中子探測

neutron detection

對中子的數目和能量的測量。在核能的利用、放射性同位素的產生和應用核物理研究中都需要進行中子的探測，然而中子本身不帶電，不會引起電離等作用，不產生直接的可觀察效果，因此中子的探測是通過中子同原子核的相互作用，對反應的產物進行探測。基本的方法有：①反衝質子法。利用中子與質子的彈性散射產生反衝質子。在計數器中充以含氫的氣體，或以含氫的固體做成計數器的入射窗口，通過測量反衝質子的數目和能量分佈可定出中子的數目和能量。②核反應法。利用（n，a）反應或（n，p）反應產生帶電的a粒子或質子來探測中子。用得較多的反應是10 B（n，a）7 Li。將BF3氣體封入正比計數器，中子反應產生的a粒子引起計數。另一種是利用中子的重核裂變反應，由裂變碎片產生的強電離作用探測中子。在電離室內壁塗鈾化合物或室內封入UF6氣體。如果用的是235 U，則對慢中子靈敏；如果用的是238 U，則對快中子靈敏。③活化法。很多元素在中子照射下都能變成放射性核素，因此可以用一片適當材料的薄膜置於中子流中，然後再用通常的計數器測量它的放射性強變。

中子探測物理基礎 用於中子探測的痕迹 原子和亞原子微粒可以通過它們與周圍環境相互作用的痕迹而探測到。這些相互作用由微粒的基本特徵引發。 ·電荷：中子是中性粒子，不會直接電離，所以跟帶電粒子相比很難直接探測到。而且，其運動軌跡僅會對電磁場產生微弱作用。 ·質量：中子質量1.0086649156(6)很難直接探測到，但它對相互作用有影響，而相互作用是可以探測到的。 ·反應：中子與很多材料反應，通過彈性散射產生反衝核，通過非彈性散射產生激發核，或者被吸收而使原子核發生改變。大部分探測方法依賴於檢測大量的反應產物。 ·磁矩：儘管中子磁矩為-1.9130427(5)μN，磁矩探測技術對於中子來說太不靈敏。 ·電偶極矩：根據預言，中子只有極小的電偶極矩，而且至今還沒被探測到。所以這並不是一個可行的探測特徵。 ·衰變：原子核外的中子並不穩定，其平均壽命為885.7±0.8s（大約14分鐘46秒）。自由中子衰變成一個質子，同時釋放一個電子和一個電反中微子，這一過程被稱為β衰變。儘管中子衰變產生的質子和電子可被探測到，但是衰變速度太低，很難作為實際探測系統的基礎。經典中子探測方法 基於以上性質，中子探測主要有以下幾類方法。 ·快速吸收反應-低能中子可以通過吸收反應而探測到。典型吸收材料對於中子吸收具有很高的反應截面，包括He-3、Li-6、B-10、U-235等。它們通過高能電離粒子反應，電離徑跡可以有很多種方法探測到。 ·激活過程-中子可以在輻射俘獲、裂變或類似反應中與吸收物反應而被探測到，反應產物隨後發生衰變，釋放出β粒子或γ射線。某些材料在很窄的能帶里具有極高的反應截面，這有利於中子的俘獲。多種吸收體樣品的使用有利於中子能譜的表徵。 ·彈性散射反應（質子反衝）-高能中子可以通過彈性散射反應而被探測到。中子與探測器中的原子核碰撞，能量傳遞給原子核併產生一個離子而被探測到。當中子所碰撞的原子質量與中子質量相當時，能量傳遞達到最大值，所以含氫的材料是這種探測器的首選介質.中子探測器的類型氣體正比探測器 氣體正比探測器可用於探測中子。中子一般不會產生電離，但是擁有高中子截面的核素增加，讓探測器能對中子進行探測。常用的核素包括He-3、Li-6、B-10、U-235。由於這些材料容易與慢中子（即放慢到與環境保持平衡的中子）反應，它們通常被包上慢化材料。我們需要更多手段來將中子信號與其它輻射產生的效應隔離開來。由於慢中子的能量相對較低，帶電粒子反應是離散化的（即本質上是單能的），而其它反應（例如質子伽馬反應）會跨越很寬的能量範圍，故能與中子源區分開。氣體遊離探測器測量的是數字（計數率），而非中子的能量。He-3充氣正比探測器 作為He的同位素，He-3是一種有效的中子探測器材料，因為He-3能吸收慢中子併產生H-1和H-3。它對γ射線的反應可以忽略不計。不幸的是，作為氚（半衰期12.3年）衰變的副產品，He-3供應是受限的。氚來源於軍工項目（例如核武器的助推器）或反應堆運轉的副產品。BF3充氣正比探測器 由於元素硼不是氣態的，含硼的中子探測器一般用濃縮至含96%B-10（天然硼含20%B-10，80%B-11）的三氟化硼（BF3）。需要注意的是，三氟化硼有劇毒。塗硼充氣正比探測器 塗硼充氣正比計數器的反應與BF3充氣正比探測器類似，區別在於壁上用B-10覆蓋。在這種設計中，由於反應發生在表面，只有一半的粒子會進入正比計數器。閃爍中子探測器 閃爍中子探測器包括液態有機閃爍體、晶體、塑料、玻璃和閃爍纖維。

1957年科學文獻首次報道了Li-6閃爍玻璃用於中子探測，1960和1970年代取得了關鍵進展。閃爍纖維1987年由Atkinson M等人獲得，而主要的進展於1980年代末、1990年代初由西北太平洋國家實驗室取得，並在那裡發展為一門分支學科。閃爍纖維及其探測器目前由Nucsafe公司生產和銷售。

閃爍玻璃纖維通過將Li-6和Ce3+摻入玻璃塊狀混合物而工作。Li-6通過6Li(n,α)反應具有很高的慢中子吸收截面。中子吸收產生一個氚離子、一個α粒子以及動能。α粒子和氚與玻璃基體反應產生電離，並將能量傳遞給Ce3+離子，受激發的Ce3+離子回到基態並釋放出波長為390nm-600nm的光子。每個中子被吸收都會導致包含數千個光子的閃光。一部分閃爍光會穿過作為波導的玻璃纖維。纖維末端與一對光電倍增管進行光學耦合，以探測光子爆發。探測器可用於探測中子和γ射線，這與脈高選擇器有很大區別。在降低纖維探測器對γ射線靈敏度的方面，已經取得了實質性進展。傳統的探測器在0.02mR的γ放射場中就很難識別出偽中子，經過設計、加工、演演算法上的改進，目前已經能在20mR/h（Co-60）的γ放射場中運行。

閃爍纖維探測器具有很高的靈敏度，它們表面粗糙，並能快速響應（~60ns），故能在很寬的動態範圍內進行計數。探測器的優點是能被塑造成任何所需要的形狀，在實際應用中可大可小。而且，它們並不依賴於He-3或任何獲取受限的原材料，也不包含劇毒或受管制的材料。由於在固態玻璃中擁有更高密度的中子吸收物，其在中子總數計數中的性能趕上甚至超過He-3管。甚至Li-6的慢中子吸收截面也比He-3小（940靶：5330靶），Li-6在纖維中的原子密度更是高至50倍，故有效俘獲密度比約為10：1。