第4章射线与物质的相互作用课件.ppt

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1、第四章 射线与物质的相互作用,4.1 概述4.2 粒子与物质的相互作用4.3 射线与物质的相互作用4.4 射线与物质的相互作用4.5 射线在物质中的衰减4.6 中子与物质的相互作用,*第4.6节 中子与物质的相互作用,一、中子的基本性质与分类,（一） 中子的基本性质,中子存在于除氢以外的所有原子核中，是构成原子核的重要组分。,自由中子是不稳定的。一个自由中子会自发地转变成一个质子、一个电子(粒子)和一个反中微子，并释放出0.782MeV的能量。,自由中子的不稳定性,因此贮存自由中子是不可能的。,中子的寿命：,自由中子(发生衰变)的半衰期为T1/2=10.60min,中子的电荷：,中子总体是电中

2、性（不带电），是中性粒子。,中子具有强的穿透能力：,中子与物质中原子的电子相互作用很小，基本上不会因使原子电离和激发而损失其能量，因而比相同能量的带电粒子具有强得多的穿透能力。,中子在物质中损失能量的主要机制是与原子核发生碰撞。,产生两个问题：中子的探测（通过与靶核反应或散射产生的带电粒子的测量得到中子能量信息）和对中子的屏蔽及防护。（后续课程要解决的问题）,（二） 中子的分类,慢中子：E1KeV,包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。,其中：热中子的能量约为0.0253eV，与吸收物质原子处于热平衡状态，中子速度2.2103m/s 。,中能中子：E的范围1KeV0.5MeV；,快中子：E的

3、范围0.5MeV10MeV；,特快中子：E10MeV；,二、中子源,为了研究中子与物质相互作用以及它们在实际问题中的应用，首先必须要有能够满足不同要求的中子源以产生所需的中子。,中子源的分类：,加速器中子源,反应堆中子源,放射性中子源,可实现便携式，使用方便，适合野外及现场使用,（一） 加速器中子源,加速器中子源是利用各种带电粒子加速器去加速某些粒子(带电粒子)，如质子和氘等，用它们去轰击靶原子核产生中子。,含义：,这种中子源的特点是可以在较广阔的能区内获得强度适中、能量单一的中子束流。,特点：,在低能加速器上用来产生(020)MeV单能中子的核反应：,式中：Ed是入射氘核的动能，mn，md和

4、mB分别是中子、入射氘核和剩余核的质量，Q是反应能，为中子的出射角。,可见：中子的能量不仅和入射氘的动能Ed有关，而且和中子的出射角有关。,两个反应截面随入射粒子能量的变化如下图所示：,两种反应都会因为氘核破裂产生的破裂中子而受到干扰，限制了能够产生单能中子的能区。 竞争反应过程T(d,np)T和D(d,np)D的阈能分别为3.71MeV和4.45MeV。,是吸热反应(Q0)；,反应：,只能得到(120600)KeV的单能中子，其截面随能量Ep(1.922.4MeV)的变化如右图所示：,是吸热反应(Q0)；,反应：,在=0方向上，可获得(0.297.5)MeV的单能中子，其截面随Ep能量的变化

5、如右图所示：,利用数百MeV的脉冲强流电子束或质子束轰击238U等重靶，可以产生具有连续能谱的强中子源（称“白光”中子源）。,强中子源：,结合飞行时间技术（飞行距离200m或更长）可以一次实验获得宽广能区内不同单能点的中子反应截面曲线。,与单能中子源相比，不仅效率高、能区全，而且系统误差小。,散裂中子源(SNS, Spallation Neutron Source),散裂中子源是目前世界上研究物质微观结构最重要的科学设施之一。它能产生比核反应堆强10100倍的有效中子束流，将其射入被研究的样品，就可以测定物质的内部结构，研究物理、化学性质和变化规律。,工作原理质子通过大型加速器获得高能量后，轰

6、击重元素靶(如：铅、钨、铀、钍靶)，重靶的原子核不稳定而发生散裂反应，从而中子从原子核内发射出来，每个高能量的质子可以使靶核发出2030个中子，瞬间就会形成非常强的中子束流。,散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广，它可以提供从eV几百MeV宽广能区的中子，大大地扩展了中子科学研究的范围，拓深了中子科学研究的领域。,中子慢化后与样品发生散射，由中子散射谱仪接收。科研人员则利用中子谱仪研究样品最本质的结构细节和动力学性质。,中国散裂中子源(CSNS, China Spallation Neutron Source),目前，世界上正在运行的三大散裂中子源包括英国卢瑟福实验室散裂中子源、美国橡树岭国家实

