中子探测基本原理

        中子不带电，因此通过物质时和物质中的电子不发生作用，不能直接引起电离，而是通过与原子核相互作用产生能引起电离的次级粒子才能被记录。中子与原子核的相互作用有核反应、核反冲、核裂变、活化等。

        中子按能量可大致分为慢中子（<1keV）、中能中子（1~100keV）、快中子（0.1~20MeV），能量0.0253eV的中子通常称为“热中子”，这种中子与室温下周围介质大量的分子处于热平衡状态，亦即它的能量相当于周围介质分子热运动的能量。分子热运动最可几的能量是E=kT，其中k是波尔兹曼常数：k=1.38×10^-23J/K，T是介质绝对温度。以T=293K（即20^°C）代入，可得热中子能量E=0.0253eV，或中子速度v=2200m/s。比热中子能量更低的还有冷中子、共振中子、超热中子、超镉中子等，这些都是表示不同能量的中子，但没有明确的能量界限。下面将介绍几种常用的中子探测方法。

        一、核反应法：中子本身不带电，与原子核不发生库仑作用，因此容易进入原子核，发生核反应。选择某种能产生带电粒子的核反应，记录下带电粒子引起的电离激发现象，即可探测中子。这种方法主要用于探测慢中子的强度，个别情况下也可用来测量快中子能谱。目前应用最多的是以下三种核反应：

                                                                n + ¹⁰B → α + ⁷Li + 2.792MeV                 σ₀=3837±9b

                                                                n + ⁶Li → α + ³T + 4.786MeV                   σ₀=940±4b

                                                                n + ³He → P + ³T + 0.765MeV                 σ₀=5333±7b

        中子与其他原子核反应截面一般是几靶，因此上述三种反应截面都很大，常采用这三种核反应来探测中子。

		左图为三种核的中子核反应截面与中子能量的，其中10B（n,α）反应目前应用的最广泛，因为硼的材料比较容易获得。气态的可选用BF3气体，固态的可选用氧化硼或碳化硼。天然中10B的含量约为19.8%，为了提高探测效率，在制造中子探测器的时候常采用浓缩硼（10B含量96%以上），而浓缩硼的获得也并不很困难。所以目前利用这种核反应的中子探测器占很大比重。         6Li（n,α）反应是三种反应中放出的能量是最大的，因此在三种核反应中具有最好的n/γ抑制比。但是Li没有合适的气体化合物，使用时只能采用固体材料。其中基于6LiF/ZnS闪烁体和波移光纤结构的大面积位置灵敏型热中子探测器已成为近些年的研究热点，中国散裂中子源工程的高通量粉末衍射仪即拟采用这种探测器形式。

        ³He（n,P）是三中反应中反应截面最大的，但是³He在天然中的丰度非常低，大约只有1.4×10^-4%，获取十分困难，价格十分昂贵。因此很多实验组都开始研发新型中子探测器来代替基于³He的中子探测器。

        二、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，记录到反冲核也就探测到了中子。主要用来探测快中子。

        由能动量守恒可知，反冲核质量越小，获得的能量就越大，因此核反冲法中常用氢做辐射体，此时也称“反冲质子法”。发生散射后，反冲质子的能量和出射方向可由能动量守恒算出：

                                                                                                E_p = E_ncos²φ

         φ=0时，相当于入射中子和氢原子核发生正碰，反冲核获得能量最大，E_p=E_n。核反冲还可以测量快中子能量。当φ一定时，E_反冲正比于E_n。实际中测量沿入射中子束方向张角为±10度的反冲质子，此时探测器接收到的质子数较多，反冲质子的能量粗略地等于入射中子的能量。

        三、核裂变法：中子与重核作用可以发生裂变，裂变法就是通过记录重核裂变碎片来探测中子的方法。对于热中子、慢中子，总是选用²³⁵U、²³⁹Pu、²³³U做裂变材料。它们的热中子裂变截面如下表所示：

         中子引起裂变时放出的能量很大，约200MeV，两个裂变碎片共带走约165MeV能量。入射中子能量一般都远小于这个数值，因此这种方法不能直接用来测定中子能量，主要用来测定中子通量。由于裂变法放出的能量很大，γ本底对测量几乎没什么影响，因此该法可在强γ本底下测量中子。

         许多重核都是在入射中子能量大于某个阈值后才能发生核裂变，因此可以利用这一特定来判断中子的能量，做成了”阈探测器“。

        四、活化法：中子和原子核相互作用时，辐射俘获是主要的作用过程。中子很容易进入原子核形成一个处于激发态的复合核，复合核通过发射一个或者几个光子迅速退激回到基态。这种俘获中子放出γ辐射的过程称为“辐射俘获”，用（n，γ）表示。一个典型的例子是¹¹⁵In做激活材料，它受中子辐照时发生如下反应：

                                                                                    n + ¹¹⁵In → ¹¹⁶In → ¹¹⁶In + γ

        新生成的核素一般都是不稳定的，本例中生成的¹¹⁶In就是β放射性的，衰变方式如下：

                                                                                              ¹¹⁶In → ¹¹⁶Sn + γ

        这种现象称为“活化”或“激活”，所产生的放射性称为”感生放射性“。测量经过中子辐照后样品的放射性，即可知道中子的强度，这就是活化法。

        综上所述，中子探测的4中基本原理，就是中子与原子核相互作用的4种基本作用过程。目前广泛使用的各种中子探测器基本上都是基于以上4种原理开发的。中国散裂中子源工程探测器组目前主要从事闪烁体中子探测器、多层涂硼GEM监测器以及高气压³He多丝正比室三种探测器的开发，同时也研发新型中子探测器。