中子探测器的研究现状及其趋势探析--中国期刊网

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中子探测器的研究现状及其趋势探析

发表时间：2021/6/3 来源：《基层建设》2021年第2期作者：刘素志

[导读] 摘要：近些年，世界各国都加强了对中子探测器的研究。与核反应堆中子源装置相比，加速器中子源装置由于具备更高的安全性、结构更加简单、建造与维护成本较低，因此其更适合运用在有限的场所中。

        中核控制系统工程有限公司 100176
        摘要：近些年，世界各国都加强了对中子探测器的研究。与核反应堆中子源装置相比，加速器中子源装置由于具备更高的安全性、结构更加简单、建造与维护成本较低，因此其更适合运用在有限的场所中。但是需要注意的是，加速器中子源装置难以提供足够通量的中子，且出射的中子束的方向性及准直性也不如核反应堆中子源，所以还需要进一步研究。下文对此展开了分析。
        关键词：中子探测器；BNCT；趋势
        1 中子的性质
        中子作为一个自旋为1/2 的费米子，呈现电中性且有微小的磁矩。然而处于原子核外的自由中子并不能稳定存在，会发生β-衰变变成一个质子、一个电子以及一个电子反中微子，半衰期约为10.6 分钟。故而无法长期地储存自由中子，中子需要由中子源来产生供应。常见的中子源有三种：（1）放射性同位素中子源。它既可以通过某些轻元素（如：铍（Be）、硼（B）、氟（F）等元素）与放射性核素衰变发射的α 粒子或高能γ 射线发生（α，n）或（γ，n）反应来产生中子；也能通过超铀元素自发裂变来产生中子，常用元素如：252Cf。这种类型的中子源的优点在于其制作和应用都比较便捷，且体积小。（2）加速器中子源。经过加速器加速后的带电粒子轰击靶核，发生核反应从而产生中子。此类型的中子源的优点在于其能在很宽的能量区间内生成单能中子，如：基于2H（d，n）3He 反应的加速器中子源可以获得能量为2.5 MeV 的单能中子，基于3H（d，n）4He 反应的加速器中子源可以获得能量为14 MeV 的单能中子。（3）反应堆中子源。较之上述两种中子源，反应堆中子源装置复杂且造价高昂。可以得到较高的中子注量率，且能得到接近麦克斯韦分布的连续中子能量，中子能量的范围可从0.001 eV 至十几个MeV。
        自中子的特性越来越多的为人们所掌握以后，其应用也广泛了起来。比如：中子可用作轰击粒子来研究核反应，因为其电中性的特性，不受库仑势垒的影响，所以极低的中子能量便足以引起核反应；通过中子衍射可以来研究晶体结构，这是因为中子具有波粒二象性；中子微小的磁矩使得它可以同磁性物质发生磁散射，其强度与核散射强度相当，这使得中子可以被直接应用于物质微观磁结构的探测；近几年，中子在治癌、照相、辐射育种等技术上同样得到了充分的发展。为更好的将中子的技术运用到这些方方面面，中子探测就显得尤为重要了。
        中子的电中性意味着中子无法如同带电粒子一般直接引起探测介质的电离和激发，它无法被直接地观测。所以中子的探测要求探测器或探测介质内要存在能与中子发生作用的物质，且它们发生作用后能生成可被探测出来的次级带电粒子或γ 射线，使得探测器可以记录到次级带电粒子或γ 射线并输出。中子探测的基本方法有核反冲法、核反应法、核裂变法以及中子活化法，本工作便是根据中子活化法来设计中子探测器的。
        2 中子活化法探讨
        2.1 中子活化法的应用
        中子活化法简称活化法，它从本质上来说属于标准截面法的一种。中子不带电，使得中子不容易被探测器所直接探测。但中子如果同原子核之间作用产生了带电粒子，相互作用的不确定度和反应截面又都是已知的话，那么通过探测所产生的带电粒子就可以达成探测中子的目的了，这便是所谓的标准截面法。而当使用中子照射某些核素时，会发生核反应生成放射性核素，这样的一个过程就被称之为活化。活化产生的放射性核素不稳定会发生衰变。活化法受到生成的放射性核素半衰期长短的影响，当半衰期长度适中时，就可以从这些放射性核素已知的中子俘获截面和仪器测量出的衰变产生的β 或γ 射线来反推出中子通量密度。活化法经常被用于测量辐射场中的热中子和超热中子通量。
        中子活化法可以根据中子能量的不同分为慢中子活化法和快中子活化法两种。慢中子活化法指的是通过（n，γ）反应的活化，大多数原子核在热中子能区的活化截面较大，故慢中子活化法有着相当高的测量灵敏度。快中子活化法指的是由（n，p）、（n，α）、（n，2n）和（n，n’γ）这几种阈能反应导致的活化。原子核在快中子能区的活化截面相较于热中子能区的活化截面要小，所以快中子活化法的测量灵敏度不如慢中子活化法，当然轻元素的灵敏度依旧较高。
        2.2 活化法的优点
        使用中子活化法来测中子通量密度的优点如下：
        （1）用于活化测量的材料体积小，因此对被测辐射场的扰动较小。
        （2）测量结果不包含γ 本底。

