[科普中國(guó)]-共振中子

能量在熱中子之上的中子可分為慢中子和快中子，對(duì)不同的應(yīng)用，劃分的界限不一定相同。在100eV以下的能區(qū)，往往包含著若干個(gè)共振，在一個(gè)狹窄的能量區(qū)域內(nèi)，其截面可增加或減小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，通常把具有共振吸收相應(yīng)能量的中子稱為共振中子。

中子共振譜在爆炸危險(xiǎn)品精確探測(cè)中的應(yīng)用中子共振譜簡(jiǎn)介中子透過物質(zhì)的能力直接取決于該物質(zhì)各核素的中子吸收截面。中子和物質(zhì)的作用過程一般如下:中子被物質(zhì)靶核吸收，形成復(fù)合 核處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核通過出射Ganma射線或其它粒子(如中子、質(zhì)子等),回復(fù)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)復(fù)合核的能量接近某一激發(fā)態(tài)的能量時(shí),中子同靶核相互作用的幾率急劇增加,出現(xiàn) 所謂的共振吸收現(xiàn)象。共振吸收在中子截 面曲線上的直觀表現(xiàn)就是在某些能量區(qū)域出現(xiàn) 的一個(gè)個(gè)孤立的共振峰。下面圖 1是 C、H、N、O等核素的共振譜曲線。通常來說，每個(gè)核素的共振譜曲線都是獨(dú)特的 , 因此利用共振峰的 位置、強(qiáng)度與核素的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以準(zhǔn)確地測(cè)定物質(zhì)中不同核素的含量 。

中子共振譜探測(cè)危險(xiǎn)物品的原理簡(jiǎn)析大多數(shù)爆炸危險(xiǎn)品通常由C H O N等元 素構(gòu)成，而這些元素在0.5— 7MeV能量區(qū)間，具有顯著的中子共振現(xiàn)象,見圖 1。假設(shè)需要探測(cè)物質(zhì)里感興趣的n種不同元 素，每個(gè)元素取m種不同能量對(duì)應(yīng)的共振峰（m ≥ n可構(gòu)建出以下方程組：

這里，是元素j的質(zhì)量厚度（單位為g/cm2），是能量i處元素j的中子吸收截面，I是入射 樣品前能量為的中子強(qiáng)度，i是透射樣品后 能量為的中子強(qiáng)度。這樣的線性方程組是很容易求解的 。將得到的各元素質(zhì)量厚度與其原子量比值進(jìn)行比較, 就可以得到測(cè)量物質(zhì)的化 學(xué)成份比(摩爾當(dāng)量比):

其中，A是元素的原子量。

一般來說,至此就可以直接判定測(cè)量物質(zhì) 的種類了。對(duì)于某些化學(xué)成份相同的不同物 質(zhì) ,可以借助其它化學(xué)手段進(jìn)行進(jìn)一步的判定上述數(shù)值計(jì)算過程可以和測(cè)量數(shù)據(jù)獲取和 分析系統(tǒng)結(jié)合在一起 ,由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)一 完成 。

探測(cè)系統(tǒng)基本組成利用中子共振譜進(jìn)行爆炸物等危險(xiǎn)品精確探測(cè)的系統(tǒng)通常需要包括兩大主要部分:中子源 、中子能譜探測(cè)與分析系統(tǒng)。從圖1中可以看到C、H、N、O等核素的共振中子能量集中在0.5 — 7MeV能量區(qū)間。從 現(xiàn)有中子源來看, 用于這種爆炸物探測(cè)的最好 中子源是基于（D D)反應(yīng)的加速器中子源，在 入射粒子能量處于0.1 ~4 5MeV間時(shí)，該中子 源可以產(chǎn)生能量在2. 4 ~8 0MV區(qū)間的單能 中子束 。除了加速器中子源之外,也可以使用反應(yīng) 堆中子源 。這里所說的反應(yīng)堆特指最常見的熱 中子反應(yīng)堆,因此為了適應(yīng)使用快中子探測(cè)爆 炸物質(zhì)的要求, 需要在這種反應(yīng)堆上采取一些 特殊技術(shù)措施以產(chǎn)生足夠的快中子束,比如在 熱中子反應(yīng)堆水平孔道內(nèi)加裝含U或U裂 變材料的轉(zhuǎn)換靶,以提高輸出中子束中快中子 份額,從而滿足探測(cè)爆炸物質(zhì)的中子束能量要 求。

加速器中子源和反應(yīng)堆中子源都有設(shè)備龐 大、造價(jià)高昂且無法移動(dòng)的固有缺點(diǎn), 無法在港 口、機(jī)場(chǎng)或車站直接使用 。而便攜式放射性中 子源易于移動(dòng) ,比較適宜于現(xiàn)場(chǎng)使用, 但這種中 子源強(qiáng)度又通常不足。經(jīng)比較,在常用的 幾種放射性中子源中，自發(fā)裂變中子源C相 對(duì)來說是比較適用于爆炸物等危險(xiǎn)品探測(cè)的, 但關(guān)鍵問題是需設(shè)法提高這種源照射樣品時(shí)的 中子束強(qiáng)度。

用于準(zhǔn)確測(cè)量共振峰中子能量的中子能譜探測(cè)和分析系統(tǒng),通常是以飛行時(shí)間法為基礎(chǔ)。飛行時(shí)間方法的基本原理是通過測(cè)量中子飛行 一定距離所需要的時(shí)間來測(cè)定中 子的能 量。飛行時(shí)間方法要求中子源必須是脈沖 的,在穩(wěn)態(tài)反應(yīng)堆中子源上,一般需用機(jī)械斬波 器將連續(xù)中子束切割成一些列寬度相等的脈沖 中子束;而加速器中子源通常本身就是脈沖源, 可直接應(yīng)用飛行時(shí)間法。

由于C H O N等待測(cè)元素的中子共振區(qū) 集中在0.5 ~7MeV間，因此中子探測(cè)器可以采 用L玻璃閃爍體和光電倍増管相結(jié)合的探測(cè)技術(shù)?？紤]到中子及其伴隨Y射線的強(qiáng)穿透性，測(cè)量系統(tǒng)周圍還需要堆砌混凝土等屏蔽體, 以 確保人員和設(shè)備的安全 。

結(jié)論X 射線技術(shù)是用于易燃易爆等危險(xiǎn)物 品探測(cè)的常規(guī)方法,但由于這種基于物質(zhì)密度不同來區(qū)分物質(zhì)種類的探測(cè)方法準(zhǔn)確性不夠理想。中子共振譜則只和物質(zhì)構(gòu)成的元素密切相關(guān),因此利用中子共振譜技術(shù)可以準(zhǔn)確地判定物質(zhì)中各元素的準(zhǔn)確含量,進(jìn)而可以準(zhǔn)確地判定測(cè)量物質(zhì)的種類。各種爆炸危險(xiǎn)品的主要成分是 C、H、N、O等元素，這些元素在0.5 ~7. 5MV能量區(qū)間具有顯著的中子共振譜特征, 利用該區(qū)間各共振 峰的中子吸收截面差異可以得到這些元素在物 質(zhì)中的精確含量比, 從而達(dá)到直接判定待測(cè)物 質(zhì)種類的目的。中子共振譜探測(cè)系統(tǒng)主要包括中子源 、中 子能譜探測(cè)與分析系統(tǒng)兩大部分。中子共振探 測(cè)技術(shù)可以充分應(yīng)用在國(guó)防、民用安全檢測(cè)和 防恐等領(lǐng)域中,具有良好的實(shí)用前景。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)