中子物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十三章,中子及中子探测,第1页,13.1,中子分类与性质,1、,中子,分类,2)中能中子：,1KeV0.5MeV,。,1)慢中子：,01KeV,。,包含冷中子、热中子、超热中子、共振中子。,3)快中子：,0.5MeV10MeV,。,4)特快中子：,10MeV,。,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2.210,3,m/s.,第2页,2、中子性质,质量：,m,n,1.008665,u,939.565300,MeV,/,c,2,自旋：,s,n,1/2,费米子,电荷：,0，中性粒子,磁矩：,n,1.913042,N,中子寿命：,发生,衰变半衰期,T,1/2,=10.60,min,第3页,13.2,中子源,1),241,Am-Be,中子源,。,属于,(,n,),型中子源。由,241,Am,放射源放出,粒子，打在,Be,上发生反应，产生中子。,性能：,中子产额2.210,6,/,s,.,Ci,T,1/2,433年；,1、,同位素中子源,中子能量为0.111.2MeV，平均5MeV；,n,/,比(中子强度比)为10:1,；,第4页,2)(,n,)型中子源,。,利用,(,n,),反应取得中子。,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,252,Cf,(锎)最惯用。,1,克,252,Cf,发射中子率为,2.3110,13,个中子。半衰期：,T,1/2,(自发裂变)85.5,a,，T,1/2,(,衰变,)2.64,a,。中子平均能量为2.2MeV。,第5页,2、加速器中子源,能够在相当宽能区内取得,单能中子源,。,主要反应,：,对,放能反应,，如,2,H,(,d,n,),3,He,，,3,H,(,d,n,),4,He,，当入射氘核能量不高时(,T,d,200,KeV,)，反应就能够有效进行，当,90时，就可得到能量分别为2.5,MeV,和14,MeV,单能中子,。,第6页,3、反应堆中子源,宽中子能量：0.001eV十几MeV,高中子注量率：,第7页,13.3,中子与物质相互作用,1.,中子散射,1),弹性散射,(,n,n,),中子与物质相互作用实质上是中子与物质靶核相互作用。,出射粒子仍为,中子,、剩下核仍为,靶核,。,出射中子动能：,第8页,反冲核动能：,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，,T,p,=,T,n,第9页,反冲质子,在,试验室座标系,中,能量分布,概率密度函数,为：,即对入射单能中子而言，试验室坐标系中，其,反冲质子,能量分布,是一个,矩形,，最大能量为,T,n,，最小为,零,。这个关系可用于,快中子能谱,测量。,第10页,2),非弹性散射(,n,n,),入射中子能量损失不但使靶核得到,反冲,，且使靶核处于,激发态,。处于激发态靶核退激时放出一个或几个,特征,光子,，在,核分析技术,中有主要应用。,第11页,2.,中子俘获,1)中子,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,经过发射一个或几个,特征,光子,跃迁到基态。这些特征 光子,不一样于,(,n,n,)特征 光子。因为这些 光子发射与复合核寿命相关，普通很快，故称为“,中子感生瞬发射线,”，一样在核分析技术中有主要应用。,复合核形成。,当发生(,n,)反应后，,新形成核素,是,放射性,，就是常说“,活化,”，测量活化核素放射性能够用来测量中子流注量率，区分中子能量范围。,第12页,2),发射带电粒子中子核反应,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,主要伎俩,。,如(n,2n)，(n,np)等，这些反应阈能较高，在810MeV以上，只有特快中子才能发生。,3),裂变反应(,n,f,),4),多粒子发射,第13页,13.4,中子探测基本方法,中子探测特点：,1)中子为,中性粒子,，,不能,直接引发探测介质电离、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,可被探测次级粒子,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,次级粒子,，如,，p，f,等，探测器统计这些次级粒子并输出信号。,3)中子与,辐射体,有较大,作用截面,，以取得较大中子探测效率。,第14页,1.,核反应法,主要核反应有：,反应截面,与,中子能量,关系：,1/,v,规律,，即随中子能量增加，反应截面减小，所以核反应法适合用于,慢中子,测量，尤其是热中子测量。