第4章-射線與物質的相互作用-3課件

第四章射線與物質的相互作用第四章射線與物質的相互作用§4.1概述§4.2α粒子與物質的相互作用§4.3β射線與物質的相互作用§4.4

射線與物質的相互作用§4.5

射線在物質中的衰減§4.6中子與物質的相互作用§4.1概述

***第4.6節(jié)中子與物質的相互作用

***第4.6節(jié)中子與物質的相互作用一、中子的基本性質與分類（一）中子的基本性質

中子存在于除氫以外的所有原子核中，是構成原子核的重要組分。

自由中子是不穩(wěn)定的。一個自由中子會自發(fā)地轉變成一個質子、一個電子(

粒子)和一個反中微子，并釋放出0.782MeV的能量。自由中子的不穩(wěn)定性反映中子的靜止質量稍大于氫原子質量。mn＝1.0086649u＝939.565300MeV/c2mH＝1.007825u＝938.7830MeV/c2因此貯存自由中子是不可能的。一、中子的基本性質與分類（一）中子的基本性質中子

中子的壽命：自由中子(發(fā)生

－衰變)的半衰期為T1/2=10.60min

中子的電荷：中子總體是電中性（不帶電），是中性粒子。

中子具有強的穿透能力：中子與物質中原子的電子相互作用很小，基本上不會因使原子電離和激發(fā)而損失其能量，因而比相同能量的帶電粒子具有強得多的穿透能力。

中子在物質中損失能量的主要機制是與原子核發(fā)生碰撞。產生兩個問題：中子的探測（通過與靶核反應或散射產生的帶電粒子的測量得到中子能量信息）和對中子的屏蔽及防護。（后續(xù)課程要解決的問題）中子的壽命：自由中子(發(fā)生－衰變)的半衰期為T1（二）中子的分類慢中子：E<1KeV包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。其中：熱中子的能量約為0.0253eV，與吸收物質原子處于熱平衡狀態(tài)，中子速度~2.2×103m/s。中能中子：E的范圍1KeV~0.5MeV；快中子：E的范圍0.5MeV~10MeV；特快中子：E>10MeV；（二）中子的分類慢中子：E<1KeV包括冷中二、中子源為了研究中子與物質相互作用以及它們在實際問題中的應用，首先必須要有能夠滿足不同要求的中子源以產生所需的中子。中子源的分類：加速器中子源反應堆中子源放射性中子源性能更好，多用性強，特別是加速器中子源可實現便攜式，使用方便，適合野外及現場使用二、中子源為了研究中子與物質相互作用以及它們（一）加速器中子源加速器中子源是利用各種帶電粒子加速器去加速某些粒子(帶電粒子)，如質子和氘等，用它們去轟擊靶原子核產生中子。含義：這種中子源的特點是可以在較廣闊的能區(qū)內獲得強度適中、能量單一的中子束流。特點：在低能加速器上用來產生(0~20)MeV單能中子的核反應：（一）加速器中子源加速器中子源是利用各種帶都是放熱反應(Q>0)，它們發(fā)射中子的能量為：式中：Ed是入射氘核的動能，mn，md和mB分別是中子、入射氘核和剩余核的質量，Q是反應能，θ為中子的出射角。可見：中子的能量不僅和入射氘的動能Ed有關，而且和中子的出射角θ有關。兩個反應截面隨入射粒子能量的變化如下圖所示：都是放熱反應(Q>0)，它們發(fā)射中子的能量為：兩種反應都會因為氘核破裂產生的破裂中子而受到干擾，限制了能夠產生單能中子的能區(qū)。競爭反應過程T(d,np)T和D(d,np)D的閾能分別為3.71MeV和4.45MeV。是吸熱反應(Q<0)；反應：只能得到(120~600)KeV的單能中子，其截面隨能量Ep(1.92~2.4MeV)的變化如右圖所示：兩種反應都會因為氘核破裂產生的破裂中子而受到是吸熱反應(Q<0)；反應：在θ=0°方向上，可獲得(0.29~7.5)MeV的單能中子，其截面隨Ep能量的變化如右圖所示：利用數百MeV的脈沖強流電子束或質子束轟擊238U等重靶，可以產生具有連續(xù)能譜的強中子源（稱“白光”中子源）。強中子源：結合飛行時間技術（飛行距離200m或更長）可以一次實驗獲得寬廣能區(qū)內不同單能點的中子反應截面曲線。