中子应用

自1932年发现中子以来，中子在现代科学的许多领域都发挥着重要作用。中子的发现立即为科学家们探索原子核的性质提供了一种新的工具。特别是，中子及其性质的发现对发展核反应堆和核wu器具有重要意义。中子起关键作用的主要分支总结如下：

核反应堆

核反应堆是核电站、核研究设施或核推进船舶的关键设备。核反应堆的主要目的是启动和控制持续的核链式反应。核链式反应仅通过自由中子启动、维持和控制。链式反应是指单个核反应（中子诱发裂变）导致一个或多个后续核反应的平均值，从而导致这些反应的自蔓延系列的可能性。“一个或多个”是反应堆物理的关键参数。为了提高或降低功率，必须改变反应量，分别是核芯中的自由中子量（使用控制棒）。

材料结构分析（中子衍射技术）

中子衍射实验使用弹性中子散射来确定原子（或磁性）结构。中子衍射是基于这样一个原理，即热中子或冷中子的波长与原子间距相似。受检样品（晶体固体、气体、液体或非晶态材料）必须放置在热中子束（0.025 eV）或冷中子束（与极冷环境（如液态氘）处于热平衡的中子）中，以获得衍射图案，提供有关受检材料结构的信息。中子衍射实验与X射线衍射实验相似，但中子与物质的相互作用不同。光子（X射线）主要与原子核周围的电子（原子电子云）相互作用，但中子只与原子核相互作用。原子核周围的电子（原子电子云）和带正电的原子核产生的电场都不会影响中子的飞行。由于它们的性质不同，两种方法（中子衍射和X射线衍射）都可以提供有关材料结构的补充信息。

医学应用

1932年发现中子后不久，中子的医学应用就开始了。中子是一种高度穿透性和离子化物质，可用于放射治疗或硼捕获治疗等医学治疗。但是，当它们被物质吸收时，中子激活了物质，使物质（靶区）具有放射性。

材料成份测定（中子活化分析）

       中子活化分析是一种测定被检材料成分的方法。该方法发现于1936年，是定量分析常量、微量、痕量和稀有元素的前沿方法。该方法基于中子活化，首先用中子辐照分析样品，以产生特定的放射性核素。这些产生的放射性核素的放射性衰变对每种元素（核素）都是特定的。每种核素都会发出特征伽马射线，使用伽马能谱进行测量，在特定能量下检测到的伽马射线指示特定的放射性核素，并确定元素的浓度。这种方法的主要优点是中子不会破坏样品。该方法也可用于确定核材料的富集程度。

       首先用中子辐照分析样品，以产生特定的放射性核素。这些产生的放射性核素的放射性衰变对每种元素（核素）都是特定的。

前沿科研（散裂中子源）

当一个中等能量的质子打到重核（钨、汞等元素）之后会导致重核的不稳定而“蒸发”出20-30个中子，这样重核“裂开”并向各个方向“发散”出相当多的中子，大大提高了中子的产生效率，按这种原理工作的装置称为散裂中子源。

散裂中子源的出现突破了反应堆中子源中子通量的极限。当快速粒子如高能质子轰击重原子核时，一些中子被“剥离”，或被轰击出来，在核反应中被称为散裂。散裂反应和裂变反应的不同点是：它不释放那么高的能量，但它可以将一个原子核打成几块，可能是三块，也可能是四块，这个过程中会产生中子、质子、介子、中微子等产物，对开展核物理前沿课题研究和应用研究非常有用，且所产生的中子还会在相临的靶核上继续通过核反应产生中子即核外级联。一个质子在后靶大概可以产生20到30个中子，这是散裂中子源的基本条件。

中子探测

中子的探测非常特殊，因为中子是电中性粒子，因此它们主要受强核力的影响，而不受电力的影响。因此，中子不会直接电离，通常必须先转化为带电粒子才能被探测到。通常，每种类型的中子探测器必须配备转换器（将中子辐射转换为普通可探测辐射）和一种常规辐射探测器（闪烁探测器、气体探测器、半导体探测器等）。

中子转换器

有两种中子与物质相互作用类型可以用于中子转换器：

1、弹性散射。自由中子可以被原子核散射，将其部分动能转移到原子核。如果中子有足够的能量散射出原子核，反冲的原子核就会使转换器周围的物质电离。事实上，只有氢和氦原子核才足够轻，可以用于实际应用。以这种方式产生的电荷可由常规探测器收集以产生检测信号。中子可以将更多的能量传递给轻核。该方法适用于检测快中子（快中子没有高的吸收截面），允许在没有慢化剂的情况下检测快中子。

