中子探測技術

中子探測基本原理

中子不帶電，因此通過物質時和物質中的電子不發生作用，不能直接引起電離，而是通過與原子核相互作用產生能引起電離的次級粒子才能被記錄。中子與原子核的相互作用有核反應、核反沖、核裂變、活化等。

中子按能量可大致分為慢中子（<1keV）、中能中子（1~100keV）、快中子（0.1~20MeV），能量0.0253eV的中子通常稱為“熱中子”，這種中子與室溫下周圍介質大量的分子處于熱平衡狀態，亦即它的能量相當于周圍介質分子熱運動的能量。分子熱運動最可幾的能量是E=kT，其中k是波爾茲曼常數：k=1.38×10^-23J/K，T是介質絕對溫度。以T=293K（即20^°C）代入，可得熱中子能量E=0.0253eV，或中子速度v=2200m/s。比熱中子能量更低的還有冷中子、共振中子、超熱中子、超鎘中子等，這些都是表示不同能量的中子，但沒有明確的能量界限。下面將介紹幾種常用的中子探測方法。

一、核反應法：中子本身不帶電，與原子核不發生庫侖作用，因此容易進入原子核，發生核反應。選擇某種能產生帶電粒子的核反應，記錄下帶電粒子引起的電離激發現象，即可探測中子。這種方法主要用于探測慢中子的強度，個別情況下也可用來測量快中子能譜。目前應用最多的是以下三種核反應：

                                                                n + ¹⁰B → α + ⁷Li + 2.792MeV                 σ₀=3837±9b

                                                                n + ⁶Li → α + ³T + 4.786MeV                   σ₀=940±4b

                                                                n + ³He → P + ³T + 0.765MeV                 σ₀=5333±7b

中子與其他原子核反應截面一般是幾靶，因此上述三種反應截面都很大，常采用這三種核反應來探測中子。

		左圖為三種核的中子核反應截面與中子能量的，其中10B（n,α）反應目前應用的最廣泛，因為硼的材料比較容易獲得。氣態的可選用BF3氣體，固態的可選用氧化硼或碳化硼。天然中10B的含量約為19.8%，為了提高探測效率，在制造中子探測器的時候常采用濃縮硼（10B含量96%以上），而濃縮硼的獲得也并不很困難。所以目前利用這種核反應的中子探測器占很大比重。         6Li（n,α）反應是三種反應中放出的能量是最大的，因此在三種核反應中具有最好的n/γ抑制比。但是Li沒有合適的氣體化合物，使用時只能采用固體材料。其中基于6LiF/ZnS閃爍體和波移光纖結構的大面積位置靈敏型熱中子探測器已成為近些年的研究熱點，中國散裂中子源工程的高通量粉末衍射儀即擬采用這種探測器形式。

³He（n,P）是三中反應中反應截面最大的，但是³He在天然中的豐度非常低，大約只有1.4×10^-4%，獲取十分困難，價格十分昂貴。因此很多實驗組都開始研發新型中子探測器來代替基于³He的中子探測器。

 二、核反沖法：入射能量為E的中子和原子核發生彈性散射時，中子的運動方向改變，能量也有所減少，中子減少的能量傳遞給原子核，使原子核以一定速度運動，這個原子核就稱為“反沖核”。反沖核具有一定電荷，可以作為帶電粒子來記錄，記錄到反沖核也就探測到了中子。主要用來探測快中子。

由能動量守恒可知，反沖核質量越小，獲得的能量就越大，因此核反沖法中常用氫做輻射體，此時也稱“反沖質子法”。發生散射后，反沖質子的能量和出射方向可由能動量守恒算出：

                                                                                                E_p = E_ncos²φ

φ=0時，相當于入射中子和氫原子核發生正碰，反沖核獲得能量最大，E_p=E_n。核反沖還可以測量快中子能量。當φ一定時，E_反沖正比于E_n。實際中測量沿入射中子束方向張角為±10度的反沖質子，此時探測器接收到的質子數較多，反沖質子的能量粗略地等于入射中子的能量。

三、核裂變法：中子與重核作用可以發生裂變，裂變法就是通過記錄重核裂變碎片來探測中子的方法。對于熱中子、慢中子，總是選用²³⁵U、²³⁹Pu、²³³U做裂變材料。它們的熱中子裂變截面如下表所示：

中子引起裂變時放出的能量很大，約200MeV，兩個裂變碎片共帶走約165MeV能量。入射中子能量一般都遠小于這個數值，因此這種方法不能直接用來測定中子能量，主要用來測定中子通量。由于裂變法放出的能量很大，γ本底對測量幾乎沒什么影響，因此該法可在強γ本底下測量中子。

許多重核都是在入射中子能量大于某個閾值后才能發生核裂變，因此可以利用這一特定來判斷中子的能量，做成了”閾探測器“。

四、活化法：中子和原子核相互作用時，輻射俘獲是主要的作用過程。中子很容易進入原子核形成一個處于激發態的復合核，復合核通過發射一個或者幾個光子迅速退激回到基態。這種俘獲中子放出γ輻射的過程稱為“輻射俘獲”，用（n，γ）表示。一個典型的例子是¹¹⁵In做激活材料，它受中子輻照時發生如下反應：

                                                                                    n + ¹¹⁵In → ¹¹⁶In → ¹¹⁶In + γ

新生成的核素一般都是不穩定的，本例中生成的¹¹⁶In就是β放射性的，衰變方式如下：

                                                                                              ¹¹⁶In → ¹¹⁶Sn + γ

這種現象稱為“活化”或“激活”，所產生的放射性稱為”感生放射性“。測量經過中子輻照后樣品的放射性，即可知道中子的強度，這就是活化法。

綜上所述，中子探測的4中基本原理，就是中子與原子核相互作用的4種基本作用過程。目前廣泛使用的各種中子探測器基本上都是基于以上4種原理開發的。中國散裂中子源工程探測器組目前主要從事閃爍體中子探測器、多層涂硼GEM監測器以及高氣壓³He多絲正比室三種探測器的開發，同時也研發新型中子探測器。