與單能中子源相比，不僅效率高、能區(qū)全，而且系統(tǒng)誤差小。是吸熱反應(Q<0)；反應：在θ=0°方向上，散裂中子源(SNS,SpallationNeutronSource)散裂中子源是目前世界上研究物質微觀結構最重要的科學設施之一。它能產生比核反應堆強10~100倍的有效中子束流，將其射入被研究的樣品，就可以測定物質的內部結構，研究物理、化學性質和變化規(guī)律。工作原理——質子通過大型加速器獲得高能量后，轟擊重元素靶(如：鉛、鎢、鈾、釷靶)，重靶的原子核不穩(wěn)定而發(fā)生散裂反應，從而中子從原子核內發(fā)射出來，每個高能量的質子可以使靶核發(fā)出20~30個中子，瞬間就會形成非常強的中子束流。散裂中子源能提供的中子能譜更加寬廣，它可以提供從eV~幾百MeV寬廣能區(qū)的中子，大大地擴展了中子科學研究的范圍，拓深了中子科學研究的領域。中子慢化后與樣品發(fā)生散射，由中子散射譜儀接收。科研人員則利用中子譜儀研究樣品最本質的結構細節(jié)和動力學性質。散裂中子源(SNS,SpallationNeutro中國散裂中子源(CSNS,ChinaSpallationNeutronSource)目前，世界上正在運行的三大散裂中子源包括英國盧瑟福實驗室散裂中子源、美國橡樹嶺國家實驗室散裂中子源和日本原子能研究機構散裂中子源。中國散裂中子源于2011年10月20日在廣東省東莞市奠基，其建成后，將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，并與正在運行的美國、日本、英國散裂中子源一起，構成世界四大脈沖式散裂中子源。英國散裂中子源已成功運行超過25年，獲得大量成果。日本散裂中子源造價17億美元，其用戶增長極為迅速，正在醞釀建設新的2兆瓦的散裂中子源。美國散裂中子源造價14億美元，設計束流功率1.4兆瓦，目前穩(wěn)定運行在900千瓦，2006年產生中子，還依托散裂中子源建立納米材料科學中心。總投資16.7億元人民幣，加速器采用低能直線加速器+高能快循環(huán)同步加速器的方案，可以節(jié)省投資、易于升級；散裂中子源建在地下5米的隧道內，周圍用很厚的鋼筋混凝土墻來屏蔽輻射；在屏蔽外，劑量水平遠低于天然宇宙線產生的照射。只要加速器一停機，這種瞬發(fā)輻射隨即消失。中國散裂中子源(CSNS,ChinaSpallati（二）反應堆中子源反應堆中子源是利用重核裂變，在反應堆內形成鏈式反應，不斷地產生大量的中子。含義：特點：反應堆中子源的特點是中子注量率大，能譜形狀比較復雜。中子注量率(fluencerate)：每秒(dt)進入某一截面的單位面積(da)的中子數(dN)，表述為：反應堆中子源是一個體中子源，它的強度不宜用總的中子數來描述，而是采用中子注量率來表示。（二）反應堆中子源反應堆中子源是利用重核裂高中子注量率：產生中子的能量范圍寬：0.001eV~十幾MeV右圖給出一個熱中子反應堆內所測得的中子能譜：總的來說，一個反應堆內的中子能譜是復雜的，為了從反應堆中得到單能中子，一般利用晶體單色器、過濾器和機械轉子等轉置加以獲取。高中子注量率：產生中子的能量范圍寬：（三）放射性（同位素）中子源放射性中子源是利用放射性核素衰變時放出的射線，去轟擊某些輕靶發(fā)生(α,n)和(γ,n)反應，而放出中子的裝置。也可直接利用超鈾原子核自發(fā)裂變中放出的中子作為自發(fā)裂變中子源。含義：1、(α,n)反應中子源常用的(α,n)反應中子源，是將鈾系重核210Po、226Ra，及239Pu，241Am等α發(fā)射體粉末均勻、緊密地與鈹粉(Be粉)相混合并壓緊后密封在金屬容器內制成，通過如下放熱核反應而產生中子：下表給出常用的幾種(α,n)放射性中子源的性質：（三）放射性（同位素）中子源放射性中子源是以241Am為例進行說明：由241Am放射源放出的粒子，打在Be上發(fā)生反應，產生中子。性能：中子產額——2.2×106Ci/s；T1/2＝433年（半衰期長，因此源的中子強度不變）；中子能量為0.1~11.2MeV，平均5MeV；n/

