13.4.1 中子探测的特点与探测方法分类在线视频

下面我们来看一看第四个问题

中子探测的特点

和探测方法分类

我们来看看中子探测的特点

中子是不能直接引起

探测介质的电离和激发的

在探测器或探测介质内

必须具备能同中子发生相互作用

并产生可被探测的

次级粒子物质

也就是辐射体才可以

最根本的原因就是中子和光子

它们都是非直接电离粒子

它们都需要通过转换

变成直接电离粒子才能被测量到

这是它们相同的地方

但是中子与光子

也还有不同地方

就是光子是敏感于元素的

而中子是敏感于核素的

中子在某些特殊核素上

会发生核反应 核反冲

或者核裂变这些过程

通过这些过程来制造带电粒子

使得中子可以被测量

因此 在测量中子的时候

我们需要制造带电的次级粒子

这些带电的次级粒子

可能是质子 可能是α粒子

可能是某些子核

有可能是很重的裂变碎片

甚至还有可能是内转换电子

什么样的核素

可以构成良好的中子辐射体呢

有这样四个原则

第一 中子作用截面要大

这就像光子反应里面

我们希望光电截面

康普顿截面

电子对截面要大一样

在中子这我们希望某种核素

它与中子反应的

核作用截面比较大这是第一

第二 由于中子是与核素反应

或者说它是与某元素的

同位素发生反应

而不是与该元素发生反应

如果该元素某同位素的

丰度比较低

我们很有可能得不到很多该核素

总的宏观截面就比较小

导致探测效率比较低

因此为了获得好的探测效率

我们不仅应该选择一个

截面比较大的核素

而且需要该核素的丰度比较高

或者如果不高

你要比较容易的提纯该核素

最终获得一个

比较大的宏观截面

这是第二个

第三个这种反应

应该制造带电粒子

只有制造了带电粒子

才能够在探测器内形成信号

变成我们可测量的一个电信号

第四个带电粒子

应该能够携带足够多的反应能

因为只有足够高的反应能

才会在探测器内

制造更高的载流子

使得统计性更好

使得我们能够在能谱中

更好的分辨中子信号

这是四个特点

基于这四个特点

我们再来讨论一下

中子的探测方法

中子的探测方法

可以有这么四种

第一种核反应法

第二种核反冲法

第三种核裂变法

第四种活化法

下面来看一看常用的核反应

第一个比较常见的

常用的核反应是中子与氦3的反应

中子与氦3反应会变成

氚和质子

这个过程放出764KeV的能量

25.3毫电子伏的中子与氦3

反应的截面是5333b

是比较大的

这个过程不制造γ射线

因此它是比较有利于中子测量

第二个反应是

中子与硼10的反应

中子与硼10反应有两个出射道

一个是Li7与α

一个是Li7的激发态与α

这两个出射道的概率

分别是6.1%和93.9%

当Li7是处于激发态的时候

Li7会放出一个γ射线

γ射线的能量是478KV

硼10与中子的反应截面

当中子是25.3毫电子伏的时候

是3837b

这也是比较大的一个截面

第三个比较常用的反应

是中子和Li6的反应

中子和Li6反应之后

会产生氚与α

这个过程放出一个

比较大的反应能4.786

并且没有γ射线伴生

但是它的截面会稍微小一些

25.3毫电子伏的中子

与Li6反应的截面是940b

在这三种反应中

我们通过测量核反应之后

产生的重带电粒子

就可以实现对中子的测量

例如在氦3探测器中

我们测量的是氚与质子

所携带的总共764Kev的能量

在硼10这个反应核素中

我们测量的是α与Li7

或者α与Li7激发态

这些重带电粒子

所携带的2.79兆

或者2.31兆电子伏的能量

在Li6这个核素中

我们测量的是氚核与α粒子

所携带的4.786兆

电子伏的能量

这些能量在探测器内形成电离

制造载流子

最后变成电子信号

我们就可以认识中子了

在这三类反应中

反应能通常都是

远远大于中子能量的

大家注意

我们这里面讲截面的时候

都讲的是低能中子

25.3毫电子伏

实际中中子能量可能

比25.5毫电子伏大一些

也可能小

但总之中子能量

将会远远小于反应能

与反应能是兆电子伏的量级

由于反应能远远大于中子能量

所以这种反应

只能对低能中子的数量

进行测量

而对低能中子的能量进行测量

是很困难的

这三种核素它们的截面

在中子能量比较低的时候

都遵循1/V规律

也意味着速度降低一个量级

截面增大一个量级

第四个或者是第五个

Gd155以及Gd157

Gd155以及Gd157

它们是吸收截面比较大的

另一种核素

我们以Gd157为例

中子与Gd157发生核反应

然后得到Gd158

这个反应的截面有多大呢

若中子的能量

是25.3毫电子伏

这个截面将会在255000b

