第1章 中子源及中子探测
1.1 中子基本性质
中子的概念是由英国物理学家卢瑟福提出，1932年查德威克用α粒子轰击的实验证实了其存在性.中子的发现是20世纪物理学发展中一个极重要的事件，中子的发现与人工放射性、带电粒子加速技术并列为20世纪30年代原子核研究发展中的三个里程碑.
中子的静止质量为1.67492728(29)×10-27kg，自旋为1/2，呈电中性.自由中子是不稳定的，其半衰期约为10.24min，通过放出一个β粒子和一个反中微子衰变为质子.中子的电中性使其很难被直接测量或控制，当中子接近原子核时，其动能几乎不会改变，自由中子与原子核的碰撞遵循宏观下两小球弹性碰撞时的动量定理.任何能量的中子都可以引起核反应，利用这些反应可以对中子进行探测，或实现对材料性质的研究.
中子可根据其能量或速度进行简单分类.在不同领域对各能量中子的分类并无绝对统一的定义，该分类只是大致对中子能量进行分类，方便其描述.
热中子是应用*广泛的中子能量之一，其符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布并且其是*概然动能(约为0.0253eV)的自由中子，对应这一动能的中子速度约为2198m/s，这个速度也是对应于290K温度下麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的*概然速率.该能量的中子具有较大的中子辐射俘获截面，可用于中子活化分析，探索物质元素成分.
将热中子通过液氢或液氘的冷却，则可获得能量为5×10-5～0.025eV的冷中子.该能量的中子由于其波长与材料晶格尺寸相当，常用于中子散射、中子衍射实验，用于分析物质结构.进一步将其通过固体氘或超流液氦的冷却，即可获得能量小于3×10-7eV的超冷中子.
超热中子的能量为0.1～1eV，广泛应用于中子测井中；中能中子的能量为1eV～100keV，常被应用于重核元素的中子共振吸收研究中；快中子的能量约为100keV～14MeV；这些能量的中子通常由中子源产生的快中子与含有轻质核素组成的慢化体相互作用产生.此外，能量大于10MeV的中子通常被称为高能中子，其可通过加速器轰击靶子或高能宇宙射线轰击大气层产生.
中子场或束流的描述可以用分布函数和平均数量表征.中子密度是概率分布函数，其描述了单位体积内中子的数量，而通量(或注量率)是单位时间内穿过单位表面的中子数量.通过简单地将其与中子速度相乘并将其积分归一化，可以从密度分布获得通量分布.
1.2 中子与物质的相互作用
由于中子具有电中性，其不能直接使物质电离.当中子与物质发生相互作用时，其能量损失主要发生在中子与原子核的作用过程中.所以研究中子与物质的相互作用时，主要是研究中子与原子核的相互作用过程.根据中子与物质的反应结果，可以将中子与物质的反应方式分为三种：势散射、直接相互作用和复合核的形成.
1.2.1 势散射
当中子靠近靶核时，受核力作用而散射，这时中子不会引起靶核的能量状态变化，只是把它的部分能量转移给靶核，使其反冲，而散射中子则改变原来的运动方向和动能.这种作用的特点是：散射前后靶核的内能没有变化.入射中子把它的一部分或全部动能传给靶核，成为靶核的动能.势散射后，中子改变了运动的方向和能量.势散射前后中子与靶核系统的动能和动量守恒，所以势散射为一种弹性散射.
1.2.2 复合核反应
由于中子不受库仑场的阻挡，因此被靶核吸收形成复合核，入射中子的一部分动能转化为复合核的动能，另一部分中子动能和中子结合能就转化为复合核的激发能.
1.共振散射
复合核发射中子而退激到基态，称复合核弹性散射.当入射的中子能量正好达到复合核的某个能级时，靶核出现共振，吸收中子，这种共振复合核发射中子后退激的弹性散射称共振弹性散射.共振弹性散射只对特定能量的中子才能发生.