比(中子強度比)為10:1（241Am源放出的γ本底干擾?。┮?41Am為例進行說明：由241Am放射源放出的粒2、(γ,n)反應中子源(γ,n)反應都是吸熱的。用這種光中子源產生中子的主要特點是：優(yōu)點：中子能量單一；可以提供從20KeV~1MeV之間某些能量點的單能中子。缺點：中子產額低，裝置體積大。利用中子結合能很低的9Be和D作靶核與γ射線發(fā)生作用：目前用得較多的例如：124Sb-9Be(銻-鈹)(T1/2=60.20d)，24Na-D(鈉-氘)，24Na-9Be

(鈉-鈹)

(T1/2=15.02h)光中子源分別提供24KeV，0.264MeV和0.97MeV的單能中子。2、(γ,n)反應中子源(γ,n)反應都是吸熱的。用這種光3、自發(fā)裂變中子源自發(fā)裂變中子源為超鈾元素(Z>92)。以252Cf

(锎)(Z=98)最常用。1克252Cf

每秒放出2.31×1012個中子（即中子產額為2.31×1012s-1·g-1）。同時經α衰變發(fā)出的γ射線平均能量為0.8MeV，數目為1.3×1013個。兩種射線數目的比值是一個定值。

252Cf同時具有α衰變和自發(fā)裂變兩種衰變方式。經α衰變放出的γ光子的分支比占96.9%，自發(fā)裂變產生中子的分支比占3.1%，有效半衰期為2.64a，中子平均能量為2.2MeV。3、自發(fā)裂變中子源自發(fā)裂變中子源為超鈾元素(Z>92)。以三、中子和物質的相互作用

中子與物質的相互作用實質上是中子與物質的靶核的相互作用。中子因不帶電，能進入核內組成復合核。復合核的壽命很短，它很快放出中子，γ光子或其他帶電粒子，甚至核裂變。中子與物質相互作用的基本特點：作用對象：原子核作用方式：各種核反應主要核反應形式彈性散射(n,n)非彈性散射(n,n’)輻射俘獲(n,γ)核裂變反應(n,f)帶電粒子發(fā)射(n,α),(n,p)多粒子發(fā)射(n,2n),(n,np)當中子能量不同，原子核質量不同時，產生的主要作用形式也不同。三、中子和物質的相互作用中子與物質的相互（一）彈性散射(n,n)Hnnp電離n中子與靶核碰撞過程中，動能、動量守恒，靶核的能級狀態(tài)沒有改變。相當于兩個彈性球的碰撞過程。碰撞后，中子的能量和運動方向均有所改變。中子的彈性散射更易于發(fā)生在與質量數較小的原子核的碰撞過程中。彈性散射是反應堆中，特別是熱中子反應堆中的一種主要中子核反應類型。熱中子反應堆中主要是熱中子引發(fā)裂變。中子從快中子到熱中子的過程主要是依靠與輕核的彈性碰撞而損失能量。（一）彈性散射(n,n)Hnnp電離n中子與中子的動能損失或反沖核獲得的能量為：EM—反沖核的動能；En，En’—分別為碰撞前、后中子的動能；M—反沖核質量；m—中子質量；φ—實驗室坐標系中反沖核的反沖角。式中：從上式可以看出，原子核的質量越小，在彈性散射過程中，中子損失的能量或原子核得到的反沖動能越大。當

=0時，反沖質子能量最大，Ep=En當反沖核為質子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋禾綔y中子的重要途徑：探測散射產生的反沖核獲取中子信息。對反沖質子，測量其能量Ep和反沖角

即可得到中子能量En。中子的動能損失或反沖核獲得的能量為：EM—反沖核的動能；E（二）非彈性散射(n,n’)