这样一个大小

这比氦3要大的多了

中子被Gd157

变成Gd158的激发态

变成复合核的激发态之后

会发生退激

它最主要的方式是γ退激

因此我们会看到很多γ射线

但是 我们也有机会看到电子

这个电子是怎么来的

我们来看一看

中子和Gd157发生了反应

形成了Gd158的复合核

这个复合核

将会处在一个激发态

激发能的高度是7.94Mev

在第四章的学习我们知道

原子核的能级

在低能的时候

往往是单立可数的

越往高 能级密度越大

能级宽度也越大

当能级高度比较高的时候

我们就没有办法看到单个能级

我们将会看到连续能级了

因此在这个图

我们下边可以看到

Gd158的分立能级

但上边我们很难

再看到分立能级了

到这就已经进入连续能区了

所以Gd158它的激发态

是处在7.94Mev

这样一个连续能区

这样高能级的

这样高能量状态的Gd158退激

将会产生γ射线

γ射线将会在这些连续能级

和分裂能级之间去进行选择

通常而言一个Gd158的退激

会造成2到3个γ射线

也就是它是一个

级联的退激过程

当Gd158退激到低能级的时候

会出现一些现象

我们举个例子来看

例如若退激的Gd158的

第一激发态2正

它的能量高度不高

只有79.5KeV

我们注意它右边这个2.52纳秒

这是Gd158的

第一激发能级的半衰期

对于γ退激而言

纳秒是一个比较慢的时间

这就意味着γ退激是很难发生的

我们在第三章的学习知道

γ退激比较慢的时候

别的竞争过程就会比较重要了

一种比较重要的竞争过程

就是内转核电子 所以当γ

当Gd157吸收中子变成Gd158

通过发射γ射线退激

退到这的时候 就有可能

有内转换核电子被我们观测到了

这里边到这个能级的时候

内转换系数是6.02

也就意味着我们看到

一个79.5KeV的γ射线

我们就有可能看到

与该γ射线的能量相关的

6.02个内转换电子

内转换电子显然并不只针对

一组电子跃迁

任何一组电子跃迁

都有可能伴随有内转换电子

这里边这个图

就给出来了一个中子

被Gd157吸收这样一个事件

所导致的内转换电子的数量

以及能量分布

大约每个被Gd157吸收的中子

会造出0.6883内转换电子

此图没有包含内转换过程

后面的俄歇电子

对Gd157这个核素

我们通过测量内转换电子

就可以实现对中子的测量

当然有人也通过测量γ射线

来实现对中子测量

这也是可以的

我们下面来看一看核反冲法

在弹性散射中

中子的能量和方向都会改变

因此与它碰撞的

靶核的能量和方向也会发生改变

在这个过程中

靶核会获得一定的动能

但是没有改变内部状态

这个靶核在这

我们就把它称为反冲核

它是一个运动的带电粒子

通过记录反冲核

在探测器内的电离效果

我们就可以记录中子了

这个方法就叫做核反冲法

核反冲法主要是用在

快中子探测领域内

下面我们来讨论一下反冲核的能量

左上的这个式子

是我们在第四章

已经很熟悉的式子 弹性散射

中子进 中子出 靶核是A

余核仍然是A

当中子射向某靶核A的时候

靶核会获得反冲

中子会被散射掉

这里面θ是散射角

φ是反冲角

现在我们关注的是反冲核

反冲核的能量是多少

它将会是入射中子动能的一部分

是入射中子动能乘上某因子

这个因子就是

这个式子右边的部分

我们可以看到第一部分

是由入射中子

与靶核的质量关系决定的

第二部分是由反冲角决定的

反冲角的范围是0到90度

注意这是在实验室系下观测的

来我们看一看什么情况下

反冲核可以获得最大的动能呢

主要决定于这一项

就是质量关系项

我们注意到

分母肯定是要大于分子的

而且是大于等于

什么时候这个式子取最大值

就是分母和分子相等的时候

相等的时候就是大M

和中子质量相等的时候

什么情况下靶核的质量

和中子的质量相等

那当然就是当靶核为质子的时候

因此我们通常会选择轻核

来作为中子探测器材料

例如塑闪 或者液体闪烁体

它们里面都有很多的质子

由于质子的质量和中子的质量

几乎是一样的

那这里边m和大M就是一样的

则整个式子就近似为1

因此 若我们选质子为靶核

则一次反冲之后

质子的动能是多少呢

就等于入射中子的能量

乘上cosφ的平方

cosφ指的是反冲质子

在实验室系下的反冲角的余弦的平方

当中子的能量

是小于10兆的时候

反冲质子能谱分布

可以被认为是均匀分布

也就是说

在一次中子散射过程中

我们观察反冲质子的时候

我们发现反冲质子能量

可能是En这么大

入射中子能量这么大

也有可能是0这么小

在0与入射中子能量之间

取得一个均匀分布

期间任何一种都是可能的

