13.2.1 中子源在线视频

下面我们来介绍下中子源

也就是中子是怎么被制造出来的

一般的讲有三类中子源

同位素中子源 反应堆中子源

和加速器中子源

我们首先来看同位素中子源

所谓同位素中子源

有两种方法

一种是利用放射性核素

放出的射线与某些轻靶

发生反应

通过这个反应来放出中子

这是一种同位素中子源

另外一种是通过自发裂变

来产生中子

具体来看又分

（α、n）型中子源

（γ、n）型中子源

以及自发裂变中子源

这三个小的分类

我们先来看（α、n）型中子源

所谓（α、n）型中子源

指的是利用放射源产生的

α射线通过（α、n）反映

来获得中子的中子源

这个反应首先要获取α射线

有了α射线

我们才谈的上（α、n）反应

什么样的核素可以制造α粒子呢

在第三章学习的过程中

我们知道只有高A核素

基本上讲要A大于140之后

才有可能看到α衰变

因此我们常用的（α、n）源

中α的放射体都是高阶高A核素

例如这里面的241Am

239Pu 210Po等等

大家注意到这个

241Am后边跟着一个9Be

239Pu后边也跟着一个9Be

210Po后边以及226Ra后边

都跟着9Be

这个9Be的作用就是吸收了

前面这些核素放出来的α粒子

然后发生(α，n)反应来制造中子

我们来看一下反应式

241Am和239Pu或者210Po

或者226Ra

α衰变所产生的α粒子

和9Be发生反应

形成了一个复合核 13C

由于α粒子是有动能的

而α粒子和9Be又有结合能的

因此这个相对应的动能和结合能

就会使13C处于一个激发态

13C本身是稳定的

可是当13C处于激发态的时候

它便不那么稳定了

它就会衰变

衰变的可能之一就是这个

变成12C和一个中子

在这个过程中放出了能量

这个衰变能是5.702MeV

然后13C处于激发态的时候

很有可能衰变到这个反应道

就是衰变到了

12C的激发态加中子

这个过程后边跟着一个

γ的退激过程

就是12C要

12C的激发态退激到

12C的基态的时候

会造出一个4.439MeV的γ射线

所以我们可以简单地讲

用241Am 239Pu 210Po

或者226Ra

这样的α放射体

它们所放出来的α射线与Be反应

会得到12C与中子

有的时候12C处于激发态

因此我们还有一定的概率

看到一个4.439MeV的γ射线

最常见的这个（α、n）源

就是Am-Be源

它就是用到241Am所放出的

α粒子和9Be反应

来制造的中子

它的数据是什么样呢

我们来看一看

它的中子产额是2.2×10^6 n/(s·Ci)

