Radiation Interactions with Matter

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1 Radiation Interactions with Matter
第四讲 射线与物质的相互作用（4） Radiation Interactions with Matter 中子与物质的相互作用

2 1 Neturon Source A. Spontaneous Fission 自发裂变源
1) The most common spontaneous fission source is 252Cf; 2) Half-time:2.65y; 3) the dominant decay mechanism is α decay; 4) the energy spectrum of neutrons is plotted in fig

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4 B. Radioisotope (α, n) Sources同位素源
Several different target materials can lead to (α, n) reactions for the alpha particle energies which are readily available in radioactive decay. The maximum neutron yield is obtained with Be as the target: It’s Q-value:5.71MeV. 2) The 239Pu/Be sources is probably the most widely used of the (α, n) isotopic neutron sources, see table 1-6.

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7 C. Photoneutron Sources
Some radioisotope gamma-ray emitters can also be used to produce neutrons when combined with an appropriate target material. The resulting photoneutron sources are based on supplying sufficient excitation energy to a target by absorption of gamma-ray photon to allow the emission of free neutron. Only two target nuclei, 9Be and 2H, are of any practical signification for radioisotope source.

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9 Notes: 1) The main disadvantage of photoneutron sources:
It is needed that very large gamma-ray activities must be used in order to produce neutron sources of attractive intensity. one gamma ray (105 or 106) → one neutron 2) Some of the more common gamma-ray emitters are 226Ra, 124Sb, 72Ga, 140La and 24Na.

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11 D． Reactions From Accelerated Charged Particle (“neutron generator”)
Because alpha particles are the only heavy charged particles with low z conventiently available from radioisotopes, reactions involving incident protons, deuterons, and so on, must rely on artifically accelerated particles. Two of the most common reaction of this type used to produce neutrons are: D—D 3.26MeV (Q-value) 17.6MeV (Q-value) D—T Notes : 1) 1 mA D (accelerated potentiao 100~300keV) → 109n/s (D-D), 1011n/s(D-T). 2) Other neutron generators (higher energy): 9Be(d,n), 7Li(p,n), 3H(p,n)

12 2 中子的分类与性质 （1）中子的分类 1) 慢中子：0～1KeV。包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。
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) 中能中子：1KeV～0.5MeV。 3) 快中子：0.5MeV～10MeV。 4) 特快中子：>10MeV。

13 （2）中子的性质 质量：mn＝ u＝ MeV/c2 自旋：sn＝1/2, 费米子 电荷：0，中性粒子 磁矩：n＝－ N 中子寿命：发生－衰变的半衰期T1/2=10.60min

14 3 中子与物质的相互作用 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。 （1） 中子的散射 1) 弹性散射 (n,n)
3 中子与物质的相互作用 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。 （1） 中子的散射 1) 弹性散射 (n,n) 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

15 2) 非弹性散射 (n,n’) 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：
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。 2) 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。

16 （2） 中子的俘获 复合核的形成。 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。 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。

17 2) 发射带电粒子的中子核反应 3) 裂变反应 (n,f) 4) 多粒子发射
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。 3) 裂变反应 (n,f) 4) 多粒子发射 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。

18 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。
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。

19 （1） 核反应法 主要的核反应有： 反应截面与中子能量的关系：
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。

20 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：
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。

21 （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： 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。

22 （3） 核裂变法 中子与重核发生核裂变产生裂变碎片，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。

23 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。
（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： 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。

24 应用1：中子活化分析 样品在中子束照射下，通过(n, ) 反应生成放射性核素，不同放射性核素的半衰期和射线的能量都是不同的，如同人的指纹一样， 这叫“核指纹”特征。测量样品的  放射性活度和射线能量，可以确定靶样品中某种核素的含量和种类。 非放射性核素样品置于中子场中受照变为放射性核素样品 取出放射性核素样品冷却合适时间 测量样品的  放射性活度和能量 计算样品的物质成分和含量

25 中子活化分析头发水质样品能谱图 头发的“微量元素谱” 照射冷却4小时后测量 有8种痕量元素，4 周后测量 发现其他元素存在。
 能量 MeV  计数 照射冷却4小时后测量 有8种痕量元素，4 周后测量 发现其他元素存在。 头发的“微量元素谱” 中子活化分析检验出1英寸长头发中的14种元素。科学家认为100万人中，只有两人9种元素可能相同。

26 中子活化（n,）分析探测限 核 素 同位素丰度 探测限* （g） 55Mn 100% 10-11 – 10-12 107Ag 51%
10-9 – 10-10 197Au 10-10 – 10-11 64Ni 1.2% 10-7 – 10-8 75As 202Hg 30% 10-8 – 10-9 65Cu 31% 121Sb 57% 核技术基础知识 * 测量1小时 放射性计数100 探测效率10%

27 应用2：中子测井 中子 测井 中子—中子 中子—伽马 中子活化 中子寿命 利用中子与物质相互作用的各种效应 研究钻井剖面岩层性质的一组方法

28 中子-中子测井 中子源放出快中子，经过一系列碰撞而减弱到热能状态，最后被吸收 中子的空间分布与物质的减速及吸收性质密切相关。
测量源附近中子分布状态来研究岩层减速性质或吸收性质的方法 中子一中子测井 中子一超热中子测井 强减速性元素 氢 中子—热中子测井 强吸收性元素 氯 硼 岩层孔隙度 油气层界面 特殊中子性质矿产 油水层 孔隙度

29 碳和氧的快中子非弹性散射产生能量差别较大的 γ射线（4.43和6.13兆电子伏）
中子-伽马测井 原理：与中子—中子测井法相似。区别在于不是测定中子的空间分布，而是测量热中子被组成岩石的原子核俘获后放出的二次伽马射线。 应用：划分地质剖面、寻找气层和划分气水界面、划分油水界面. 碳和氧的快中子非弹性散射产生能量差别较大的 γ射线（4.43和6.13兆电子伏） γ峰计数比确定碳氧含量比 判别地层油水含量状况

30 中子寿命测井 中子寿命测井：测量热中子被地层俘获所需时间与深度变化关系
热中子寿命τ：　测井探管中中子发生器（中子管）释放出的14兆电子伏脉冲快中子束，与井液和地层原子核发生连续碰撞而很快地被减速成热中子。从脉冲快中子变为热中子的瞬间起，到热中子大部分（约63.7％）被周围物质吸收时止，热中子所经过的这段平均时间。 100个热中子 36个热中子 经历 τ 时间 原理及应用：不同岩性的地层和不同的孔隙液体，热中子寿命 τ 不一样，可以利用它来区分油水层，划分油、气、水界面。 油气层和含盐量高的水层含氯量差别很大，氯对热中子有特殊俘获能力 中子寿命测井是划分油水层的重要方法。

31 谢谢！

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33 2 中子源 (1) 同位素中子源 1) 241Am-Be中子源。 性能：中子产额——2.2×106/s.Ci
2 中子源 (1) 同位素中子源 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.Ci T1/2＝433年； 中子能量为0.1~11.2MeV，平均5MeV； n/比(中子强度比)为10:1；

34 2) (,n)型中子源。 利用(,n)反应获得中子。 3) 自发裂变中子源
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。

35 2、加速器中子源 3、反应堆中子源 高中子通量： 宽中子能量：0.001eV~十几MeV 可以在相当宽的能区内获得单能中子源。
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。 主要反应： 3、反应堆中子源 高中子通量： 宽中子能量：0.001eV~十几MeV