射线与物质的相互作用3.ppt

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1、§4.1概述§4.2α粒子与物质的相互作用§4.3β射线与物质的相互作用§4.4射线与物质的相互作用§4.5射线在物质中的衰减§4.6中子与物质的相互作用***第4.6节中子与物质的相互作用一、中子的基本性质与分类（一）中子的基本性质中子存在于除氢以外的所有原子核中，是构成原子核的重要组分。自由中子是不稳定的。一个自由中子会自发地转变成一个质子、一个电子(粒子)和一个反中微子，并释放出0.782MeV的能量。自由中子的不稳定性反映中子的静止质量稍大于氢原子质量。mn＝1.0086649u＝939.56530

2、0MeV/c2mH＝1.007825u＝938.7830MeV/c2因此贮存自由中子是不可能的。中子的寿命：自由中子(发生－衰变)的半衰期为T1/2=10.60min中子的电荷：中子总体是电中性（不带电），是中性粒子。中子具有强的穿透能力：中子与物质中原子的电子相互作用很小，基本上不会因使原子电离和激发而损失其能量，因而比相同能量的带电粒子具有强得多的穿透能力。中子在物质中损失能量的主要机制是与原子核发生碰撞。产生两个问题：中子的探测（通过与靶核反应或散射产生的带电粒子的测量得到中子能量信息）和对中子的屏蔽及防护

3、。（后续课程要解决的问题）（二）中子的分类慢中子：E<1KeV包括冷中子、热中子、超热中子、共振中子。其中：热中子的能量约为0.0253eV，与吸收物质原子处于热平衡状态，中子速度~2.2×103m/s。中能中子：E的范围1KeV~0.5MeV；快中子：E的范围0.5MeV~10MeV；特快中子：E>10MeV；二、中子源为了研究中子与物质相互作用以及它们在实际问题中的应用，首先必须要有能够满足不同要求的中子源以产生所需的中子。中子源的分类：加速器中子源反应堆中子源放射性中子源性能更好，多用性强，特别是加速器中子源

4、可实现便携式，使用方便，适合野外及现场使用（一）加速器中子源加速器中子源是利用各种带电粒子加速器去加速某些粒子(带电粒子)，如质子和氘等，用它们去轰击靶原子核产生中子。含义：这种中子源的特点是可以在较广阔的能区内获得强度适中、能量单一的中子束流。特点：在低能加速器上用来产生(0~20)MeV单能中子的核反应：都是放热反应(Q>0)，它们发射中子的能量为：式中：Ed是入射氘核的动能，mn，md和mB分别是中子、入射氘核和剩余核的质量，Q是反应能，θ为中子的出射角。可见：中子的能量不仅和入射氘的动能Ed有关，而且和中子

5、的出射角θ有关。两个反应截面随入射粒子能量的变化如下图所示：两种反应都会因为氘核破裂产生的破裂中子而受到干扰，限制了能够产生单能中子的能区。竞争反应过程T(d,np)T和D(d,np)D的阈能分别为3.71MeV和4.45MeV。是吸热反应(Q<0)；反应：只能得到(120~600)KeV的单能中子，其截面随能量Ep(1.92~2.4MeV)的变化如右图所示：是吸热反应(Q<0)；反应：在θ=0°方向上，可获得(0.29~7.5)MeV的单能中子，其截面随Ep能量的变化如右图所示：利用数百MeV的脉冲强流电子束或质

6、子束轰击238U等重靶，可以产生具有连续能谱的强中子源（称“白光”中子源）。强中子源：结合飞行时间技术（飞行距离200m或更长）可以一次实验获得宽广能区内不同单能点的中子反应截面曲线。与单能中子源相比，不仅效率高、能区全，而且系统误差小。散裂中子源(SNS,SpallationNeutronSource)散裂中子源是目前世界上研究物质微观结构最重要的科学设施之一。它能产生比核反应堆强10~100倍的有效中子束流，将其射入被研究的样品，就可以测定物质的内部结构，研究物理、化学性质和变化规律。工作原理——质子通过大型加

7、速器获得高能量后，轰击重元素靶(如：铅、钨、铀、钍靶)，重靶的原子核不稳定而发生散裂反应，从而中子从原子核内发射出来，每个高能量的质子可以使靶核发出20~30个中子，瞬间就会形成非常强的中子束流。散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广，它可以提供从eV~几百MeV宽广能区的中子，大大地扩展了中子科学研究的范围，拓深了中子科学研究的领域。中子慢化后与样品发生散射，由中子散射谱仪接收。科研人员则利用中子谱仪研究样品最本质的结构细节和动力学性质。中国散裂中子源(CSNS,ChinaSpallationNeutronSourc

8、e)目前，世界上正在运行的三大散裂中子源包括英国卢瑟福实验室散裂中子源、美国橡树岭国家实验室散裂中子源和日本原子能研究机构散裂中子源。中国散裂中子源于2011年10月20日在广东省东莞市奠基，其建成后，将成为发展中国家的第一台散裂中子源，并与正在运行的美国、日本、英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲式散裂中子源。英国散裂中子源已成功运行超过25年，获得大量成