它的含义是如果我们拥有一个

1Ci的Am-Be中子源

每秒钟我们平均将会看到

220万个中子被制造出来

注意这里边Ci指的是

241Am的活度

也就是每秒钟有3.7×10^6个

241Am衰变的时候

我们将会看到220万个中子

被制造出来

由于241Am的半衰期很长

有431年

因此Am-Be源的半衰期

当然也会很长

中子的能量我们说

一方面取决于α粒子

与9Be的结合能

另外一方面也取决于

α粒子带来的相对于运动动能

而α粒子的相对运动动能

则直接来源于241Am的衰变

α衰变的衰变能

所以这将会使得产生中子的能量

会是一个分布

大概是0.1到11.2MeV

这样一个范围

平均值在4.5MeV左右

下边这个图就是

测量到的Am-Be中子源的能谱

中子能谱

关于Am-Be源我们讲

由于这个（α、n）反应

会导致12C可能处于激发态

因此它将会以超过50%的概率

制造一个4.43MeV的γ射线

因此这个源应该讲

它总是伴随着

比较强的γ射线

第二种类型是（γ、n）中子源

所谓（γ、n）型中子源

是利用γ射线与低光中子反应

阈值的核素来发生（γ、n）反应

获得中子的中子源

我们这里举两个例子

第一个γ射线和9Be反应

变成8Be和中子

这里面8Be不稳定

很快就会分裂成两个α粒子

这个反应是个阈能反应

它需要γ射线提供给9Be

至少1.67MeV的能量

才会使得这个反应发生

第二个反应是γ和2H

也就是氘核反应

变成质子 1H和中子

这个反应同样是个吸能反应

是个阈能反应

它需要γ射线

至少给氘核提供2.223MeV

才能使这个反应发生

使我们看到中子

作为同位素型的（γ、n）源

常见的是用24Na或124Sb

124Sb放出的2.74MeV的

γ射线与9Be发生反应得到中子

如果是24Na与9Be

这个时候2.74MeV的γ射线

将会与9Be反应

来得到0.95MeV的

一个单能中子

这种中子源

他的半衰期是取决于

前面γ衰变的这个半衰期的

24Na它自己本身的

半衰期是15小时

因此利用24Na和9Be

形成的一个（γ、n）中子源

它的半衰期也将是15小时

这就意味着

它会在几天之后衰减得很少

右边这个图

我们给出的是一个

（γ、n）反应的截面曲线

这是γ射线和氘核

也就2H发生光中子反应

来制造中子的截面曲线

我们注意到它的截面最大值

发生在5MeV到10MeV之间的一个位置

它的截面最大值

不超过2.5毫巴

因此（γ、n）反应

是一个概率比较小的

不太容易发生的一种反应

第三种同位素中子源

是自发裂变型中子源

在第三章的学习我们知道

随着原子核里边质子数的增多

库伦排斥是在平方增大的

因此原子核是越来越不稳定的

α衰变就是在这个背景下发生的

如果原子核这边的质子数

进一步增多

库伦排斥能进一步增大

则不仅会有α衰变

还会有裂变

自发裂变将会发生

发生自发裂变的时候

一个大的原子核

或者一个重的原子核

会分裂成两个中等质量的原子核

并且伴生两到三个中子

这两到三个中子叫裂变中子

它们就是这种中子源

中子的来源

比较常见的这种中子源

是252Cf中子源

我们这里可以看到它的参数

每微克的252Cf每秒钟将会制造

232万个中子

由于252Cf不仅有自发裂变

还有γ衰变

这导致它的半衰期还是比较短的

它的半衰期只有2.66年

这就意味着如果我们手头

拥有了一个252Cf源

大概在两年半之后

它的活度或者它的产额

就会降低到一半

因此这是在使用它的时候

需要注意的地方

252Cf所获得的中子

是裂变中子

它具有典型的蒸发谱

我们下边看到的

这就叫做Watt分布

这是252Cf的中子能谱

252Cf的中子能量

是2.13MeV

应该讲还是可以比较高的

由于252Cf在裂变的时候

形成的裂变碎片是属于激发态的

因此它一定会退激

也就是说

它一定会制造γ射线

所以这种中子源

通常会伴随比较强的γ射线

1微克的252Cf

每秒钟我们会观测到

1.3×10^7 的γ射线

这是使用它的时候

也需要注意的地方

下面我们来看一看同位素源的特点

我们先来讲它的优点

同位素源的优点是体积很小

通常并不大

可能还不如我的手大

占地面积比较小

所以在做实验或者工作中

你可以比较方便的安放它

另外同位素源

它的工作是不依赖于

任何外在条件的

这是原子核内部的事情

所以无论是真空 还是低温

还是高压 还是高温等等

无论是怎么样的情况

这个同位素源都会在工作

都会制造中子

所以在任何恶劣的条件下

它都可以使用

这是它的优点

但是它有它的缺点

缺点之一就是产额很难做得很高

通常制造中子的过程

也会伴随着γ射线的产生

所以γ射线总是不可避免的

此外 放射源一旦被质变好

它就总是在衰变

总是在制造中子

因此时刻是存在辐射的

无论是运输 还是安装

还是维护

你都要考虑中子

以及γ射线的辐射安全

没有办法把它关掉

这是它的问题

此外中子的产额

会随着伴随期而衰减

虽然我们刚才说了241Am

你可能并不担心

因为它的半衰期是431年

可是Na-Be源

它的半衰期只有15小时

252Cf源也不过是两年多一点

两年半多一点的时间

所以这是同位素源

它的主要的缺点

下面我们来看一看

第二大类 反应堆中子源

所谓反应堆中子源就是利用

重核裂变来产生中子

这种中子源它的注量率

中子注量率可以很高

所谓中子注量率

就是你在单位时间 单位面积

所能观测到的中子的数量

它的注量率可以达到

10^16 n/(s·cm2)

