chapter.01.中子与物质的相互作用哈工程李伟资料讲解
射线检测技术4-3带电粒子、中子与物质的相互作用
会发生很大的变化，根据经典电磁理论，将产生电磁辐射，这种电磁辐射称
为
轫致辐射。带电粒子的(轫致dd辐Ex射)r引ad起的辐zm2射Z2能2量N损E失率为
所以X射线管中用高能量电子、高原子序数靶 多次散射
电子与靶原子核库仑场发生相互作用时，还可能发生弹性散射，即只改变运 动
方向，不辐射能量。由于电子质量比原子核小得多，因此散射角度可以
(c) 进行粒子放射的吸收
(d) 进行核裂变的吸收
中子射线强度的指数衰减规律
α射线与物质相互作用
•(1) α射线与核外电子作用 •α粒子在物质中通过时，由于α粒子和原子核外电 子的库仑作用，使电子获得能量。如果这种能量能 够使电子克服核的束缚，电子将脱离原子而成为自 由电子，即为电离。如果α粒子传给电子的能量较 小，还不能使电子脱离核的束缚变成自由电子，但 是电子有可能从原来的能级跃迁到更高的能级上去
如电子撞击阳极靶
重带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞时，可能 使靶核激发而损失它的能量，这种过程的激发称 为库仑激发。一般库仑激发概率太小，将不予考 虑。
带电粒子与靶原子核的弹性碰撞
带电粒子与靶原子核发生库仑相互作用而改变其 运动速度和方向，但不辐射光子，也不激发原子 核，碰撞前后保持动量守恒，入射粒子损失能量 ，靶原子核反冲。入射粒子可以多次与靶原子核 发生这种弹性碰撞，造成能量损失。同时反冲的 靶原子核如果能量较高，也可以与靶原子核发生 弹性碰撞，这种级联碰撞可造成靶物质的辐射损 伤。从靶物质对入射粒子的阻止作用来讲，这种 作用过程也称为“核阻止”。
，使原子处于较高的能量状态，即为激发。
荧光光子
散射光子
α射线
e
(a) 激发
中子物理
中子物理讲义（研究生讲座教材）兰州大学物理学院王学智目录绪言第一章Q方程及其应用§1 核反应和反应道§2 Q方程的推导§3 反应阈能和临界能量§4 Q方程的应用§5 L系和C系的出射角转换第二章中子源物理§1 中子产生§2 同位素中子源§3 加速器中子源§4 常用加速器中子源§5 反应堆中子源第三章中子与物质的相互作用§1 基本物理量§2 核反应机制§3 中子与物质相互作用的物理过程第四章中子测量技术§1 长中子计数器§2 伴随粒子法§3 望远镜§4 裂变室§5 活化探测器第五章中子剂量测量方法§1 基本概念§2 中子雷姆仪§3 （n，γ）混合场的吸收剂量测量第六章中子能谱测量§1 反冲质子法§2 特种核乳胶法§3 阈能探测器法§4 中子TOF谱仪§5 聚变中子测温第七章辐射防护问题§1 γ的屏蔽§2 中子屏蔽第八章宏观中子物理§1 中子减速和热化§2 中子在物质中的空间分布§3 多组理论绪言1932年英国人Chachwick 发现中子，这是20世纪物理学发展中的重大事件，它与人工放射性、带电粒子加速技术并列为30年代的原子核研究的三个里程碑。
中子应用于研究物质结构的各门学科中，不仅引起核物理研究的质的飞跃，而且因建立原子核有质子与中子通过强相互作用构成的量子多体体系的认识以及对介子场理论研究和实验研究的深入，并促进粒子物理学发展。
中子应用促进了一系列交叉学科的发展。
核裂变现象不仅为核物理开辟了一个重要分支领域，而且进一步促进核物理－化学的紧密结合－核化学分支。
中子作为改造自然界的工具，在工业、技术、材料、资源等方面的应用，对社会发展、经济增长产生极为广泛的影响。
中子与物质相互作用的主要形式
中子与物质相互作用的主要形式中子与物质的相互作用是一种基本的物理现象，它在原子核物理、中子辐射治疗和中子衍射等领域具有重要的应用价值。
中子与物质的相互作用主要包括散射、吸收和俘获三种形式。
散射是指中子与物质中的原子核或电子相互作用后改变运动方向的过程。
中子与原子核散射的截面主要由核子的弹性散射和非弹性散射组成。
弹性散射是指中子与原子核碰撞后仅改变运动方向而不改变能量的过程，其截面随着中子能量的增加而减小。
非弹性散射是指中子与原子核碰撞后除了改变运动方向外还发生能量转移的过程，其截面与中子能量有关，随能量增加而增大。
中子与电子的散射截面主要与电子的质量和能量有关。
吸收是指中子被物质吸收并转化为其他形式能量的过程。
中子吸收的主要方式是通过中子与原子核的相互作用，被吸收后的中子会使原子核发生裂变或激发，从而转化为核能或电磁能。