中子與靶核的碰撞過程，類似于彈性散射，但是靶核的能級狀態(tài)有所升高。碰撞后，中子的能量和運動方向均有所改變，伴隨著靶核的γ衰變。高能中子與重核的散射反應主要是非彈性散射。中子與原子核發(fā)生非彈性散射，實際上包括兩個過程：首先是中子被原子核吸收，形成一個復合核。但這個復合核不是處于穩(wěn)定的基態(tài)，而是處于激發(fā)態(tài)。很快它就會又放出一個中子，并且放出γ射線，回到穩(wěn)定的基態(tài)。（二）非彈性散射(n,n’)中子與靶核的碰撞非彈性散射的反應式可以表示如下：非彈性散射的中子能量存在閾值：

在非彈性散射時，中子損失的能量較彈性散射時大。

非彈性散射有閾值：Eγ—放出的γ射線能量；式中：M—反沖核質量；m—中子質量；只有當中子能量超過閾值時，非彈性散射才能發(fā)生。非彈性散射的反應式可以表示如下：非彈性散射的（三）輻射俘獲(n,γ)

中子進入原子核，被吸收后形成復合核。復合核比原來的核多了一個中子，往往處于激發(fā)態(tài)，在回到基態(tài)時放出γ光子。

作用后，中子已不存在，生成核是靶核的另一種同位素。

輻射俘獲是最常見的核反應。結果是生成核比原來原子核大一個質量數的同位素，即。生成核往往具有放射性。中子活化：

一個穩(wěn)定的同位素經中子照射后，生成放射性核，這種現象稱為激化或活化。相應的放射性稱為人工放射性或感生放射性。（三）輻射俘獲(n,γ)中子進入原子核，被吸收（n,γ）是制備放射性同位素的重要途徑：對地質試樣進行活化分析時，也是利用（n,γ）反應：

例如：放射性同位素60Co就是利用（n,γ）反應得到的?；?0Co是一種常用的放射性γ源。半衰期為5.25a，衰變時放出1.17MeV和1.33MeV兩種能量的γ射線。

通過測量(n,γ)反應后的生成核的衰變子體239Np和233Pa，確定試樣中的U，Th含量。

239Pu和233U是很好的核燃料，通過(n,γ)反應，可將自然界中存在的238U和232Th轉變成239Pu和233U。（n,γ）是制備放射性同位素的重要途徑：對地質試（四）核裂變反應(n,f)含義：

并非所有的物質與中子作用都可以發(fā)生裂變。自然界中存在的物質只有235U與中子作用可以發(fā)生裂變反應。人工制造的裂變材料包括233U、239U、241Pu等。

中子與重原子核作用時，被靶核所吸收/俘獲之后，靶核變成了兩個碎片（其它物質的原子核），同時釋放出2~3個中子和大量的能量（結合能）。（四）核裂變反應(n,f)含義：并非所有

裂變過程中產生的中子可以分為瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子。裂變過程中產生的中子：瞬發(fā)中子：緩發(fā)中子：絕大部分(99%)的中子是在裂變過程之后的10-8秒放出的，稱為瞬發(fā)中子。有很少部分(1%)的中子是在裂變過程之后，經過一段時間才發(fā)出的，稱為緩發(fā)中子。緩發(fā)中子與裂變產物的β衰變有關，裂變產物經β衰變后，核處于激發(fā)態(tài)，如果該激發(fā)態(tài)能量高于中子在核中的結合能，則核會發(fā)射中子。核發(fā)射緩發(fā)中子有各種不同的半衰期。裂變過程中產生的中子可以分為瞬發(fā)中子和緩發(fā)中（五）產生帶電粒子的核反應中子與某些輕核發(fā)生作用時，形成復合核并發(fā)出帶電粒子。

(n,p)反應是發(fā)出質子，(n,α)反應是發(fā)出α粒子。它們的反應能量Q有正有負。放熱反應(Q>0)原則上在任何中子能量時都可發(fā)生。吸熱反應(Q<0)有一個閾值。帶電粒子從核內發(fā)射出時，必須克服庫侖勢壘的阻礙。勢壘高度隨Z迅速增加對慢中子只有在輕核情況下才能發(fā)生(n,p)和(n,α)反應。和帶電粒子發(fā)射：

