中子探测技术
中子探测器的技术发展与应用
中子探测器的技术发展与应用在现代科学技术的广阔领域中，中子探测器宛如一位默默耕耘的“幕后英雄”，在众多重要的应用场景中发挥着关键作用。
从基础科学研究到工业生产，从医疗诊断到国家安全，中子探测器的身影无处不在。
要理解中子探测器，首先得明白中子的特性。
中子是一种不带电的粒子，这使得它们难以直接被探测。
但科学家们凭借着智慧和不懈的努力，开发出了多种巧妙的技术来捕捉这些“神秘来客”。
早期的中子探测器主要基于核反应原理。
其中，最常见的是使用硼或锂等材料。
当中子与这些材料发生反应时，会产生带电粒子，如α粒子或质子。
这些带电粒子随后可以通过电离室、正比计数器或盖革计数器等装置被探测到。
这种方法虽然简单直接，但在探测效率和分辨率方面存在一定的局限性。
随着技术的不断进步，闪烁体探测器逐渐崭露头角。
闪烁体材料在受到中子撞击时会发出闪光，通过光电倍增管将这些闪光转化为电信号，从而实现对中子的探测。
闪烁体探测器具有较高的探测效率和时间分辨率，在许多领域得到了广泛应用。
例如，在核物理实验中，它们能够帮助科学家精确测量中子的能量和飞行时间。
半导体探测器是另一种重要的中子探测技术。
半导体材料如硅或锗在受到中子照射时会产生电子空穴对，通过外加电场收集这些电荷，就可以得到与中子相关的信号。
半导体探测器具有体积小、能量分辨率高的优点，特别适用于需要高空间分辨率和能量分辨率的应用，如中子谱学研究和材料分析。
近年来，基于微结构技术的中子探测器发展迅速。
例如，微通道板探测器和像素探测器等，它们能够实现对中子的高空间分辨率和高计数率探测。
这些新型探测器在中子成像和同步辐射实验等领域发挥着重要作用，为科学家提供了前所未有的研究手段。
中子探测器在众多领域都有着广泛而重要的应用。
在核能领域，它们用于监测核反应堆中的中子通量和能量分布，确保反应堆的安全运行。
通过对中子的精确探测，可以及时发现异常情况，采取相应的措施，避免核事故的发生。
在材料科学研究中，中子探测器可以帮助科学家了解材料的微观结构和动态过程。
中子探测的基本方法及13.5常用中子探测器
13.6 中子注量率测量的主要指标
中子灵敏度
13.7 堆用探测器
13.6 中子注量率测量的主要指标 中子灵敏度
R 中子灵敏度定义：
0
反应的发生率 中子注量率
R N t ( E ) ( E )dE
Nt 为探测器灵敏体积 中辐射体的靶核数。
对能量低于30keV的中子： 30 keV v 0 0 R Nt ( E )dE 0 v 由 ( E ) n( E ) v n(E)为能量E处单位能量 间隔的中子密度。 v为中子速度。
反应截面与中子能量的关系：
100000
0 v0
v
1 1 v Tn
B-10 Li-6 He-3
capture cross section(barn)
10000
1000
100
10
1
0.1 1E-111E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0.01
可选用微型裂变室，且电极涂235U+239Pu(可增殖， 总积分通量由1.7×1021提高到4.8×1021中子)； 也可以用自给能探测器。
3) 功率量程：大于1010/cm2s；足够大，本底相 对较小；用电流型裂变室或硼电离室。
2. 堆芯探测器——堆芯内中子注量率的空 间分布。
要求体积小，寿命长； 典型工作条件：
~ 5 10 / cm s
8 2
8
本底 ~ 10 R / h
工作温度 ~ 300 C 2 ~ 2500 N / cm 工作压力
v0 为热中子的最可 其中 v 为中子的平均速度， 几速度。
对热中子，在T=20C时，v / v0
中子探测技术
