出現(xiàn)突破了反應(yīng)堆中子源中子通量的極限。當(dāng)快速粒子如高能質(zhì)子轟擊重原子核時，一些中子被“剝離”，或被轟擊出來，在核反應(yīng)中被稱為散裂。散裂反應(yīng)和裂變反應(yīng)的不同點是：它不釋放那么高的能量，但它可以將一個原子核打成幾塊，可能是三塊，也可能是四塊，這個過程中會產(chǎn)生中子、質(zhì)子、介子、中微子等產(chǎn)物，對開展核物理前沿課題研究和應(yīng)用研究非常有用，且所產(chǎn)生的中子還會在相臨的靶核上繼續(xù)通過核反應(yīng)產(chǎn)生中子即核外級聯(lián)。一個質(zhì)子在后靶大概可以產(chǎn)生20到30個中子，這是散裂中子源的基本條件。

中子探測

中子的探測非常特殊，因為中子是電中性粒子，因此它們主要受強核力的影響，而不受電力的影響。因此，中子不會直接電離，通常必須先轉(zhuǎn)化為帶電粒子才能被探測到。通常，每種類型的中子探測器必須配備轉(zhuǎn)換器（將中子輻射轉(zhuǎn)換為普通可探測輻射）和一種常規(guī)輻射探測器（閃爍探測器、氣體探測器、半導(dǎo)體探測器等）。

中子轉(zhuǎn)換器

有兩種中子與物質(zhì)相互作用類型可以用于中子轉(zhuǎn)換器：

1、彈性散射。自由中子可以被原子核散射，將其部分動能轉(zhuǎn)移到原子核。如果中子有足夠的能量散射出原子核，反沖的原子核就會使轉(zhuǎn)換器周圍的物質(zhì)電離。事實上，只有氫和氦原子核才足夠輕，可以用于實際應(yīng)用。以這種方式產(chǎn)生的電荷可由常規(guī)探測器收集以產(chǎn)生檢測信號。中子可以將更多的能量傳遞給輕核。該方法適用于檢測快中子（快中子沒有高的吸收截面），允許在沒有慢化劑的情況下檢測快中子。

2、中子吸收。這是一種允許檢測整個能譜中子的常用方法。該方法基于各種吸收反應(yīng)（輻射捕獲、核裂變、重排反應(yīng)等）。中子在此被發(fā)射次級粒子（如質(zhì)子、α粒子、β粒子、光子（γ射線）或裂變碎片）的目標(biāo)材料（轉(zhuǎn)換器）吸收。有些反應(yīng)是閾值反應(yīng)（需要最少的中子能量），但大多數(shù)反應(yīng)發(fā)生在超熱能和熱能下。這意味著需要慢化快中子，導(dǎo)致中子能量信息較差。中子轉(zhuǎn)換器材料最常見的核有：

10B（n，α）。其中，熱中子的中子俘獲截面σ=3820，天然硼豐度為10B 19,8%。

3He（n，p）。其中，熱中子的中子俘獲截面σ=5350，天然氦的豐度為3He 0.014%。

6Li（n，α）。其中，熱中子的中子俘獲截面σ=925，天然鋰的豐度為6Li 7,4%。

113Cd（n，?）。其中，熱中子的中子俘獲截面σ=20820，天然鎘的豐度為113Cd 12,2%。

235U（n，裂變）。其中，熱中子的裂變截面σ=585，天然鈾的豐度為235U 0.711%。鈾作為轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生裂變碎片，這些碎片是重帶電粒子。這有很大的優(yōu)勢。重帶電粒子（裂變碎片）產(chǎn)生高輸出信號，因為碎片在探測器敏感體積中沉積了大量能量。這使得背景輻射（即伽馬輻射）易于識別。這一重要特征可用于核反應(yīng)堆功率測量，其中中子場伴有明顯的伽馬背景。

熱中子探測

熱中子是在溫度為290K（17°C或62°F）的周圍介質(zhì)中處于熱平衡的中子。17°C（62°F）下麥克斯韋分布的最可能能量為0.025 eV（~ 2 km/s）。中子能譜的這一部分是熱反應(yīng)堆能譜中最重要的部分。