,第15页,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。因为反应能,Q,比较大,，又主要用于慢中子探测，即：,故,出射粒子能量,难以反应,慢中子能量,，所以，核反应法惯用于中子,注量率,测量。这时，,Q,大易于甄别去除,本底信号。,探测介质中含有上述核素,气体探测器,、,闪烁探测器,，或,上述材料作为外辐射体,半导体探测器,均可用,核反应法,进行中子探测。,第16页,2.,核反冲法,中子与靶核弹性碰撞产生反冲核。,主要发生在,氢核,上，惯用,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,：,反冲质子能谱,为,矩形分布,。此法主要用于,快中子,探测，尤其是快中子,能量,测量。所以，探测介质中富含,含氢物质,探测器，如,含氢正比管,、,有机闪烁体,等适合用于核反冲法测量快中子能谱。,第17页,3.,核裂变法,中子与,重核,发生,核裂变,产生,裂变碎片,是,巨大带正电荷粒子,，能使探测器输出信号。经过测量碎片数，可求得中子注量率。,裂变碎片,总动能为,150170MeV,，,形成,脉冲幅度,比,本底,脉冲幅度,大得多,，,可用于,强辐射场,内中子测量,。,热中子可引发核裂变,核：,233,U，,235,U，,239,Pu。如,235,U热中子截面为580,b,。对慢中子满足1/,v,规律，仅适合用于热中子注量率测量。,一些重核只有当中子能量大于某一,阈能,才能发生,核裂变,，可用此判断中子能量区间。,第18页,4.,活化法,选取一些,核素,含有较高,活化截面,，活化后放射性核素也含有较易测量放射性。,如：,测量,粒子发射率,可确定中子,注量率,。普通，,热中子,活化截面,较高，此法适合用于,热中子注量率,测量。,第19页,1.,硼电离室和裂变室,辐射体,：惯用,10,B,和,235,U,；,涂敷在电极表面,工作状态,：普通工作于,电流工作状态,，,裂变室,也可工作于,脉冲工作状态,。,裂变室因为,裂变碎片射程很短,，所以辐射体涂层很薄，为提升探测效率而做成,多层裂变室,。,13.5,惯用中子探测器,硼电离室还常工作于,赔偿型状态,，经过赔偿,消除,本底影响,。,第20页,2.,10,BF,3,和,3,He,正比计数器,工作气体：含,10,BBF,3,或含,高丰度,3,He氦气。,工作状态：,脉冲型,工作状态。,性能特点：BF,3,为负电性气体，性能较差；氦气(尤其是高丰度,3,He)价格昂贵。,第21页,3.,含锂闪烁体,惯用,6,LiI(Eu)晶体；铈激活锂玻璃等。,1)含氢正比计数管气体介质含H,2,或CH,4,。,2)有机闪烁体富含H和C，还能够利用n/,脉冲形状甄别技术，在较强场中测量中子。,4.,利用质子反冲效应探测器,第22页,中心辐射体,是,中子活化材料,，活化后含有,放射性。,粒子作为,荷电粒子,在极板间运动而在外回路中产生输出信号。不需要外加电源，称为,自给能探测器,。,如：,输出信号：,5.,自给能探测器,性能：灵敏度,1.210,-21,A/单位中子注量率;,中子注量率测量范围10,9,10,14,/cm,2,s,;,体积小：直径12,mm,;时间延迟5T,1/2,适适用于堆芯中子注量率测量。,第23页,中子灵敏度,定义：,N,t,为探测器灵敏体积中,辐射体,靶核数,。,13.6,中子注量率测量主要指标,中子灵敏度,反应发生率,中子注量率,第24页,对能量低于30KeV中子：,为,中子密度,(包含30KeV以下各种能量中子)，所以探测器计数直接代表了被测中子场中子密度，即,R,n,。,n,(,E,),为能量,E,处单位能量间隔,中子密度。,v,为,中子速度,。,由,第25页,则，,中子注量率,为：,其中 为中子,平均速度,，为热中子,最可几速度,。,对热中子，在T=20,C时，,故：,则，,热中子灵敏度,为：,第26页,1.,堆芯外用于监测反应堆,功率水平,，探测器置于,压力壳外,。,1)开启量程：中子注量率,10,2,10,4,/,cm,2,s,；,较小,，,本底相对高,；用,脉冲裂变室,或,BF,3,正比计数器,。,3)功率量程：,大于10,10,/,cm,2,s,；,足够大，本底相对较小,；用,电流型裂变室,或,硼电离室,。,13.7,堆用探测器,反应堆中子注量率监测,2)中间量程：,10,6,10,8,/,cm,2,s,；,较大，本底相对仍高,；用,电流型裂变室,或,赔偿型电流硼电离室,。,第27页,2.,堆芯探测器,堆芯内,中子注量率,空间分布。,要求体积小，寿命长；,经典工作条件：,可选取,微型裂变室,，且电极涂,235,U+,239,Pu(可增殖，总积分通量由1.710,21,提升到4.810,21,中子)；也能够用自给能探测器。,第28页,