（2）6Li(n,α)反应，放出能量大，易区分信号和本底。但 是缺少气体化合物，并且天然6Li丰度低，浓缩后价格贵。 （3）3He(n,p)反应，优点是反应截面大，缺点是放出能量 低，不易除本底。并且3He含量低，制备困难。
核反冲法
入射能量为E的中子和原子核发生弹性散射时，中子 的运动方向改变，能量也有所减少。中子减少的能量传递 给原子核，使原子核以一定速度运动。这个原子核就称为 “反冲核”，反冲核具有一定电荷，可以作为带电粒子来 记录。记录了反冲核，就是探测到中子。它是探测快中子的 主要方法。 由动量．能量守恒定律可以推出，反冲核的质量愈小， 获得的能量就愈大。所以，在反冲法中通常都选用氢核做 辐射体。这时，反冲核就是质子，有时就称反冲质子法。
中子具有波动性，当它的波长与物质原子之间的距离数
量级相同时就会发生衍射，利用这一原理制成了中子晶体衍
射仪，既可用来研究中子能量分布，也可分解出单色中子。
第四节 中子通量密度及中子源强度的测 量
研究一束中子与物质的相互作用时，我们主要关心的是
每秒钟射到物体上的中子数。当距离较远时，中子束可近似
看成平行束。令中子束里单位体积内的中子数为n，称为中 子密度。如果中子的速度为v(cm/s)，则单位时间内在垂直于 中子束方向单位面积上将有nv个中子通过。中子密度n和速 度的乘积nv，称为中子通量密度，用符号ϕ表示。
它放出的β或γ放射性，根据衰变纲图可算出此材料中形成的
放射性核的活度，从而求得中子通量密度。优点是测量容易、 体积小、无本底、灵敏度变化范围大、可以测量不同材料等， 缺点是不能连续指示通量密度随时间的变化。
锰浴法测量中子源强度
所谓“锰浴法”是将待测中子源放置在体积很大的含锰
元素的水溶液中，中子在水中充分慢化后被溶液中的55Mn俘 获，变成放射性核素56Mn，通过测量56Mn的放射性核素，就 可得出中子源强度，这一方法专门用来标定各种携带式中子 源强度。
中子探测器原理
中子探测器原理中子探测器是一种用于检测中子的仪器。
它可以测量中子的数目和能量，从而用于许多应用领域，如核能、医学、材料科学等。
中子是一种无电荷的粒子，因此无法通过电磁场的方法进行检测。
中子探测器的原理是利用中子与物质作用的特性来进行中子的检测。
中子与物质作用主要有以下几种形式：1. 碰撞散射中子与物质中原子核或电子发生碰撞，使其运动方向发生改变，从而产生了散射。
被散射的中子会沿着散射方向继续运动，直到再次与物质相互作用。
2. 吸收中子与物质原子核碰撞后，被吸收进入原子核。
此时中子会释放出能量，使原子核发生变化，产生新粒子。
3. 俘获中子与物质原子核发生碰撞后，被原子核俘获成为一个中子和一个新的粒子。
俘获后的中子被固定在原子核内部，形成一个新的核同位素。
对于中子探测器，主要利用中子与原子核产生碰撞散射和吸收的过程进行中子探测。
根据不同的应用需求，中子探测器可以分为以下几类：1. 显微中子探测器显微中子探测器通常使用硼、锂等元素作为探测器材料。
当中子与硼、锂原子核发生碰撞后，会产生一系列反应，最终产生电子和正离子，从而形成放电电子流，进而测量中子的数目。
显微中子探测器可以测量单个中子，并可以获得中子的高精度测量结果。
2. 漫反射中子探测器漫反射中子探测器通常使用氢等元素作为探测器材料。
当中子与氢原子核碰撞后，被散射到不同方向上。
通过检测反散射中子的位置和方向，可以推断出入射中子的参数，从而获得中子的数目和能量。
3. 闪烁体中子探测器闪烁体中子探测器通常使用氚、硼等元素作为探测器材料。
闪烁体中子探测器的原理是利用中子与探测器材料中的元素产生反应时释放出的能量，激发闪烁体中的分子电子跃迁，形成一系列的光子。
通过检测光子的数量和能量，可以获得中子的数目和能量。
中子探测器的应用范围非常广泛，如核反应堆的监测、医学放射治疗、未爆炸物品探测等。
通过不同类型的中子探测器可以获得中子的不同参数，并在不同领域具有重要的应用价值。