對于給定的核素，熱中子的有效中子吸收截面（裂變或輻射俘獲）不同于快中子，并且通常要大得多。

一般來說，有許多檢測原理和多種類型的檢測器。在核反應(yīng)堆中，氣體電離探測器是最常見的，因為它們非常有效、可靠，并且覆蓋范圍很廣。各種類型的氣體電離探測器構(gòu)成了所謂的堆外核儀器系統(tǒng)（NIS：excore nuclear instrumentation system）。堆外核儀表系統(tǒng)通過檢測反應(yīng)堆堆芯的中子泄漏來監(jiān)測反應(yīng)堆的功率水平。

用電離室探測中子

電離室通常用作帶電粒子檢測裝置。例如，如果電離室的內(nèi)表面涂有一層薄薄的硼，則會發(fā)生（n，α）反應(yīng)。大多數(shù)熱中子的（n，α）反應(yīng)是10B（n，α）7Li反應(yīng)，伴有0.48MeV

此外，同位素硼-10在整個中子能譜上具有較高的（n，α）反應(yīng)截面。α粒子在電離室內(nèi)引起電離，而噴出的電子引起進一步的二次電離。

使用電離室檢測中子的另一種方法是使用氣體（BF3）代替電離室中的空氣。入射中子與探測器氣體中的硼原子反應(yīng)時產(chǎn)生α粒子。這兩種方法都可以用來探測核反應(yīng)堆中的中子。必須注意的是，BF3計數(shù)器通常在比例區(qū)域內(nèi)工作。

裂變室-寬量程探測器

裂變室是用來探測中子的電離探測器。裂變室可用作中程探測器，以監(jiān)測中等通量水平的中子通量（反應(yīng)堆功率）。它們還提供指示、警報和停堆信號。選擇該儀器的設(shè)計是為了在源量程通道和功率量程儀器的全量程之間提供重疊。

對于裂變室，裂變室涂有一層薄薄的高濃縮鈾-235，以檢測中子。中子不是直接電離的，通常必須先轉(zhuǎn)化為帶電粒子才能被探測到。熱中子將導(dǎo)致鈾-235原子裂變，產(chǎn)生的兩個裂變碎片具有高動能，并導(dǎo)致探測器內(nèi)氬氣電離。使用鈾-235涂層而不是硼-10的一個優(yōu)點是，裂變碎片的能量遠遠高于硼反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子。因此，裂變室對中子通量非常敏感，這使得裂變室能夠在比有硼襯里的無補償離子室更高的伽馬場中運行。

活化箔和熔絲

中子可以用活化箔和熔絲探測。該方法基于中子活化，首先用中子輻照分析樣品，以產(chǎn)生特定的放射性核素。這些產(chǎn)生的放射性核素的放射性衰變對每種元素（核素）都是特定的。每種核素都會發(fā)出特征伽馬射線，這些伽馬射線使用伽馬能譜進行測量，在特定能量下檢測到的伽馬射線指示特定的放射性核素，并確定元素的濃度。

活化箔的選定材料包括：銦、金、銠、鐵、鋁、?鈮        

這些元素有很大的橫截面用于中子的輻射俘獲。使用多個吸收體樣品可以表征中子能譜?；罨€允許再現(xiàn)歷史中子暴露。商用臨界事故劑量計通常使用這種方法。通過測量薄金屬箔的放射性，我們可以確定金屬箔暴露的中子量。

磁通線可用于核反應(yīng)堆中測量反應(yīng)堆中子通量分布。原則是一樣的。電線或箔材直接插入反應(yīng)堆堆芯，在堆芯中保持激活至所需水平所需的時間長度?；罨?，快速從反應(yīng)堆堆芯上移除磁通線或箔，并計算放射性?；罨€可以通過在箔上蓋上蓋子過濾（吸收）某些能級中子來區(qū)分能級。例如，鎘被廣泛用于在熱中子過濾器中吸收熱中子。