7、验室散裂中子源和日本原子能研究机构散裂中子源。,中国散裂中子源于2011年10月20日在广东省东莞市奠基，其建成后，将成为发展中国家的第一台散裂中子源，并与正在运行的美国、日本、英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲式散裂中子源。,英国散裂中子源已成功运行超过25年，获得大量成果。,日本散裂中子源造价17亿美元，其用户增长极为迅速，正在酝酿建设新的2兆瓦的散裂中子源。,美国散裂中子源造价14亿美元，设计束流功率1.4兆瓦，目前稳定运行在900千瓦，2006年产生中子，还依托散裂中子源建立纳米材料科学中心。,总投资16.7亿元人民币，加速器采用低能直线加速器+高能快循环同步加速器的方案，可以节省投

8、资、易于升级；散裂中子源建在地下5米的隧道内，周围用很厚的钢筋混凝土墙来屏蔽辐射；在屏蔽外，剂量水平远低于天然宇宙线产生的照射。只要加速器一停机，这种瞬发辐射随即消失。,（二） 反应堆中子源,反应堆中子源是利用重核裂变，在反应堆内形成链式反应，不断地产生大量的中子。,含义：,特点：,反应堆中子源的特点是中子注量率大，能谱形状比较复杂。,中子注量率(fluence rate)：,每秒(dt)进入某一截面的单位面积(da)的中子数(dN)，表述为：,反应堆中子源是一个体中子源，它的强度不宜用总的中子数来描述，而是采用中子注量率来表示。,高中子注量率：,产生中子的能量范围宽： 0.001eV十几Me

9、V,右图给出一个热中子反应堆内所测得的中子能谱：,总的来说，一个反应堆内的中子能谱是复杂的，为了从反应堆中得到单能中子，一般利用晶体单色器、过滤器和机械转子等转置加以获取。,（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变时放出的射线，去轰击某些轻靶发生(,n)和(,n)反应，而放出中子的装置。也可直接利用超铀原子核自发裂变中放出的中子作为自发裂变中子源。,含义：,1、 (,n)反应中子源,常用的(,n)反应中子源，是将铀系重核210Po、226Ra，及239Pu，241Am等发射体粉末均匀、紧密地与铍粉(Be粉)相混合并压紧后密封在金属容器内制成，通过如下放热核反应而产生中子

10、：,下表给出常用的几种(,n)放射性中子源的性质：,以241Am为例进行说明：,由241Am放射源放出的粒子，打在Be上发生反应，产生中子。,性能：,中子产额2.2106Ci/s ；,T1/2433年（半衰期长，因此源的中子强度不变）；,中子能量为0.111.2MeV，平均5MeV；,n/比(中子强度比)为10:1（ 241Am源放出的本底干扰小）,2、 (,n)反应中子源,(,n)反应都是吸热的。用这种光中子源产生中子的主要特点是：,优点：中子能量单一；可以提供从20KeV1MeV之间某些能量点的单能中子。,缺点：中子产额低，装置体积大。,利用中子结合能很低的9Be和D作靶核与射线发生作用：

11、,目前用得较多的例如：124Sb-9Be(锑-铍)(T1/2=60.20d)，24Na-D(钠-氘)， 24Na-9Be (钠-铍) (T1/2=15.02h)光中子源分别提供24KeV，0.264MeV和0.97MeV的单能中子。,3、 自发裂变中子源,自发裂变中子源为超铀元素(Z92)。以252Cf (锎)(Z=98)最常用。,1克252Cf 每秒放出2.311012个中子（即中子产额为2.311012s-1g-1）。同时经衰变发出的射线平均能量为0.8MeV，数目为1.31013个。两种射线数目的比值是一个定值。,252Cf同时具有衰变和自发裂变两种衰变方式。经衰变放出的光子的分支比占9

12、6.9%，自发裂变产生中子的分支比占3.1%，有效半衰期为2.64a，中子平均能量为2.2MeV。,三、中子和物质的相互作用,中子与物质的相互作用实质上是中子与物质的靶核的相互作用。,中子因不带电，能进入核内组成复合核。复合核的寿命很短，它很快放出中子，光子或其他带电粒子，甚至核裂变。,中子与物质相互作用的基本特点：,作用对象：原子核,作用方式：各种核反应,当中子能量不同，原子核质量不同时，产生的主要作用形式也不同。,（一）弹性散射(n,n),碰撞后，中子的能量和运动方向均有所改变。,中子的弹性散射更易于发生在与质量数较小的原子核的碰撞过程中。,弹性散射是反应堆中，特别是热中子反应堆中的一种主