2.非弹性散射
如果复合核释放中子后，剩余核仍处于某个激发态，此过程称为非弹性散射反应，其反应具有阈值.为靶核发生非弹性散射的第一激发能级，当入射中子能量En大于靶核的时，就可能使靶核受激发.复合核发射一个动能较低的中子后，入射中子所损失的那部分动能就转化为靶核的激发能.这时处于激发态的靶核往往通过发射?射线而退激.对于中、重核，第一激发能为0.1～1MeV，而轻核则约10MeV，故只有很高能量的中子才可能与轻核发生非弹性散射.
3.裂变过程
入射中子与重核、U、Pu、Th等碰撞时，形成复合核，高度不稳定的复合核像液滴那样经过一系列振荡、形变，*后分裂成质量相近的两个裂片核.233U、235U和239Pu在En约为0时也能引起裂变反应，称为易裂变核.238U、232Th需要En>1MeV时方能引起裂变.但238U、232Th在慢中子和热中子作用下，生成233U和239Pu，故称为可孕核.裂变碎片的中子/质子比偏高，故极不稳定，裂变碎片发射2～3个中子退激发，形成裂变产物.
4.俘获过程
当入射中子的动能小于靶核内每个核子的平均作用能时，中子与整个原子核发生作用.中子被靶核吸收形成复合核，并处于激发态，其激发能.复合核以发射某种粒子而退激至基态的过程称为俘获反应.
(1)中子被靶核吸收后形成激发态的复合核，通过发射γ射线退激的过程称为辐射俘获.
(2)复合核也可以通过发射α粒子或质子退激，但(n，α)、(n，p)的截面比(n，γ)的截面要小得多.
1.3 中子源项介绍
自然界中是不存在自由中子的，要获得中子需通过核反应，使原子核的激发能大于中子在核中的结合能才能把中子释放出来.借助核反应产生中子并能提供使用的装置叫做中子源，常用的有同位素中子源、加速器中子源和反应堆中子源.中子源的主要指标是中子能量、中子产额、中子角分布及伴生γ射线.
1.3.1 同位素中子源
1.(α，n)中子源
所有的(α，n)中子源都不是单能中子源，其原因是：①α粒子与发射它们的母核物质及靶核物质之间相互作用，使α粒子能量慢化，在范围内的任何能量的α粒子都可产生中子；②一些α粒子发射母体有几种不同的衰变方式，从而就有若干种初始能量的α粒子；③由于角动量效应，每种α衰变后，所产生的中子角分布不同；④由于三体反应的存在，发射中子的能量分布不确定.
(α，n)中子源的产额取决于反应截面，它与α粒子穿透靶核库仑势垒的概率直接相关.只有时，才能发生明显的(α，n)反应，是靶核库仑势垒高度，分别为α粒子和靶核的电荷数，是相互作用半径，以飞米(1fm=1×10-13cm)为单位.9Be库仑势垒大小约4MeV，而铀、钍和锕系元素的?粒子能量在4～6MeV范围内，这就是9Be(α，n)成为*广泛使用的同位素中子源的原因所在，常见的(α，n)中子源及其参数见附录Ⅰ.
2.(γ，n)中子源
(γ，n)反应是吸热反应，要求足够高，而中子在靶核中的结合能足够低，亦即大于中子结合能.实际放射性物质的3MeV，而氘、铍等轻靶核的中子结合能*低，例如.
3.自发裂变中子源
自发裂变中子源是指原子核在没有粒子轰击或不加入能量的情况下发生裂变并产生中子源.目前常见的自发裂变中子源以252Cf为主，其主要参数见附录Ⅰ.
1.3.2 加速器中子源
加速器中子源可分为两类：①单能中子源，强度107～1013n/s；②白光中子源，强度1015n/s.两者的共同优点是强度高，它们都能提供脉冲中子束，方向性强，大多情况下伴生?射线本底低.共同的缺点是设备昂贵复杂.
在加速器上改变被加速的带电粒子p、d、α或HI(重离子)的能量，利用不同核反应，可在不同中子出射方向获得单能中子.常用的加速器有高压倍加器(现常称作中子发生器)、静电加速器(含串列式静电加速器)和回旋加速器.