快中子探測

快中子是動能大于1 MeV（約15000 km/s）的中子。在核反應(yīng)堆中，這些中子通常被稱為裂變中子。裂變中子具有麥克斯韋-玻耳茲曼能量分布，平均能量（235U裂變）為2 MeV。在核反應(yīng)堆內(nèi)，快中子通過一種稱為中子慢化的過程被減慢到熱能。這些中子也由核裂變或（α，n）反應(yīng)等核過程產(chǎn)生。

一般來說，有許多檢測原理和多種類型的檢測器。但必須補充的是，快中子的探測是一門非常復(fù)雜的學(xué)科，因為快中子的反應(yīng)截面比慢中子的能量范圍小得多?？熘凶油ǔＪ峭ㄟ^先將它們慢化（減慢）為熱能來探測的。然而，在這個過程中，中子的原始能量、傳播方向和發(fā)射時間的信息丟失了。

質(zhì)子反沖-反沖探測器

快中子最重要的探測器類型是直接探測反沖粒子的探測器，特別是彈性（n，p）散射產(chǎn)生的反沖質(zhì)子。事實上，只有氫和氦原子核才足夠輕，可以用于實際應(yīng)用。在后一種情況下，反沖粒子在探測器中被檢測到。中子可以將更多的能量傳遞給輕核。該方法適用于檢測快中子，允許在沒有慢化劑的情況下檢測快中子。這種方法允許測量中子能量和中子注量，即探測器可用作光譜儀。典型的快中子探測器有液體閃爍體、氦-4基惰性氣體探測器和塑料探測器（閃爍體）。例如，塑料的氫含量很高，因此，當(dāng)用作閃爍體時，它對快中子探測器很有用。

邦納球體光譜儀（Bonner Spheres Spectrometer）

探測慢中子的方法有幾種，探測快中子的方法很少。因此，測量快中子的一種技術(shù)是將它們轉(zhuǎn)換為慢中子，然后測量慢中子。一種可能的方法是基于Bonner球體。1960年，尤因和湯姆·W·邦納描述了該方法，并將熱中子探測器（通常是無機閃爍體，如6LiI）嵌入不同尺寸的減速球中。邦納球已被廣泛用于測量中子能譜，中子能量范圍從熱到至少20 MeV。邦納球中子光譜儀（BSS）由一個熱中子探測器、一套聚乙烯球殼和兩個不同尺寸的可選鉛殼組成。為了探測熱中子，可以使用3He探測器或無機閃爍體，如6LiI。激光閃爍體在探測熱中子方面非常流行。LiGlass閃爍體的優(yōu)點是其穩(wěn)定性和尺寸范圍大。

用閃爍計數(shù)器探測中子

閃爍計數(shù)器用于測量各種應(yīng)用中的輻射，包括手持式輻射測量儀、放射性污染的人員和環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療成像、輻射測定、核安全和核電廠安全。它們被廣泛使用，因為它們制造成本低廉，但效率很高，并且可以測量入射輻射的強度和能量。

閃爍計數(shù)器可用于檢測α、β、γ輻射。它們也可用于探測中子。為此，使用了不同的閃爍體。

由于中子是電中性粒子，它們主要受強核力作用，但不受電力作用。因此，中子不會直接電離，通常必須先轉(zhuǎn)化為帶電粒子才能被探測到。通常，每種類型的中子探測器必須配備轉(zhuǎn)換器（將中子輻射轉(zhuǎn)換為普通可探測輻射）和一種常規(guī)輻射探測器（閃爍探測器、氣體探測器、半導(dǎo)體探測器等）?？熘凶樱?/span>>0.5 MeV）主要依賴于（n，p）反應(yīng)中的反沖質(zhì)子。因此，富含氫的材料，例如塑料閃爍體，適合其檢測。熱中子依靠（n，γ）或（n，α）等核反應(yīng)產(chǎn)生電離。因此，LiI（Eu）或玻璃硅酸鹽等材料特別適合探測熱中子。6LiGlass閃爍體的優(yōu)點是其穩(wěn)定性和尺寸范圍大。