中子探测技术及其在工业和核能领域中的应用
中子探测技术及其在工业和核能领域中的应用中子是一种不带电的粒子，它具有穿透性和敏感性，因此被广泛应用于工业和核能领域。
中子探测技术是一种通过使用中子来测量物质性质的技术。
本文将介绍中子探测技术及其在工业和核能领域中的应用。
中子探测技术的原理中子探测技术利用中子与物质发生反应时所产生的特征来测量物质性质。
中子可以与物质发生三种类型的反应：散射、吸收和放射。
基于这些反应，中子探测技术可以被分为三种类型：散射、吸收和反应。
这些技术在测量物质的质量、组成和结构方面具有广泛的应用。
中子探测技术的应用在工业领域中，中子探测技术用于测量金属材料中的残留应力、腐蚀、松动部分等。
此外，中子探测技术也可应用于石油和煤矿等行业中，用于地质勘探、矿物探测、钻孔采样等。
在核能领域中，中子探测技术被广泛应用于核反应堆监测、核材料鉴定、辐射剂量测量、放射性废物处理等方面。
中子探测技术还能通过中子活化分析技术确定矿石中各种元素的含量，从而帮助研究地球的物理、化学和地质学特性。
中子束使用的影响因素中子束的空间和时间分布是中子探测技术的关键因素。
中子束的能量、来源、生产方式和文教化程度都会影响中子束的能量和强度分布。
因此，在设计和使用中子探测仪器时必须考虑这些因素。
中子探测技术发展的趋势目前，中子探测技术已经取得了重大进展，同时也存在一些挑战。
例如，中子产生率低、测量精度受到干扰等。
因此，团队正在努力开发新的中子探测技术，以克服这些限制并提高测量精度。
一些新技术已经被开发出来，如快中子束技术、中子衍射技术等。
总之，中子探测技术在工业和核能领域中具有广泛的应用前景。
它为工业、环保、能源和安全等方面提供了重要的支持。
中子探测技术也将会在未来的发展中带来更多的可能性和挑战。
中子探测技术在安全检查中分析与探讨
中子探测技术在安全检查中分析与探讨本文简要介绍了爆炸物检测领域的技术手段，并针对目前常规技术手段的缺点和不足，重点介绍了中子无损探测技术在爆炸物检测中的应用情况，从技术原理到系统构成对中子探测设备进行了剖析，指出其相对于其他技术手段的独特优势。
同时，本文也对爆炸物检测领域的技术发展趋势进行了探讨和展望。
一、常见爆炸物探测技术简介在当前恐怖活动日趋严重的形势下，对公共安全领域爆炸物（常规炸药、液体炸药、塑料炸药）的现场快速检测是一项非常重要的工作。
目前，应用于爆炸物现场检测的技术手段主要有：金属探测仪、X射线成像（透射成像、背散射成像、CT）技术、双能X射线成像技术、化学蒸汽\颗粒分析法等[1]。
就金属探测仪而言，是较早采用的一种查缉爆炸物的技术手段，主要采用交变电磁场来探测爆炸物中的金属部件及雷管等发火装置上的金属元器件和电池等从而实现对爆炸物的探测。
由于爆炸物制作工艺和技术水平的提升，现在爆炸物中的金属部件越来越少，液体炸药和塑料炸药的出现，使得单一的金属探测手段已经无法满足日益隐蔽化和多样化的爆炸物探测实战需要。
X射线成像技术可以实现对常见行李箱中不同物品的密度分辨，对箱包夹层毒品藏匿具有显著排查效果，但无法识别物品的元素种类；另外，很多爆炸物密度与常见生活用品接近，因而，只从密度上探测爆炸物会经常发生漏检和虚警现象。
双能X射线虽然可以识别等效原子序数，但不能识别物质种类。
化学蒸汽\颗粒分析法是一种痕量检测技术，通过对可疑物体或人员表面进行擦拭取样后对试样汽化后进行分析，也有可以直接对环境气体进行取样分析的。
离子迁移谱技术和基于气敏传感器的电子鼻技术是在现场快速检测场景下被广泛使用的痕量物质检测技术。
它们的优点在于检测灵敏度高，对微粒的检测精度可以达到纳克级别，对气体的检测精度达到ppm甚至ppb级别，检测时间短，一般在十秒左右，因而这两种技术适用于现场检测。
上海世博会采用了52台公安部第三研究所研制生产的爆炸物离子迁移谱探测器，有利保障了世博的安全召开。
