[科普中国]-天然中子源

概念

自发裂变是原子核在没有外来粒子轰击或外来能量加入的情况下发生的裂变，是放射性衰变方式之一。下表显示了一些会自发裂变的核素。1940年K. A.彼得扎克和 G. N. 弗廖罗夫首先观察到U 核自行发生裂变的现象，并估计其半衰期约为10～10年。最新的物理研究认为，自发裂变是量子力学隧道效应的结果。1原子核边界有一裂变势垒，原子序数比钍低的核素，裂变势垒太高，几乎不可能自发裂变；随着超铀核素的不断产生，自发裂变率增大，逐渐成为一些超铀核素的主要衰变方式。例如Cf的a衰变只占0.31%，自发裂变占99.69%。

自发裂变或a衰变的中子源

|| ||

在天然硼中，B的丰度为80.1% 。要利用这个反应作为中子源有些条件，这是因为a粒子的射程极短，通常无法穿透燃料棒的包壳，因此需要特殊的结构设计。

天然中子源中子测水技术原理中子测水分的基本原理是由于中子与氢核质量相当，氢具有大的快中子减速截面和大的热中子散射截面和吸收截面，当中子源发射的快中子或慢中子在待测物质中减速、扩散和被吸收时，主要受待测物质的含氢量控制。因而，测量经待测物质散射后的中子注量率可实现对待测物质含水量的定量测定。

苏联 B. M.邦达连科等报道了以天然的大气中子作为中子源，利用大气中子在地表介质中的反射，测量地 - 空界面上升中子流的粒子注量率，确定土壤的含水率，并在喀斯特地区开展工程地质填图和在山区确定积雪层厚度的试验，均取得好的效果。2

地 - 空界面上大气中子及其反射大气中子的来源主要包括：初级宇宙线与空气中原子核 (主要是 N 和 O)相互作用的产物，产生中子的过程主要是级联作用和蒸发作用；负 μ介子被原子核俘获时产生的反冲中子；及高能 γ量子引起的原子核光分裂反应产生的中子；太阳发射的中子。由于中子半衰期仅为640s，故太阳系以外的任何天体发射的中子很难到达地球附近。中子一方面在大气中形成，另一方面由于大气的减速与吸收作用，中子被吸收，大气中子流粒子注量率在大气深度 ( 50～80) g /cm3 处达到最大值，之后随大气深度的增大呈指数规律减小。在海平面，大气中子流的粒子注量率约为 ( 0.5 ～ 2)× 10- 2 /cm2· s。

当大气中子到达地表后，与地表介质的原子核发生弹性或非弹性碰撞，一部分被地表介质所吸收，另一部分经多次散射被反射出地面，形成上升中子流，或称为反射大气中子。在地-空界面上，上升中子流的另一来源是宇宙线中其他粒子与地表介质的核相互作用产生的中子，以及地层中天然放射性产生的中子和某些重核自发裂变产生的中子。反射大气中子流是地 - 空界面上上升中子流的主要成分，约占总量的80% 以上。3

虽然大气中子源的粒子注量率很小，但采用高灵敏度的中子探测装置测量上升快中子流粒子注量率可以反映被测地表介质的含水量。与商品化的人工中子测水技术相比，虽然大气中子源方法的灵敏度较差，但避免了人工中子源的辐射防护与管理难题。这对于一些确定地层含水率要求不高，而又需长期监测的场合，如工程地质填图与地质环境动态监测等，大气中子源方法中子测水技术具有一定的应用价值。

大气中子粒子注量率的稳定性是中子测水准确度的主要影响因素，经长期监测结果表明，大气中子粒子注量率有时具有时变特性，而且还与初级宇宙线强度的变化、气象条件，以及地震有一定的关联性。因此现有大气中子源中子测水分的仪器应采用双通道测量，其中一个通道测量上升中子流粒子注量率，另一个通道测定下降中子流 (大气中子 )粒子注量率，以此消除大气中子粒子注量率不稳定对中子测水分结果的影响。