中子的吸收截面取决于中子能量、原子核的质量和能级结构等因素。
随着中子能量的增加，吸收截面会减小，但在特定的能量范围内，吸收截面会出现共振增大的现象。
俘获是指中子被原子核俘获并与之发生核反应的过程。
中子的俘获截面与中子能量、原子核的质量和能级结构密切相关。
在低能区，中子的俘获截面主要与热中子速率相关，而在高能区，中子的俘获截面主要与快中子速率相关。
中子的俘获反应可以使原子核发生裂变、放射性衰变或非弹性散射等反应，从而产生核能或放射性同位素。
除了散射、吸收和俘获以外，中子与物质还会发生其他形式的相互作用，如中子与电子的电离作用、中子与原子核的共振吸收等。
这些相互作用形式的研究对于理解中子与物质的相互作用机制以及在核能、医学和材料科学等领域的应用具有重要意义。
总结起来，中子与物质的相互作用主要包括散射、吸收和俘获三种形式。
散射是中子与物质发生碰撞后改变运动方向的过程，吸收是中子被物质吸收并转化为其他形式能量的过程，俘获是中子被原子核俘获并与之发生核反应的过程。
这些相互作用形式的研究对于理解中子与物质的相互作用机制以及在各个领域的应用具有重要意义。
中子的性质及分类及13.2中子源及13.3中子与物质的相互作用
252
中子产额：2.32×106n/sμg 半衰期：2.66年 中子平均能量：2.13MeV 伴随有较强的γ射线，γ发射率：1.3×107/sμg
Cf 142 Ba 106 Mo 4n
Watt分布
N ( E ) C exp( E
) sinh(2.926E ) 1.025
4
3
Q 3.269MeV En 2.5MeV Q 17.59MeV
En 14MeV
中子发生器
（D,D），（D,T）反应
（D,D）反应比（D,T）反应的截面小约2 个量级。 一般常用的是（D,T）中子发生器。
产额多在108n/s。
寿命：几十到几千小时 用途：石油测井、在线元素分析
即使是非裂变核，如W，Pb和Hg， GeV的质子仍可提供足够的能量使 之发生分裂。
除去分裂之外，其它的反应过程都是吸热 的。 相当一部分入射质子的能量消耗在中子 的分离能上。约6 MeV/中子，动能为 2-3 MeV/neutron。
The Spallation Neutron Spectrum
0.10
0.511MeV
X射线的角分布
0.08 0.06
General Rate = 1.469p/e Average Energy = 1.328MeV
Rate
0.04 0.02 0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Energy (MeV)
在X射线检测过程中，电子加速器产生的大量X 射线只有极小一部分被用于成像。 其它大多数都被当作“废物”而屏蔽掉了。 利用（γ,n）反应，可以将这些没有用到的X射 线利用起来，使之转化为光中子，从而可以用 于中子技术分析。
第2章 中子物理基础
加速器中子源的特点是 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。
图兰州大学中子楼
2.2 中子源
表1-2 用在加速器上产生单能中子的核反应
核反应 D(d,n)3He T(d,n)4He
7Li(p,n)3Be
Q值/MeV 3.270 17.590
－1.644 －0.763
入射粒子能 量/MeV 0.1~4.5 0.1~3.8 1.92~2.4 1.15~8.4
(1) 非弹性散射
非弹性散射包括共振非弹性散射和直接非弹性散射 在非弹性散射过程中，入射中子把它的一部分动能（通 常为绝大部分）转变为靶核的内能，使靶核处于激发态， 因此中子能量损失是可观的
2.3 中子与原子核的相互作用
非弹性散射具有阈能的特点，只有当入射中子的动能高 于靶核的第一激发态的能量时，才有可能发生非弹性散射
2.1 中子的基本性质
4. 中子的自旋
中子的自旋角动量为ħ/2，是费米子 它遵守费米统计，服从泡利不相容原理 5. 中子的磁矩 中子具有磁矩： μn =－1.913042 μN μN为核磁子，负号表示磁矩矢量与自旋角动量矢量方向相反 中子包含两个具有-1/3电荷的下夸克和一个具有+2/3电荷 的上夸克，其总电荷为零
(n, α)反应的一般反应式为
A Z
X n [
A 1 Z
X ]
*
Y 2 He Z 2
4
A3
例如，热中子与10B发生(n, α)反应为
10 5
B n 3 Li 2 He
7 4