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即使有较强的γ 本底存在于所测中子辐射场中，这些γ 本底无法引起材料的活化，从而不会影响到测量的结果。
        （3）适用的范围广。不同的活化材料的中子俘获截面不同，故根据需要测量的中子能量范围可选择适当的材料，也可以通过选择多种活化材料来测量。
        （4）活化探测器的灵敏度可以通过改变活化材料的种类和厚度来大范围的调节，适用范围很大。
        2.3 活化法的缺点
        活化法测量的缺点在于不能对变化的中子辐射场中的中子通量密度进行实时反馈。根据测量原理可知活化法测量中子通量密度是分为辐照和测量两步的，放射性核素的生成也是一个慢慢累积的过程，所以只能用于稳定的中子辐射场的测量。
        3 中子探测器发展趋势
        约二十世纪40年代随着计算机的面世，以概率统计为理论的蒙特卡罗方法被提出。蒙特卡罗方法是指如果待解决问题的解是某个事件的概率或是某个随机变量的期望值，那么通过进行大量的随机试验就可以得到该事件发生的频率或是该随机变量的平均值。只要进行的随机试验样本够多，就可以将统计所得出的该事件发生频率视为它的概率，所得出的该随机变量的平均值就是它的期望值。当我们需要解决的问题的解是与概率和期望值有关的量时，同样可以通过大量的试验所得出来的频率和平均值得到问题的解。由此可知想要通过蒙特卡罗方法得到有一定精度的近似解，就必须进行大量的随机试验。单单依靠人工来进行如此大量的随机试验是十分困难的，电子计算机的出现使得这一难题得以解决。这也恰恰解释了为何直至计算机的面世，蒙特卡罗方法才开始为大众广泛使用。
        （1）未来中子探测器所适用的能量范围广，通用性较强。它对于中子的适用能量为10-11-20 MeV，对某些同位素甚至可以是150 MeV；对光子的适用能量则为10-3-105 MeV；对电子的适用能量则为10-3-103 MeV。并且程序包含多种源分布，诸如：通用源，临界源以及用户的自定义曲面源。通用源中又包含了体源，面源，线源和点源。
        （2）具有足够强的几何处理能力。
        由连续的体积或空间几何单元（cell）组成未来中子探测器的几何系统。这些空间单元或体积通过一次、二次以及一些四次曲面来界定，并且这些曲面还可以通过交、或、非等多种运算进行组合。也就是说，在整个几何系统中，这些空间单元和体积可以由多个面共同围成。此外，几何系统中使用的材料由用户自定义，可以是由包含同位素在内的多种核素共同组合而成。
        （3）点截面数据齐全精确
        未来中子探测器使用精确的点截面数据。程序配合多种截面库（中子截面库，光子点截面库和热中子点截面库等），内容较齐全且来源广。例如：对热中子可采用S（α，β）模型或自由气体模型来处理。
        （4）使用简便，功能齐全。
        未来中子探测器的使用不难，只需要编写简单的输入文件即可，无需复杂的程序编写，适合不熟悉计算机编程者使用。
        （5）使用的抽样技巧可靠。
        未来中子探测器包含了多种可靠的抽样技巧，例如几何分裂与轮盘赌，如果粒子在一般运输情况下较难到达用户感兴趣的区域，那么可以通过将周围区域分成多层区，而后通过指定不同的区域重要性迫使粒子游向感兴趣的区域；DXTRAN 球方法，如果某几何区域无法充分抽到样本，那么就在这个区域内设置一个DXTRAN 球，使得在每个碰撞点必定会有一部分粒子进入到关注的邻域。
        4 结束语
        综上所述，中子探测器在现代科研中具有着重要价值，因此，应该加强对中子探测器的研究投入，推动中子探测器领域事先高速发展。
        参考文献：
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        [2]刘年俊. 三种新型半导体探测器的应用进展研究[J]. 机电信息，2020，617（11）：139-140.
        [3]宛秀仁. 探析煤化工技术发展现状及其新型技术研究[J]. 中国化工贸易，2019，11（015）：53-54.