中子探测
方法分类
核反冲法 核反应法
核裂变法 活化法
反冲法探测中子是测量中子与原子核弹性散射后的反冲核在探测介质中引起的电离来反推原始中子的性质， 这种方法只适用于探测快中子。在使用于空间的中子探测器中，利用反冲核法的有反冲正比计数器(充甲烷)、液 体闪烁体探测器和塑料闪烁体探测器，特别是后两种探测器因具有面积大、探测效率高等特点而得到广泛的应用。 因为我们拟研制的碳化硅中子探测器的探测目标是空间辐射中的快中子部分，探测原理是基于中子与 Si C或聚 乙烯的弹性散射作用。
中子探测
对中子的数目和能量的测量
01 方法分类
03 探测器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
目录
02 特点
中子探测即对中子的数目和能量的测量。在核能的利用、放射性同位素的产生和应用核物理研究中都需要进 行中子的探测，然而中子本身不带电，不会引起电离等作用，不产生直接的可观察效果，因此中子的探测是通过 中子同原子核的相互作用，对反应的产物进行探测。
通过测量中子核反应产生的带电粒子来探测中子的方法称为核反应法。核反应法主要用于探测慢中子的强度， 也可用来测定快中子的能谱。
中子轰击重核时会引起核裂变，通过探测裂变碎片来探测中子的方法称为核裂变法。常用235U，233U和 239Pu作为裂变材料，裂变过程中释放的能量约为200Me V，两个碎片带走的能量约为 165Me V，远远大于入射 中子和 γ射线的能量。因此，该方法主要用于热中子和慢中子的通量测量，强 γ射线本底对测量也不会造成响。
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中子探测器的工作原理是：中子与某种核产生反应时放出带电粒子，带电粒子在气体中运动时产生气体电离， 通过测量气体电离量来确定中子注量率水平。例如，中子与B的 (n，α)反应，放出α粒子;或中子与U反应生成 裂变碎片。
测量核聚变反应的物理实验技术详解
测量核聚变反应的物理实验技术详解核聚变反应作为一种新能源的解决方案备受关注，它具有高产能、无污染等优点。
为了更好地研究和应用核聚变技术，科学家们进行了大量的物理实验，以探索反应的特性和解决实际应用中的问题。
本文将详细介绍测量核聚变反应的相关物理实验技术。
1. 中子探测技术中子是核聚变反应中的重要参与者，因此测量中子是核聚变实验中的关键步骤之一。
中子探测技术主要包括热中子和快中子两种类型。
热中子是反应后速度减慢的中子。
测量热中子通常采用热中子探测器，如热中子计数器。
热中子计数器由一个具有低熔点核素，如硼化铝或硼化硅的敏感元件组成。
当热中子通过敏感元件时，会与硼原子发生核反应，释放出高能粒子，从而产生能够测量的电信号。
快中子是反应后速度较快的中子。
为了测量快中子，通常需要使用一些特殊的探测器，如闪烁体探测器或气体探测器。
闪烁体探测器基于快中子与探测器中的核素发生碰撞后释放出可见光，这些光子经过放大和转换后被转化为电信号进行测量。
气体探测器则利用快中子与探测器中的气体原子发生碰撞，离子化气体从而产生电信号进行测量。
2. 电离室测量技术电离室技术是测量核聚变反应中产生的带电粒子的重要手段。
电离室通过电离剂和电场的作用，将带电粒子产生的电离电荷转化为可测量的电信号。
电离室的核心部件是信号电极和电离剂。
信号电极一般由金属导体构成，能够将电离电荷收集起来。
电离剂则在带电粒子通过时发生电离，产生电离电荷。
在电离室中，外加电场能够将电离电荷吸引到信号电极上，并产生电信号进行测量。
不同类型的电离室可用于测量不同的带电粒子，例如气室用于测量带负电粒子，而室用于测量带正电粒子。
通过调整电离室的结构和参数，可以实现对带电粒子的测量范围和精度的优化。