13、要中子核反应类型。,热中子反应堆中主要是热中子引发裂变。中子从快中子到热中子的过程主要是依靠与轻核的弹性碰撞而损失能量。,中子的动能损失或反冲核获得的能量为：,从上式可以看出，原子核的质量越小，在弹性散射过程中，中子损失的能量或原子核得到的反冲动能越大。,当 = 0 时，反冲质子能量最大，Ep = En,当反冲核为质子(氢核)时，Mm，上式变为：,探测中子的重要途径：探测散射产生的反冲核获取中子信息。对反冲质子，测量其能量Ep和反冲角即可得到中子能量En 。,（二）非弹性散射(n,n),中子与靶核的碰撞过程，类似于弹性散射，但是靶核的能级状态有所升高。,碰撞后，中子的能量和运动方向均有所改变，

14、伴随着靶核的衰变。高能中子与重核的散射反应主要是非弹性散射。,中子与原子核发生非弹性散射，实际上包括两个过程：,非弹性散射的反应式可以表示如下：,非弹性散射的中子能量存在阈值：,在非弹性散射时，中子损失的能量较弹性散射时大。,非弹性散射有阈值：,只有当中子能量超过阈值时，非弹性散射才能发生。,（三）辐射俘获(n,),中子进入原子核，被吸收后形成复合核。复合核比原来的核多了一个中子，往往处于激发态，在回到基态时放出光子。,作用后，中子已不存在，生成核是靶核的另一种同位素。,辐射俘获是最常见的核反应。结果是生成核比原来原子核大一个质量数的同位素，即 。生成核往往具有放射性。,中子活化：,一个稳定的

15、同位素经中子照射后，生成放射性核，这种现象称为激化或活化。相应的放射性称为人工放射性或感生放射性。,（n,）是制备放射性同位素的重要途径：,对地质试样进行活化分析时，也是利用（n,）反应：,例如：放射性同位素60Co就是利用（n,）反应得到的。,或,60Co是一种常用的放射性源。半衰期为5.25a，衰变时放出1.17MeV和1.33MeV两种能量的射线。,通过测量(n,)反应后的生成核的衰变子体239Np和233Pa，确定试样中的U，Th含量。,239Pu和233U是很好的核燃料，通过(n,)反应，可将自然界中存在的238U和232Th转变成239Pu和233U。,（四）核裂变反应(n,f),

16、含义：,并非所有的物质与中子作用都可以发生裂变。自然界中存在的物质只有235U与中子作用可以发生裂变反应。人工制造的裂变材料包括233U、239U、241Pu等。,中子与重原子核作用时，被靶核所吸收/俘获之后，靶核变成了两个碎片（其它物质的原子核），同时释放出23个中子和大量的能量（结合能）。,裂变过程中产生的中子可以分为瞬发中子和缓发中子。,裂变过程中产生的中子：,瞬发中子：,缓发中子：,绝大部分(99%)的中子是在裂变过程之后的10-8秒放出的，称为瞬发中子。,有很少部分(1%)的中子是在裂变过程之后，经过一段时间才发出的，称为缓发中子。,缓发中子与裂变产物的衰变有关，裂变产物经衰变后，核

17、处于激发态，如果该激发态能量高于中子在核中的结合能，则核会发射中子。,核发射缓发中子有各种不同的半衰期。,（五）产生带电粒子的核反应,中子与某些轻核发生作用时，形成复合核并发出带电粒子。,(n,p)反应是发出质子，(n,)反应是发出粒子。它们的反应能量Q有正有负。放热反应(Q0)原则上在任何中子能量时都可发生。吸热反应(Q0)有一个阈值。,对慢中子只有在轻核情况下才能发生(n,p)和(n,)反应。,和,带电粒子发射：,(n, )反应：,探测中子的重要途径：通过测量与中子反应产生的带电粒子获得中子的信息。,例： n + 14N 14C + p 第一步： 核反应产生质子 第二步 ：质子对物质产生电

18、离作用,人体有大量 H 和 N 原子中子对人体电离效应严重 伤害也严重,(n,p)反应：,多粒子发射：,如(n,2n)、(n,np)等，这些反应的阈能较高，只有特快中子轰击靶核时才能发生。,（六）中子截面,特征：,中子与原子核之间的相互作用与射线相似；,在一次相互作用中失去部分能量、或被吸收；,在单位路程上具有一定的相互作用几率，用截面描述；,没有射程的概念。,中子与原子核的作用，根据中子能量，可产生各种作用过程，用s、s、和f，分别表示弹性散射、非弹性散射、辐射俘获和裂变的截面。,表示方式：,中子在介质中与介质原子的电子发生相互作用可忽略不计。,总截面t应是所有可能各种反应截面之和：,其中辐