中子发生器工作电压不高，为几百千伏，但粒子束流大，可达毫安量级.如果使用大面积旋转氚靶，并改善靶的冷却，中子强度可达4×107n/s.常用中子发生器加速d粒子，通过D(d，n)和T(d，n)反应分别提供2.5MeV和14MeV能区的中子，由于高压技术的进步，现已有小型密封中子管的商售产品，其大小仅为φ10cm×200cm，能将12mA的d束加速到120keV，利用T-Ti靶可获得的中子强度为1010～1011n/s.这种中子管还可做成脉冲式，频率在0.1～200Hz范围内，脉宽在102～104μs范围内.但这种高产额小型中子管的使用寿命只有几百小时.
静电加速器加速的粒子能量大大高于前者，为几个兆电子伏，串列式静电加速器则可达几十兆电子伏，粒子能量分散小，约为0.2%，束流稳定且连续可调.加速的粒子的种类原则上没有限制，因而可在1keV～20MeV能区获得单能中子.但束流较低，在100～101A量级.回旋加速器能量高，但调节不便，现多用来获取20MeV以上的准单能中子或是强流中子.
1.3.3 反应堆中子源
世界上有600多座反应堆，大多数为轻水堆、重水堆、固体物质堆(如铀氢锆堆)和脉冲堆.反应堆中子源具有以下特点：中子注量率变化范围宽，从停堆到满功率运行，中子注量率变化8～10个量级；任意功率水平上的中子增殖或下降必须通过中子注量的连续监测反映出来；临界堆的正、负反应性在极短时间内造成功率的迅速上升或下降，因此要求中子监测仪器有快时间的响应.
1.3.4 散裂中子源
用几百兆电子伏至几吉电子伏能量的p、d等轻带电粒子轰击重核，由散裂反应放出中子.例如，把H-在预注入器中加速到665keV，然后注入到直径52m的质子同步回旋加速器中，加速到800MeV，用强度为2.5×1015p/s质子束轰击钽或贫铀靶.散裂中子源的优点是：①中子产额高，17n/p(在Pb靶上)，33n/p(在铀靶上)；②加速器比反应堆易控制；③可按要求调节质子束，脉冲工作时间在纳秒或微秒量级；④中子谱能区跨16个量级；⑤其γ射线本底比电子直线加速器中子源低；⑥通过质子极化可获得整个能区的极化中子.因此，散裂中子源是新一代极具多学科性的且*有前途的中子源.
散裂中子源主要用于凝聚态物理研究中，此外，在n-p轫致辐射、中子寿命、中子电偶极矩测量、极化中子在p波共振中的宇称不守恒研究以及100～103MeV中子截面测量、长寿命核废料嬗变处理、核材料生产、洁净能源开发、同位素生产(包括氚生产)等领域都有重要用途.
1.4 常见中子探测方法及探测器
1.4.1 中子探测基本原理
用于中子探测的核作用基本上有两类：一类是核散射，另一类是核反应(包括核裂变反应).按中子与原子核相互作用其探测原理主要有下述四种.
1.核反应
中子与原子核发生反应后放出能量较高的带电粒子或?射线，可通过记录这些带电粒子或γ射线对中子进行探测.常用的核素有：3He、6Li、10B、155Gd和157Gd等，相应的核反应及其主要特点如下.
1)3He(n，p)3H
反应Q值为0.765MeV，反应截面在热能处为5400b.在热能以上0.l～2.0MeV能区变化平滑.另外，反应产物无激发态.单能中子的响应函数在0.1～1MeV能区是线性分布，因而可用此反应来测量这一能区的中子能谱.
2)6Li(n，t)4He
反应Q值较大，为4.78MeV.反应截面在热能处为940b，在0.001～0.1MeV能区遵循1/v规律.在En≈250keV处有一共振峰，共振处的截面值为3.3b.该反应截面数据已被精确测量和评价.
3)10B(n，α)7Li
反应Q值为2.79MeV.反应截面在热能处为3840b，热能以上至1keV按l/v规律变化.反应剩余核只有7%处于基态，其余93%处于激发态.激发态的寿命很短(约为8×10-14s)，通过放出0.478MeV
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