3. 能谱仪器技术能谱仪是测量核聚变反应中产生的射线能谱的关键设备。
能谱仪器技术主要包括带能谱分析器和能谱型号。
能谱分析器可以将射线能量分解为不同的能级，从而实现射线能谱的测量和分析。
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三氟化硼正比计数管
(1)结构:与G-Ｍ管一样,只是其内充有BF3气 体 (2)工作原理:热中子通过10B(n,a)7Li反应,在 计数管内产生离子对,再经气体放大作用输 出电信号 (3)特点: a.对热中子、慢中子的探测效率都很高 b.在计数管外面套上一层石蜡或塑料慢化剂， 也可测快中子 c.体积大，灵敏度较高
小结
1.四种基本形式——四种探测中子的方法 2.En不同时，这些作用的截面相差很大 对于不同能量的中子，采用不同的探测方法和中子探测器 3.由于中子作用的截面一般都不大，所以中子探测效率较低。 特别是探测快中子的效率是很低的，过程也较复杂。 中子的探测精度一般较α、β、γ、x等要低 4.大多数情况下，n和r总是伴随产生 而中子探测器往往也对γ射线有一定的响应（探测效率） 5.中子探测的基本方法比较
硫化锌快中子屏
（1）工艺：将ZnS(Ag)粉与有机玻璃粉均匀 混合，热压成型而得 （2）原理：快中子在有机玻璃中产生的反冲 质子（散射作用），使ZnS(Ag)发光而被记 录 （3）特点：效率高，对快中子达到1—2%
锂玻璃闪烁体
（1）工艺结构：在有机玻璃中掺入铈激活的氧化 锂制成锂玻璃 （2）原理：6Li(n,a)T产生a和T使闪烁体发光 （3）特点： a.适用En较宽，热中子 b.对热中子的探测效率高 c.耐酸，耐化学腐蚀，耐潮湿，耐高低温， 适合在恶劣条件下使用 d.γ干扰较大
1.2 目前应用得最多的以下三种核反 应：
（1）Q>0放热反应 （2）σ0为热中子的反应截面
1.3
10B(n,a)反应
B易获得，10B的丰度为19.8%，可方便浓缩 至96%以上 此反应目前应用最广BF3（固体B2O3、B4C） 中子与10B作用有两种反应过程，即
1.4 6Li(n,a)反应
发生散射后反冲质子的能量和出射方向由动量 守恒和能量守恒定律可以算出为：
Φ—反冲质子的出射角 （1） Φ=00时，正面相撞，Ep最大= E0 （2） Φ=100时，COSΦ=0.9848, COS2Φ=0.97,则Ep=0.97E 所以测Ep得到En,即当Φ从0—100变化 时,Ep只改变3% 一般探测 ±100范围内的反冲质子，从而测 定中子的E和I
(4)性能指标 热中子灵敏度：1—10（最大到40-50）S-1/nv 坪长：200—500v
≥ 寿命： 1010（计数） 高压：2000v 耐γ辐射强度：2000—10000 × 10c/kg·s 10 分辨率：<20% 热中子灵敏度—指在单位中子通量照射下，计数管 给出的计数率 耐γ辐射强度—指计数管在此照射率情况下仍能正常 工作
中子探测技术
李丹 2005.10.20
重点： 1 . 中子性质及其与物质的作用形式 2．中子的探测方法 3．中子探测器 难点： 1. 中子能谱测量 2．中子通量测量 要求： 1. 掌握两种中子探测方法——核反应和核反冲法 2.了解常用中子探测器的工作原理 a.BF3正比计数管 b.闪烁探测器——ZnS快中子屏，Li玻璃闪烁体 c.半导体中子探测器
116
β−
第三节 常用的中子探测器
中子探测过程： （1）由中子和核的某种相互作用产生带 电粒子 （2）用某种探测器记录带电粒子
分类 一、气体探测器： （1）三氟化硼正比计数管 （2）硼电离室和裂变室 二、闪烁探测器 （1）硫化锌快中子屏 （2）硫化锌慢中子屏 （3）锂玻璃闪烁体 （4）有机闪烁体 三、半导体探测器 四、其它中子探测器 （1）“自给能”探测器 （2）固体径迹探测器