而且是等概率的可能

不过这种情况

只是对能量比较低的中子

与靶核为质子的时候

才是有效的

这里面我们做了一个模拟计算

黑色这条线就是用4兆的中子

与质子发生碰撞的时候

反冲质子的能谱

如果靶核不是质子而是氦4

或者碳12

我们发现它会变成红线和蓝线

它的分布不是水平的

此外当我们把这个4兆

变成40兆的时候

变成高能中子的时候

就连质子也不会是水平分布了

下面我们来看一看核裂变法

所谓核裂变法

指的是运用一些

可以发生裂变的核素

与中子来发生反应

形成带电粒子出射

进而测量中子的方法

我们先来看一看易裂变核

所谓易裂变核指的是

像u233 u235 pu239这样的

能够与慢中子发生

反应形成的裂变的核素

它的反应是一个慢中子

与易裂变核反应

形成一个复合核

裂变之后得到两个裂变碎片

以及若干个中子

伴随着200兆左右的能量

这200兆左右能量中的大部分

被这两个裂变碎片带走了

这两个裂变碎片

他们在探测器内形成电离

形成信号

最后让我们测量到了中子

由于裂变能将近200兆

是远远大于入射慢中子的能量的

因此核裂变法

是不可能测量中子能量的

通常它只能测量中子的注量

它的好处是

由于裂变能是很大的

因此裂变碎片携带很多能量

在探测器内

电离所形成的信号将会很大

这非常有利于甄别γ射线

这是易裂变核的裂变

与易裂变核相比

还有另外一种叫做阈能裂变

所谓阈能裂变指的是

不仅要中子的加入

而且需要中子

携带足够多的相对运动动能

才能使得裂变发生

这里边我们给出来一些曲线

像pa231 Th232 u234 u236

np237 u238等等

它们的裂变截面

在中子能量比较小的时候很小

只有当中子能量比较高的时候

我们才能看到

比较可观的裂变截面

常用的阈探测器材料器截面

我们可以列出来

比如说像Th232

它的阈值就在1.3兆

也就是说当中子能量

超过1.3兆的时候

中子诱发的Th232的裂变

才变得比较可观起来

pa231是0.5兆 u2581.5兆

可以说

各个这类核素的裂变截面

裂变阈值是不一样的

因此我们可以用

一系列不同阈值的

裂变核素来判断中子能谱

这叫做阈探测器

下面我们来看一下活化法

在活化法中

我们会选用一些具有

较高活化截面的核素

活化后的放射性核素

具有比较容易测量的放射性

通过测量这些放射性

我们就可以测量中子了

举例而言如果我们想测量中子

我们可以把in115

放在中子场中

中子与in115反应变成in116

同时制造一个γ射线

这个γ是瞬发γ

我们通常不会去关心它

我们关心的是in116的

后面的事情

in116会以14.1秒的半衰期

衰变为sn116和β负

以及反电子中微子

通过测量β负

我们就知道了in116的存在

进而可以推断中子的存在

并且知道中子的强度

这类反应是适用于

热中子的注量率的测量

它也可以适用于短脉冲

快中子的测量

最后我们总结一下

中子探测大概有四类方法

核反应法 核反冲法

核裂变法和活化法

应用到的反应类型

在核反应法里边就是nc反应

或者nγe反应

nc反应

就是中子制造带电粒子的反应

nγe反应

就是辐射俘获以及后面的

伴生内转换电子的反应

反冲法是弹性散射

裂变法是中子

诱发的裂变

活化法基本讲

也是辐射俘获反应

所用的材料在核反应中

常见的是硼10 Li6 氦3

Gd155或者Gd157

反冲法最主要的就是氢元素

或者是氢1核素

在裂变法里面的u235 pu239

以及阈值核反应的

其它核素等等

活化法里面像in Au和Dy

这些是常见的材料

核反应法通常

具有比较大的截面

因为核反应法

会用到V分之1规律

当中子能量比较低的时候

截面会在数千b 或者更大

核反冲法通常面对的是快中子

快中子的时候

快中子的波长已经很小了

因此它的截面不可能很大

通常核反冲法的截面

也就是1b这样一个范围

裂变法同样也会

用到V分之1规律

因此慢中子的大波长

将会对核反应的截面有所贡献

当我们是面向u235

或者pu239这样

易裂变核素的时候

截面会在500b这么大

但是当我们面对的是阈值

阈值裂变的时候

这个截面又回到了b的量级

活化法也同样

如果面对的是热中子

它截面也会由于V分之1的原因

在几百b或者数千b

如果是快中子测量的话

也只能是数b的量级

这样看来核反应法

适应于慢中子的注量测量

核反冲法适用于

快中子的能量测量

核裂变法适用于

慢中子的注量测量

而活化法通常适用于慢中子

或者快中子的注量测量

这就是中子探测的特点

和探测方法分类