19、射俘获和裂变等反应使中子被吸收，这些反应截面之和a定义为中子被吸收截面，即：,宏观截面：,中子和原子核的反应截面，在中子物理中常称为微观截面。,微观截面和靶物质单位体积内原子核数N的乘积，称为宏观截面，用符号表示：,宏观截面的物理意义：,初始入射中子束的强度为I0，穿过x距离后，中子束的强度变成I(x)。再穿过距离dx后，中子束的强度将进一步的减弱，强度的变化为：,上式除以I(x)，得到：,中子在xx+dx内，与靶核发生相互作用的概率,中子束通过靶子的情形,tdx是中子在dx距离内与靶核发生作用的概率。,t的物理意义：中子在靶内单位程长中发生相互作用的概率。,a和s的物理意义：,宏观吸收截面a

20、=Na的物理意义： 表示中子穿过物质单位厚度被吸收的概率。,宏观散射截面s=Ns的物理意义： 表示中子穿过物质单位厚度被散射的概率。,宏观截面的常用单位是cm-1。,宏观截面的计算：,如前所述，微观截面和靶物质单位体积内原子核数N的乘积，称为宏观截面，用符号表示：,靶由单一核素构成：,对靶物质只含一种元素的单一物质，其单位体积内原子核数N：,式中：是物质的密度，A是质量数，NA是阿伏加德罗常数。,则对应的宏观截面为：,靶由多原子分子构成：,对于多原子分子，设分子量为A，每个分子中第i种原子的数目为li，则单位体积内第i 种原子的总数Ni为：,设i是中子和第i 种原子核发生某种反应的微观截面，则

21、相应的宏观截面为：,动能为1eV的中子，在氢核上的微观散射截面是20b，在氧核上的微观散射截面是3.8b，水的密度=1g/cm3，分子量是18，这时中子在水中的宏观散射截面值是多少？,例题：,即表明动能为1eV的中子，在水中经过1cm距离时平均受到1.5次散射。,解：H2O的分子量为18，一个水分子中含2个H原子、1个O原子，则有：,窄中子束的衰减规律：,可见，窄束中子在物质深度x处dx厚度中强度的变化为：,利用初始条件x =0处中子强度为I0，解得：,思考题：,1、中子源有哪三种类型，各具有什么特点？,2、中子和物质的相互作用方式有哪些？对辐射俘获方式进行具体说明。探测中子的原理是利用哪些相

22、互作用方式及其原因。,3、请说明中子宏观截面的物理意义、常用单位以及窄中子束在靶物质中服从的衰减规律表达式。,本 章 结 束谢 谢！,1、中子源有哪三种类型，各具有什么特点？,这种中子源的特点是可以在较广阔的能区内获得强度适中、能量单一的中子束流。利用数百MeV的脉冲强流电子束或质子束轰击238U等重靶，可以产生具有连续能谱的强中子源（称“白光”中子源）。与单能中子源相比，不仅效率高、能区全，而且系统误差小。,加速器中子源的特点：,中子源的三种类型分别为：加速器中子源、反应堆中子源及放射性中子源。,反应堆中子源的特点：,反应堆中子源的特点是中子注量率大，能谱形状比较复杂。,放射性中子源的特点：

23、,包括(,n)、(,n)反应中子源，以及自发裂变中子源。与前两种中子源相比，放射性中子源的特点是可实现便携式，使用方便，适合野外及现场使用。,2、中子和物质的相互作用方式有哪些？对辐射俘获方式进行具体说明。探测中子原理是利用哪些相互作用方式及其原因。,中子与物质相互作用方式主要有：弹性散射、非弹性散射、辐射俘获、核裂变反应、带电粒子发射及多粒子发射。,辐射俘获方式是指：中子进入原子核，被吸收后形成复合核。复合核比原来的核多了一个中子，往往处于激发态，在回到基态时放出光子。作用后，中子已不存在，生成核是靶核的另一种同位素。即： ，生成核往往具有放射性。,探测中子的原理是通过中子与靶核反应或散射产生的带电粒子的测量获取中子信息。如：利用弹性散射探测弹性散射产生的反冲核获取中子信息；利用带电粒子发射测量与中子反应产生的带电粒子获得中子的信息。,3、请说明中子宏观截面的物理意义、常用单位以及窄中子束在靶物质中服从的衰减规律表达式。,中子宏观截面的物理意义：中子在靶内单位程长中发生相互作用的概率。,中子宏观截面的常用单位是cm-1。,窄束中子在靶物质中服从指数衰减规律，表达式为：,其中， 是指宏观总截面。,