2、中子吸收。这是一种允许检测整个能谱中子的常用方法。该方法基于各种吸收反应（辐射捕获、核裂变、重排反应等）。中子在此被发射次级粒子（如质子、α粒子、β粒子、光子（γ射线）或裂变碎片）的目标材料（转换器）吸收。有些反应是阈值反应（需要最少的中子能量），但大多数反应发生在超热能和热能下。这意味着需要慢化快中子，导致中子能量信息较差。中子转换器材料最常见的核有：

10B（n，α）。其中，热中子的中子俘获截面σ=3820，天然硼丰度为10B 19,8%。

3He（n，p）。其中，热中子的中子俘获截面σ=5350，天然氦的丰度为3He 0.014%。

6Li（n，α）。其中，热中子的中子俘获截面σ=925，天然锂的丰度为6Li 7,4%。

113Cd（n，ɣ）。其中，热中子的中子俘获截面σ=20820，天然镉的丰度为113Cd 12,2%。

235U（n，裂变）。其中，热中子的裂变截面σ=585，天然铀的丰度为235U 0.711%。铀作为转换器产生裂变碎片，这些碎片是重带电粒子。这有很大的优势。重带电粒子（裂变碎片）产生高输出信号，因为碎片在探测器敏感体积中沉积了大量能量。这使得背景辐射（即伽马辐射）易于识别。这一重要特征可用于核反应堆功率测量，其中中子场伴有明显的伽马背景。

热中子探测

热中子是在温度为290K（17°C或62°F）的周围介质中处于热平衡的中子。17°C（62°F）下麦克斯韦分布的最可能能量为0.025 eV（~ 2 km/s）。中子能谱的这一部分是热反应堆能谱中最重要的部分。

对于给定的核素，热中子的有效中子吸收截面（裂变或辐射俘获）不同于快中子，并且通常要大得多。

一般来说，有许多检测原理和多种类型的检测器。在核反应堆中，气体电离探测器是最常见的，因为它们非常有效、可靠，并且覆盖范围很广。各种类型的气体电离探测器构成了所谓的堆外核仪器系统（NIS：excore nuclear instrumentation system）。堆外核仪表系统通过检测反应堆堆芯的中子泄漏来监测反应堆的功率水平。

用电离室探测中子

电离室通常用作带电粒子检测装置。例如，如果电离室的内表面涂有一层薄薄的硼，则会发生（n，α）反应。大多数热中子的（n，α）反应是10B（n，α）7Li反应，伴有0.48MeV

此外，同位素硼-10在整个中子能谱上具有较高的（n，α）反应截面。α粒子在电离室内引起电离，而喷出的电子引起进一步的二次电离。

使用电离室检测中子的另一种方法是使用气体（BF3）代替电离室中的空气。入射中子与探测器气体中的硼原子反应时产生α粒子。这两种方法都可以用来探测核反应堆中的中子。必须注意的是，BF3计数器通常在比例区域内工作。

裂变室-宽量程探测器

裂变室是用来探测中子的电离探测器。裂变室可用作中程探测器，以监测中等通量水平的中子通量（反应堆功率）。它们还提供指示、警报和停堆信号。选择该仪器的设计是为了在源量程通道和功率量程仪器的全量程之间提供重叠。

对于裂变室，裂变室涂有一层薄薄的高浓缩铀-235，以检测中子。中子不是直接电离的，通常必须先转化为带电粒子才能被探测到。热中子将导致铀-235原子裂变，产生的两个裂变碎片具有高动能，并导致探测器内氩气电离。使用铀-235涂层而不是硼-10的一个优点是，裂变碎片的能量远远高于硼反应产生的α粒子。因此，裂变室对中子通量非常敏感，这使得裂变室能够在比有硼衬里的无补偿离子室更高的伽马场中运行。

活化箔和熔丝

中子可以用活化箔和熔丝探测。该方法基于中子活化，首先用中子辐照分析样品，以产生特定的放射性核素。这些产生的放射性核素的放射性衰变对每种元素（核素）都是特定的。每种核素都会发出特征伽马射线，这些伽马射线使用伽马能谱进行测量，在特定能量下检测到的伽马射线指示特定的放射性核素，并确定元素的浓度。

