[科普中国]-中子探测

方法分类

中子探测的方法主要有核反冲法、核反应法、核裂变法及活化法四种。

核反冲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。

核反应法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。

核裂变法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。

活化法中子与原子核相互作用时生成复合核，一般复合核因处于激发态而不稳定，具有 γ 或β 放射性，通过测量中子辐照后物质的放射性来推算中子强度的方法称为活化法。1

特点中子探测与其他类型的核辐射探测具有很多相似之处，但也有它本身的独特性，主要表现在如下 3 个方面：
(1)中子探测需要辐射体。中子不带电，因而不能直接引起探测介质的电离、激发，所以探测中子相当困难，只能通过它与其他物质的反冲核、核反应产物核、裂变碎片及中子活化等次级效应来进行探测。即在探测器内必须具备能同中子发生相互作用产生可被探测的次级粒子的探测介质(辐射体)，中子在辐射体上发生核反应、核反冲、核裂变等过程，产生带电的次级粒子，如4He、1H 等，探测器记录这些次级粒子并输出信号从而使中子的探测成为可能。
(2)中子探测具有能量区域性。在中子物理研究中，中子能域覆盖 14 个数量级，中子应用领域的中子也包括 9 个数量级。设想用某一种探测器来探测能量分布如此广阔的中子简直是不可思议的，因此现实测量中只能针对某一较小能量范围的中子，采用某种特定类型的中子探测器进行测量。
(3)中子探测效率具有特定性。任何一种中子探测器的探测效率都与入射中子能量存在着复杂的依赖关系，因此，说探测效率时就必须说明哪种探测器对哪一能量中子的探测效率。

探测器中子探测器指一类能探测中子的探测器。中子本身不带电，不能产生电离或激发，所以不能用普通探测器直接探测。它是利用中子与掺入探测器中的某些原子核作用（包括核反应、核裂变或核反冲）所产生的次级粒子进行测量。裂变电离室是通过热中子使涂在电极上的铀-235裂变所产生的裂片的电离效应来测量，而有机闪烁体蒽可以通过快中子产生的反冲质子的发光效应进行测量。此外，还可以利用中子使活化片（如锢）产生感生放射性，通过测量感生放射性活度也可测量中子的通量。

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。

下图示出气体电离的工作机理，曲线表示两电极间气体在受到射线电离后，在电极上收集到的离子数与电极间电压的关系。其中I区表示生成的离子在被电极收集到以前， 就部分复合了。随着电压的升高，离子重新复合的概率越来越低。Ⅱ区表示所产生的离子全部被电极收集到，称饱和电离电流区。在一个相当宽的电压变化范围内， 收集到的离子数仅与射线密度成正比而基本上与电压无关，即出现一个“坪”。电离室就工作在这个“坪”的范围内。电压继续加大，在电极附近形成相当大的电场强度， 离子在向电极运动时，在电场中获得比较大的能量，引起气体二次电离，形成气体放电。如Ⅲ区，这时输出脉冲仍保持与原始总电离量成正比，称比例计数区。基于这一特性的探测器称正比计数管。Ⅳ区系有限正比区。Ⅴ区气体呈雪崩式电离，放大倍数很大，以致输出脉冲与原始总电离量无关。每次电离，即每个脉冲，电极收集到的离子数是一个常数。利用这个特性做出的探测器称盖格弥勒计数管。Ⅵ区是连续放电区。2