在低能区，这个反应的截面很大，所以10B被广泛地用作 热中子反应堆的反应性控制材料
2.2 中子源
(3) 自发裂变中子源 常用的自发裂变中子源是252Cf，其半衰期为2.64a，中子 产额为2.31× 1012s-1g-1 中子能谱具有麦克斯韦分布
哈工程核反应堆的核物理第1章核反应堆的核物理基础
1.1 中子与原子核的相互作用
中子性质
中子质量：原子核的核子之一，静止质量在工程计算中近似 取1u。
中子的电荷：中子不带电，在靠近原子核时不受核内正电的排 斥。
中子的波粒二象性：除非对于能量非常低的中子，一般在反应 堆中讨论中子的运动和原子核的相互作用时，都把中子作为一 个粒子来描述。
( E ) ( E )dE
E
R
(E)dE
要计算平均截面或反应E 率，必须首先知道中子通量密度按能量
的分布
截面随中子能量的变化
考察元素反应截面随入射中子能量E变化的特性，可以发现大体 上存在着三个区域：
低能区（E≤1eV）：在该区吸收截面随中子能量的减小而逐渐 增大，即与中子的速度成反比，该区域也叫做1/v区；
表示：
nv
由于各个中子具有不同的运动方向，因而它和中子的流动并没 有直接的关系，它是标量而不是矢量，所以引入中子通量密度。
平均截面
在实际的反应堆内中子并不具有同一速度或能量而是分布在一 个很宽的能量范围内。
中子数关于能量的分布称为中子能谱分布。 平均截面又称为等效截面。
可裂变同位素：只有在能量高于某一阈值的中子作 用下才发生裂变，通常把它们称为可裂变同位素。
1.2 中子截面和核反应率
微观截面
描述：一个粒子入射到单位面积内只含一个靶核的 靶子上所发生的反应概率，或表示一个入射粒子同 单位面积靶上一个靶核发生反应的概率。
公式表示：
s = -VI = - VI / I IN Vx N Vx
平均自由程
描述：中子在介质中运动时，与原子核连续两次相 互作用之间穿行的平均距离叫作平均自由程。
中子与物质相互作用
中子与物质相互作用首先，当能量较低时，通常指的是低于1MeV的能量范围，中子与物质的相互作用主要表现为弹性散射、非弹性散射和吸收。
弹性散射指的是中子与物质中的原子核发生碰撞后发生方向改变而能量没有改变，这种散射过程决定了中子在物质中传输的距离。
非弹性散射指的是中子与物质中原子核发生碰撞后能量发生改变，通常会激发目标核或使其发生裂变。
吸收是指中子被物质完全吸收，也就是中子能量被物质吸收后转化为其他形式的能量，通常是电磁辐射、声能等。
其次，当能量在1MeV到10MeV之间时，中子与物质相互作用的主要表现为能量散失、核激发和反应。
能量散失指的是中子在与物质中原子核碰撞后产生动能损失，从而使中子能量减小。
核激发指的是中子与物质中的原子核碰撞后使其状态由基态激发到激发态，通常伴随着γ射线的发射。
反应是指中子与物质中的原子核碰撞后引起核反应，最常见的一种核反应是中子俘获反应。
最后，当能量超过10MeV时，中子与物质的相互作用主要是强子性和电磁性相互作用。
强子性相互作用指的是中子与物质中的质子和中子发生强相互作用，通常表现为中子与质子的碰撞后产生更多的次级粒子，如π介子、重子等。
电磁性相互作用指的是中子与物质中的原子核和电子发生电磁相互作用，通常表现为中子与原子核或电子发生电离作用、辐射损失等。
中子与物质的相互作用对于核能技术的应用具有重要的意义。
例如，在核反应堆中，中子与核燃料发生反应产生能量，实现核能的利用。
同时，中子与反应堆材料的相互作用也会引起材料的辐照损伤和核改变，这对于核材料的设计和安全性具有重要的影响。
总之，中子与物质之间的相互作用是一个非常复杂的问题，取决于中子的能量范围、物质的性质以及具体的实验条件。
研究中子与物质的相互作用可以帮助我们更好地理解原子核物理学和核能技术的基本原理，并为相关领域的应用提供理论和实验依据。
哈工程《核反应堆物理基础》整理
哈工程《核反应堆物理基础》整理燃耗深度：是燃料贫化程度的一种度量，通常把单位质量燃料所发出的能量称为燃耗深度。
后备反应性：控制棒积分价值微观截面：一个中子和一个靶核发生反应的几率。
宏观截面：一个中子与单位体积靶物质内的原子核发生某类反应的几率或总的有效截面。
平均自由程：中子在相继两次相互作用间所穿行的距离称为自由程，其平均值称为平均自由程。
中子核反应率：单位时间单位体积介质内中子与核发生反应的次数。
裂变产物：裂变碎片和它们的衰变产物都叫裂变产物。
反应堆功率：反应堆单位时间释放出的热能，称反应堆的热功率。