(n,α)反應：探測中子的重要途徑：通過測量與中子反應產生的帶電粒子獲得中子的信息。（五）產生帶電粒子的核反應中子與某些輕核發(fā)生例：

n+14N→14C+p

第一步：核反應產生質子第二步：質子對物質產生電離作用人體有大量H和N原子中子對人體電離效應嚴重傷害也嚴重n

p電離14N14C12

(n,p)反應：多粒子發(fā)射：如(n,2n)、(n,np)等，這些反應的閾能較高，只有特快中子轟擊靶核時才能發(fā)生。例：人體有大量H和N原子np14N14C1（六）中子截面特征：中子與原子核之間的相互作用與射線相似；在一次相互作用中失去部分能量、或被吸收；在單位路程上具有一定的相互作用幾率，用截面描述；沒有射程的概念。中子與原子核的作用，根據中子能量，可產生各種作用過程，用σs、σs’、σγ和σf，分別表示彈性散射、非彈性散射、輻射俘獲和裂變的截面。表示方式：中子在介質中與介質原子的電子發(fā)生相互作用可忽略不計。（六）中子截面特征：中子與原子核之間的相互作用與射線相

總截面σt應是所有可能各種反應截面之和：其中輻射俘獲和裂變等反應使中子被吸收，這些反應截面之和—σa定義為中子被吸收截面，即：宏觀截面：中子和原子核的反應截面σ，在中子物理中常稱為微觀截面。

微觀截面σ和靶物質單位體積內原子核數N的乘積，稱為宏觀截面，用符號Σ表示：—稱為宏觀總截面?！Q為宏觀吸收截面?！Q為宏觀散射截面?？偨孛姒襱應是所有可能各種反應截面宏觀截面的物理意義：中子束通過靶子的情形考慮有一靶，其厚度為D，如右圖所示。初始入射中子束的強度為I0，穿過x距離后，中子束的強度變成I(x)。再穿過距離dx后，中子束的強度將進一步的減弱，強度的變化為：上式除以I(x)，得到：中子在x~x+dx內，與靶核發(fā)生相互作用的概率宏觀截面的物理意義：中子束通過靶子的情形考中子束通過靶子的情形

Σtdx是中子在dx距離內與靶核發(fā)生作用的概率。Σt的物理意義：中子在靶內單位程長中發(fā)生相互作用的概率。

Σa和Σs的物理意義：宏觀吸收截面Σa=Nσa的物理意義：表示中子穿過物質單位厚度被吸收的概率。宏觀散射截面Σs=Nσs的物理意義：表示中子穿過物質單位厚度被散射的概率。宏觀截面的常用單位是cm-1。中子束通過靶子的情形Σtdx是中子在dx距離內宏觀截面的計算：如前所述，微觀截面σ和靶物質單位體積內原子核數N的乘積，稱為宏觀截面，用符號Σ表示：靶由單一核素構成：對靶物質只含一種元素的單一物質，其單位體積內原子核數N：式中：ρ是物質的密度，A是質量數，NA是阿伏加德羅常數。則對應的宏觀截面Σ為：宏觀截面的計算：如前所述，微觀截面σ和靶靶由多原子分子構成：對于多原子分子，設分子量為A，每個分子中第i種原子的數目為li，則單位體積內第i種原子的總數Ni為：設σi是中子和第i種原子核發(fā)生某種反應的微觀截面，則相應的宏觀截面Σ為：動能為1eV的中子，在氫核上的微觀散射截面是20b，在氧核上的微觀散射截面是3.8b，水的密度ρ=1g/cm3，分子量是18，這時中子在水中的宏觀散射截面值是多少？例題：靶由多原子分子構成：對于多原子分子，設分子即表明動能為1eV的中子，在水中經過1cm距離時平均受到1.5次散射。解：H2O的分子量為18，一個水分子中含2個H原子、1個O原子，則有：即表明動能為1eV的中子，在水中經過1cm窄中子束的衰減規(guī)律：

中子束通過靶子的情形如前所述，初始入射中子束的強度為I0，穿過x距離后，中子束的強度變成I(x)。再穿過距離dx后，中子束的強度將進一步的減弱，強度的變化為：可見，窄束中子在物質深度x處dx厚度中強度的變化為：利用初始條件x=0處中子強度為I0，解得：窄中子束的衰減規(guī)律：中子束通過靶子的情形思考題：

1、中子源有哪三種類型，各具有什么特點？

2、中子和物質的相互作用方式有哪些？對輻射俘獲方式進行具體說明。探測中子的原理是利用哪些相互作用方式及其原因