优点：Q大，n和r易甑别 缺点：Li没有合适的气体，且6Li丰度低，只 有7.5%，浓缩后价贵。
1.5 3He(n,p)反应
优点： σ0最大 缺点：Q低，n与r不易分开；天然氦气中3He含 量低，只有1.4ppm，所以3He价贵
2.核反冲法
反冲法——入射能量为E的中子和原子核发生 弹性散射时，中子的运动方向改变，能量也有所 减少。中子减少的能量传递给原子核，使原子核 以一定速度运动。这个原子核就称为“反冲核”， 反冲核具有一定电荷，可以作为带电粒子来记录。 记录了反冲核，就是探测到中子。 它是探测快中子的主要方法。 由动量．能量守恒定律可以推出，反冲核的质 量愈小，获得的能量就愈大。所以，在反冲法中 通常都选用氢核做辐射体。这时，反冲核就是质 子，有时就称反冲质子法。
第二节 探测的基本原理
1.核反应法 1.1原理：中子本身不带电，它和物质中原子核之
间没有库仑斥力．因此比较容易进入原子核，发生 核反应。选择某种能产生带电粒子的核反应，记录 带电粒子引起的电离现象就可探测中子。 这种方法主要用于探测慢中子的强度， 这种方法主要用于探测慢中子的强度，在个别情 况下，也可用以测量快中子能谱。 况下，也可用以测量快中子能谱。
半导体探测器（6LiF）
（1）特点：体积小、响应快、对γ不灵敏、可测中 子能量和通量 （2）结构：夹心式中子谱仪将两个金硅面垒型半导体 探测器面对面地靠在一起，中心夹一层含6Li的薄膜
（3）原理：利用6Li（n,a）T产生a和T，分别 被两个探测器记录，输出脉冲并接到相加电 路。故脉冲幅度相当于入射En+反应能Q 因为Q=4.786Mev En=几Mev 总能量E=En+Q约为10Mev （4）能量分辨率： 4 对En为0.5Mev，半宽度大约是70Kev （5）用途：测量反应堆的快中子能谱 En=10Kev—6Mev
4.活化法
1.中子速度很快时（快中子），散射是主要方式 2.当En很小时，辐射俘获是主要的作用过程 即中子进入原子核，形成复合核（新核），新核通 过辐射γ射线（一种或几种）而迅速回到基态。用 （n,r）表示 例如 115 116 116
n+ In → In*→ In+γ
116
In Sn + γ →
内容： 第一节 基础知识 第二节 探测的基本原理 第三节 常用的中子探测器
第一节 基础知识 中子的基本性质
1.不带电 静止质量mn=1.67495*10-24g 2.中子分类（按能量高低—即运动速度划分） （1）慢中子： 能量为<1kev； （2）中能中子： 能量为1—100kev； 2 1—100kev （3）快中子： 能量为0.1—20Mev。 慢中子又分：超热中子：En>0.0253ev—1Kev 热中子：En=0.0253ev 冷中子：En<0.0253ev 分子热运动的最可几能量=0.0253ev
中子的应用
1.上世纪三十年代n+235U—核裂变—核爆 2.近年来：中子活化分析、中子测水分、中子测井
探矿、中子照相、中子辐射育种、中子冶癌
3.中子不带电，它与原子核相互作用时不受库 仑位垒的阻挡，利用中子引起核反应研究核 性质，具有一定的优越性。
中子与物质作用形式
1.产生带电粒子的核反应 （n,a） 2.核反冲（散射） （n,n,） 3.活化 （n,r） 4.核裂变 （n,f）
3.核裂变法
1)中子与重核作用可以产生核裂变 2)裂变法就是通过记录重核裂变碎片来探测中子的方法 3)对于热中子、慢中子，一般选235U、239Pu、233U做裂变材料。 4)裂变时放出的能量很大（大约200Mev），En远小于这个数 值 所以本法不能用来测定中子能量，只能测定中子通量 5)由于Q值很大，所以γ本底的影响很小，故可以在强γ本底 下测量中子 6)En大于某个值（阈值）时，才能产生裂变 核素不同，则阈值也不同 因此，可以用一系列阈值来判定中子的能量范围