热中子：当慢化下来的中子与弱吸收介质（如堆内的慢化剂）原子或分子达到热平衡时，中子的能量基本上满足麦克斯韦分布规律，这种中子称为热中子。
堆芯寿期：反应堆满功率运行的时间为反应堆的堆芯寿期。
停堆深度：多普勒效应：共振吸收截面随温度展宽的现象，称为多普勒展宽或多普勒效应。
斐克定律：中子流密度J的大小与能量密度梯度成正比。
控制棒的微分价值：控制棒的价值：反应堆定义：核反应堆是一种能以可控方式实现自续链式裂变反应的装置。
原子核结合能：核力与静电斥力之差就是使原子核结合在一起的能力，与之相应的能量称为核的结合能。
剩余功率：来源有二、一为停堆后某些裂变产物还继续发射缓发中子，引起部分铀核裂变；二是裂变产物继续发射的β、γ射线在堆内转化成了热能。
第二种称为衰变热。
碘坑时间：从停堆时刻起直到剩余反应性又回升到停堆时刻的值时所经历的时间称为碘坑时间。
燃耗效应：燃料的耗损将引起剩余反应性的下降，这种效应称为反应性的燃耗效应。
温度效应：因反应堆温度变化而引起反应性发生变化的效应，称反应性的温度效应。
允许停堆时间：若剩余反应性大于零，则反应堆还能靠移动控制棒来启动，这段时间称为允许停堆时间。
强迫停堆时间：若剩余反应性小于零，则反应堆无法启动，这段时间称为强迫停堆时间。
反应堆周期：反应堆内平均中子密度变化e 倍所需的时间。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
18
⑸研究方法 ①中子与物质的相互作用 在反应堆内的核子数密度为：
中子数密度：～1016/m3； 介质核密度：～1028/m3。
中子和介质之间发生相互作用的几率要比中子 之间的相互作用大得多。因此在反应堆物理中 ，仅考虑中子与介质原子核的相互作用。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
⑴作用机制Ⅰ：势散射 势散射是中子与原子核表面势相互作用的结果
。在整个作用过程中，中子并未进入原子核内 部。 在整个过程中，能量与动量的变化为：
散射前后原子核的内能并未发生变化； 整个过程中动能、动量守恒。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
8.中子与物质的相互作用机制
8.中子与物质的相互作用机制
23
⑶作用机制Ⅲ：形成复合核 对于低能核反应，复合核模型认为：反应过程可以分为
两个独立无关的阶段：
中子先与靶核作用后融合成一个处于激发态的新核，即形成 复合核；
复合核按照不同的方式进行衰变，分解为出射粒子和剩余核 。
具体反应式可以写a 为 下A 式 的C * 形 式B ：b
7.反应堆简介
4
⑷反应堆结构 ①堆芯整体结构与压力容器 Ⅰ.压力容器的作用 压力容器的作用为：压力边界与安全屏障。
为了保证冷却冷却剂在较高的温度下仍然不沸腾， 需要对其加压；
在反应堆安全中，压力容器和一回路压力边界还起 着第二道安全屏障的作用。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
2020/5/19
7.反应堆简介
13
将多根燃料棒按照一定的方式排列并用定位格 架加以固定，便构成了燃料组件。
在燃料组件中，一般需要空出其中的若干个位 置用于放置其它设备，如：
控制棒； 可燃毒物； 外中子源（初级源和次级源）； 阻力塞棒； 中子测量管道。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
7.反应堆简介
19
②相对论和量子效应
在反应堆中，中子能量一般小于10MeV，最高也很 难超过20MeV。如果取中子能量为20MeV，那么此 时有：
v
40MeV 931.5MeV
c2
0.207c
可见，β＝v/c＝0.207，其值比较小，因此可不考虑 相对论效应。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
上式中C便是复合核，其处于激发态。 哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
22
⑵作用机制Ⅱ：直接相互作用 当入射中子的能量很高时，中子将直接进入原子核
内部，直接与原子核内的某个核子发生碰撞，将其 从原子核中打出；而入射中子留在原子核内。 称这个反应过程的机制为中子和原子核发生了直接 相互作用。 该作用类型对中子能量要求较高，反应堆中可以忽 略此反应类型。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