反应堆中子源

所用到的主要反应

就是这里我们所看到的

中子与易裂变核235U

它们俩发生核反应

发生核反应之后

形成一个236U

处于一个复合核的激发态

这个236U处于激发态

将是不稳定的

因此会发生衰变

衰变的产物是

两个中等质量里边的原子核

这两个中等质量原子核

一个重一点 一个轻一点

我们不妨称一个A* 一个B*

还要再加上xn

那这里面x指的是中子的数量

n当然是中子了

所以这个式子我们再解读一下

一个中子和一个235U

发生核反应的时候

会得到两个中等质量的原子核

以及两到三个中子

这个中子就是反应堆中子源

中的中子的来源

这里我们可以看到

中子和235U发生反应之后

产生裂变中子的能谱

它也是一个蒸发谱

这种中子的平均能量

大约是2MeV

第三种中子源

是加速器的中子源

所谓加速器中子源是

我们加速一个重电粒子

比如质子或者氘核

通过核反应来获得中子

下面我们看一看

来看一下常用的低能核反应

第一个是氘核与氘核的反应

氘核与氘核反应之后

会得到3He与中子

这个反映是个放能反应

它放出3.2265MeV的能量

中子获得了其中的四分之三

也就是2.54MeV

第二种是氘核与氚核

这个反应得到的4He

就是α粒子和中子

反应能是7.586

这是比较高能的

中子得到了其中的五分之四

大约是14.1MeV

因此通过这个反映

我们可以得到一个

能量比较高的快中子

第三个是利用质子和7Li

反应得到7Be和中子

这个反映是个吸能反应

是需要给这个系统

馈入1.646MeV的能量

才能使得反应发生

因此一定要加速器

把这个质子的能量

加速到1.646×8/7这么一个大小之上

才有可能使得这个反应发生

第四个反应是质子和氚反应

得到3He和中子

这个反应

这个反应也是一个吸能反应

馈入系统0.764MeV才可以

第五个反应是氘核和9Be

氘核和9Be反应10B和中子

这是一个放能反应，4.36MeV

最后一个是质子和9Be反应

得到9B和中子

这也是一个吸能反应

这一页我们看到的是

利用（D、D）反应

或者（D、T）反应来制备中子的

中子发生器

大家可以看到这个图

在这里D被离子化

离子化之后我们会得到D离子

然后被加速

加速轰击到这里一个靶

靶已经事先吸附了D

或者T在上面

被加速的D粒子

轰击到这个靶上之后

将会和已经存在的氘核

或者氚发生核反应

发生（D、D）反应

或者（D、T）反应来获得中子

我们看到右下角这个图

就是（D、D）反应

和（D、T）反应的截面曲线

我们可以看到

当能量比较低的时候

蓝色线是高于红色线的

也就是（D、T）反应的截面

比（D、D）反应的截面大

但是随着能量的增高

到了兆电子伏是两到三兆

电子伏以上的时候

（D、D）反应就比较占优了

总体而言我们可以这样认为

（D、T）反应比（D、D）

反应的截面大 大约两个量级

因此当我们加速的能量

只是在几十kev的时候

我们通常会选择（D、T）反应

因此常见的是（D、T）中子发生器

（D、T）中子发生器的产额

多在10^8 n/s

这并不是一个特别大的数字

寿命根据不同的制造商

有几十小时 有数千小时

但是很难比数千小时再长了

它的用途主要用在石油测井

元素分析 国土安全

等等这一类的应用

我们刚才所提到的是

低能的加速器

现在我们知道还有另外一种

高能的加速器

就是把质子加速到GeV

就1000个MeV的时候

让这种高能的质子与原子核

发生碰撞 发生散裂反应

通过这种反应来得到中子

我们举一个例子

用一个GeV的质子

和W来发生核反应 184W

同样把184W打散

打成A和B

两个中等质量的原子核

在这个过程中

会伴生出很多中子

这个中子数量x

大约会是20个

也就是发生一次这样的反应

大约我们会得到20个中子

因此相比反应堆而言

这个反应制造中子的效率

会更高一些

下边大家可以看到

这是一个散列源的质子加速

被加速好的质子轰击一个

散列源的靶

得到中子的过程

这就是中子源的一些知识