活化箔的选定材料包括：铟、金、铑、铁、铝、 铌        

这些元素有很大的横截面用于中子的辐射俘获。使用多个吸收体样品可以表征中子能谱。活化还允许再现历史中子暴露。商用临界事故剂量计通常使用这种方法。通过测量薄金属箔的放射性，我们可以确定金属箔暴露的中子量。

磁通线可用于核反应堆中测量反应堆中子通量分布。原则是一样的。电线或箔材直接插入反应堆堆芯，在堆芯中保持激活至所需水平所需的时间长度。活化后，快速从反应堆堆芯上移除磁通线或箔，并计算放射性。活化箔还可以通过在箔上盖上盖子过滤（吸收）某些能级中子来区分能级。例如，镉被广泛用于在热中子过滤器中吸收热中子。

快中子探测

快中子是动能大于1 MeV（约15000 km/s）的中子。在核反应堆中，这些中子通常被称为裂变中子。裂变中子具有麦克斯韦-玻耳兹曼能量分布，平均能量（235U裂变）为2 MeV。在核反应堆内，快中子通过一种称为中子慢化的过程被减慢到热能。这些中子也由核裂变或（α，n）反应等核过程产生。

一般来说，有许多检测原理和多种类型的检测器。但必须补充的是，快中子的探测是一门非常复杂的学科，因为快中子的反应截面比慢中子的能量范围小得多。快中子通常是通过先将它们慢化（减慢）为热能来探测的。然而，在这个过程中，中子的原始能量、传播方向和发射时间的信息丢失了。

质子反冲-反冲探测器

快中子最重要的探测器类型是直接探测反冲粒子的探测器，特别是弹性（n，p）散射产生的反冲质子。事实上，只有氢和氦原子核才足够轻，可以用于实际应用。在后一种情况下，反冲粒子在探测器中被检测到。中子可以将更多的能量传递给轻核。该方法适用于检测快中子，允许在没有慢化剂的情况下检测快中子。这种方法允许测量中子能量和中子注量，即探测器可用作光谱仪。典型的快中子探测器有液体闪烁体、氦-4基惰性气体探测器和塑料探测器（闪烁体）。例如，塑料的氢含量很高，因此，当用作闪烁体时，它对快中子探测器很有用。

邦纳球体光谱仪（Bonner Spheres Spectrometer）

探测慢中子的方法有几种，探测快中子的方法很少。因此，测量快中子的一种技术是将它们转换为慢中子，然后测量慢中子。一种可能的方法是基于Bonner球体。1960年，尤因和汤姆·W·邦纳描述了该方法，并将热中子探测器（通常是无机闪烁体，如6LiI）嵌入不同尺寸的减速球中。邦纳球已被广泛用于测量中子能谱，中子能量范围从热到至少20 MeV。邦纳球中子光谱仪（BSS）由一个热中子探测器、一套聚乙烯球壳和两个不同尺寸的可选铅壳组成。为了探测热中子，可以使用3He探测器或无机闪烁体，如6LiI。激光闪烁体在探测热中子方面非常流行。LiGlass闪烁体的优点是其稳定性和尺寸范围大。

用闪烁计数器探测中子

闪烁计数器用于测量各种应用中的辐射，包括手持式辐射测量仪、放射性污染的人员和环境监测、医疗成像、辐射测定、核安全和核电厂安全。它们被广泛使用，因为它们制造成本低廉，但效率很高，并且可以测量入射辐射的强度和能量。

闪烁计数器可用于检测α、β、γ辐射。它们也可用于探测中子。为此，使用了不同的闪烁体。

由于中子是电中性粒子，它们主要受强核力作用，但不受电力作用。因此，中子不会直接电离，通常必须先转化为带电粒子才能被探测到。通常，每种类型的中子探测器必须配备转换器（将中子辐射转换为普通可探测辐射）和一种常规辐射探测器（闪烁探测器、气体探测器、半导体探测器等）。快中子（>0.5 MeV）主要依赖于（n，p）反应中的反冲质子。因此，富含氢的材料，例如塑料闪烁体，适合其检测。热中子依靠（n，γ）或（n，α）等核反应产生电离。因此，LiI（Eu）或玻璃硅酸盐等材料特别适合探测热中子。6LiGlass闪烁体的优点是其稳定性和尺寸范围大。