[科普中國(guó)]-中子探測(cè)

方法分類

中子探測(cè)的方法主要有核反沖法、核反應(yīng)法、核裂變法及活化法四種。

核反沖法反沖法探測(cè)中子是測(cè)量中子與原子核彈性散射后的反沖核在探測(cè)介質(zhì)中引起的電離來反推原始中子的性質(zhì)，這種方法只適用于探測(cè)快中子。在使用于空間的中子探測(cè)器中，利用反沖核法的有反沖正比計(jì)數(shù)器(充甲烷)、液體閃爍體探測(cè)器和塑料閃爍體探測(cè)器，特別是后兩種探測(cè)器因具有面積大、探測(cè)效率高等特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槲覀償M研制的碳化硅中子探測(cè)器的探測(cè)目標(biāo)是空間輻射中的快中子部分，探測(cè)原理是基于中子與 Si C 或聚乙烯的彈性散射作用。

核反應(yīng)法通過測(cè)量中子核反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子來探測(cè)中子的方法稱為核反應(yīng)法。核反應(yīng)法主要用于探測(cè)慢中子的強(qiáng)度，也可用來測(cè)定快中子的能譜。

核裂變法中子轟擊重核時(shí)會(huì)引起核裂變，通過探測(cè)裂變碎片來探測(cè)中子的方法稱為核裂變法。常用235U ，233U 和239Pu 作為裂變材料，裂變過程中釋放的能量約為200Me V，兩個(gè)碎片帶走的能量約為 165Me V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射中子和 γ 射線的能量。因此，該方法主要用于熱中子和慢中子的通量測(cè)量，強(qiáng) γ 射線本底對(duì)測(cè)量也不會(huì)造成響。

活化法中子與原子核相互作用時(shí)生成復(fù)合核，一般復(fù)合核因處于激發(fā)態(tài)而不穩(wěn)定，具有 γ 或β 放射性，通過測(cè)量中子輻照后物質(zhì)的放射性來推算中子強(qiáng)度的方法稱為活化法。1

特點(diǎn)中子探測(cè)與其他類型的核輻射探測(cè)具有很多相似之處，但也有它本身的獨(dú)特性，主要表現(xiàn)在如下 3 個(gè)方面：
(1)中子探測(cè)需要輻射體。中子不帶電，因而不能直接引起探測(cè)介質(zhì)的電離、激發(fā)，所以探測(cè)中子相當(dāng)困難，只能通過它與其他物質(zhì)的反沖核、核反應(yīng)產(chǎn)物核、裂變碎片及中子活化等次級(jí)效應(yīng)來進(jìn)行探測(cè)。即在探測(cè)器內(nèi)必須具備能同中子發(fā)生相互作用產(chǎn)生可被探測(cè)的次級(jí)粒子的探測(cè)介質(zhì)(輻射體)，中子在輻射體上發(fā)生核反應(yīng)、核反沖、核裂變等過程，產(chǎn)生帶電的次級(jí)粒子，如4He、1H 等，探測(cè)器記錄這些次級(jí)粒子并輸出信號(hào)從而使中子的探測(cè)成為可能。
(2)中子探測(cè)具有能量區(qū)域性。在中子物理研究中，中子能域覆蓋 14 個(gè)數(shù)量級(jí)，中子應(yīng)用領(lǐng)域的中子也包括 9 個(gè)數(shù)量級(jí)。設(shè)想用某一種探測(cè)器來探測(cè)能量分布如此廣闊的中子簡(jiǎn)直是不可思議的，因此現(xiàn)實(shí)測(cè)量中只能針對(duì)某一較小能量范圍的中子，采用某種特定類型的中子探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。
(3)中子探測(cè)效率具有特定性。任何一種中子探測(cè)器的探測(cè)效率都與入射中子能量存在著復(fù)雜的依賴關(guān)系，因此，說探測(cè)效率時(shí)就必須說明哪種探測(cè)器對(duì)哪一能量中子的探測(cè)效率。

探測(cè)器中子探測(cè)器指一類能探測(cè)中子的探測(cè)器。中子本身不帶電，不能產(chǎn)生電離或激發(fā)，所以不能用普通探測(cè)器直接探測(cè)。它是利用中子與摻入探測(cè)器中的某些原子核作用（包括核反應(yīng)、核裂變或核反沖）所產(chǎn)生的次級(jí)粒子進(jìn)行測(cè)量。裂變電離室是通過熱中子使涂在電極上的鈾-235裂變所產(chǎn)生的裂片的電離效應(yīng)來測(cè)量，而有機(jī)閃爍體蒽可以通過快中子產(chǎn)生的反沖質(zhì)子的發(fā)光效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。此外，還可以利用中子使活化片（如錮）產(chǎn)生感生放射性，通過測(cè)量感生放射性活度也可測(cè)量中子的通量。

中子探測(cè)器的工作原理是： 中子與某種核產(chǎn)生反應(yīng)時(shí)放出帶電粒子，帶電粒子在氣體中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生氣體電離，通過測(cè)量氣體電離量來確定中子注量率水平。例如， 中子與B的 (n，α) 反應(yīng)， 放出α粒子;或中子與U反應(yīng)生成裂變碎片。

下圖示出氣體電離的工作機(jī)理，曲線表示兩電極間氣體在受到射線電離后，在電極上收集到的離子數(shù)與電極間電壓的關(guān)系。其中I區(qū)表示生成的離子在被電極收集到以前， 就部分復(fù)合了。隨著電壓的升高，離子重新復(fù)合的概率越來越低。Ⅱ區(qū)表示所產(chǎn)生的離子全部被電極收集到，稱飽和電離電流區(qū)。在一個(gè)相當(dāng)寬的電壓變化范圍內(nèi)， 收集到的離子數(shù)僅與射線密度成正比而基本上與電壓無關(guān)，即出現(xiàn)一個(gè)“坪”。電離室就工作在這個(gè)“坪”的范圍內(nèi)。電壓繼續(xù)加大，在電極附近形成相當(dāng)大的電場(chǎng)強(qiáng)度， 離子在向電極運(yùn)動(dòng)時(shí)，在電場(chǎng)中獲得比較大的能量，引起氣體二次電離，形成氣體放電。如Ⅲ區(qū)，這時(shí)輸出脈沖仍保持與原始總電離量成正比，稱比例計(jì)數(shù)區(qū)。基于這一特性的探測(cè)器稱正比計(jì)數(shù)管。Ⅳ區(qū)系有限正比區(qū)。Ⅴ區(qū)氣體呈雪崩式電離，放大倍數(shù)很大，以致輸出脈沖與原始總電離量無關(guān)。每次電離，即每個(gè)脈沖，電極收集到的離子數(shù)是一個(gè)常數(shù)。利用這個(gè)特性做出的探測(cè)器稱蓋格彌勒計(jì)數(shù)管。Ⅵ區(qū)是連續(xù)放電區(qū)。2