7.
5
反 应 堆 简 介
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟
2020/5/19
7.反应堆简介
6
Ⅱ.吊篮 整个堆芯通过吊篮吊装在压力容器筒身法兰的
内凸缘上。 吊篮还起到冷却剂分流的作用。 堆芯冷却剂的温度分布是由底部到顶部逐渐增
加的。 Ⅲ.组件 堆芯的核燃料以组件的形式固定在吊篮内。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
燃料棒包壳的材料一般采用锆（Zr4）合金； 包壳与燃料芯块之间有一层非常薄的间隙； 燃料包壳在反应堆安全中起着第一层屏障的作用，防止
裂变产生的放射性产物进入到一回路的冷却剂中。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
7.
12
反 应 堆 简 介
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟
7.反应堆简介
20
若取中子能量为0.01ev（热中子的最可几能量为 0.0253eV），则：
h4.5510124.551011m
p
E
此时λ仍然比原子间距（10-10m）小一个数量级 ，可不考虑量子效应。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
8.中子与物质的相互作用机制
21
； UO2燃料芯块的样子为圆柱形，两端为浅碟状。
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
7.反应堆简介
10
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
7.反应堆简介
11
Ⅱ.燃料棒 将UO2燃料芯块装在一根薄管中，做成一根密封的
燃料棒：
在燃料棒两端设有弹簧，用于压紧其中的燃料芯块，弹 簧所占据的空间可用于容纳裂变气体；
7.
14
反 应 堆 简 介
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟
2020/5/19
7.
15
反 应 堆 简 介
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟
2020/5/19
7.反应堆简介
16
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
7.
17
反 应 堆 简 介
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
7.反应堆简介
2
⑵反应堆的概念
快中子反应堆
热中子反应堆
气体 冷却剂水
重水 轻水
沸水堆 压水堆
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
7.反应堆简介
3
⑶反应堆的工作流程
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟 2020/5/19
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟
0
2020/5/19
中子与物质的相互作用
岗前培训（70学时）
7.反应堆简介
1
⑴核能的利用形式
能量本质 能量表现形式
核电 核反应放出的能量 热能（裂变碎片的动能）
火电 燃料燃烧放出的化学能 热能（燃料原子的动能）
利用形式
冷却剂将热量传递给二回路的 水，使二回路的水受热产生蒸 锅炉；直接加热水，产生蒸 汽，带动汽轮机做功。（由于 汽，带动汽轮机做功。 放射性）
7.
7
反 应 堆 简 介
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟
2020/5/19
7.
8
反
应
堆
简
+
介
哈尔滨工程大学 核科学与技术学院 李伟
2020/5/19
7.反应堆简介
9
②核燃料的结构 Ⅰ.燃料芯块 一般压水堆中，均采用铀作为核燃料。其中：
235U富集度为3%～5%； 一般采用铀的氧化物UO2作为核燃料（陶瓷材料）