射線與物質(zhì)的相互作用3.ppt

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1、§4.1概述§4.2α粒子與物質(zhì)的相互作用§4.3β射線與物質(zhì)的相互作用§4.4?射線與物質(zhì)的相互作用§4.5?射線在物質(zhì)中的衰減§4.6中子與物質(zhì)的相互作用***第4.6節(jié)中子與物質(zhì)的相互作用一、中子的基本性質(zhì)與分類（一）中子的基本性質(zhì)中子存在于除氫以外的所有原子核中，是構(gòu)成原子核的重要組分。自由中子是不穩(wěn)定的。一個(gè)自由中子會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子(??粒子)和一個(gè)反中微子，并釋放出0.782MeV的能量。自由中子的不穩(wěn)定性反映中子的靜止質(zhì)量稍大于氫原子質(zhì)量。mn＝1.0086649u＝939.56530

2、0MeV/c2mH＝1.007825u＝938.7830MeV/c2因此貯存自由中子是不可能的。中子的壽命：自由中子(發(fā)生?－衰變)的半衰期為T1/2=10.60min中子的電荷：中子總體是電中性（不帶電），是中性粒子。中子具有強(qiáng)的穿透能力：中子與物質(zhì)中原子的電子相互作用很小，基本上不會(huì)因使原子電離和激發(fā)而損失其能量，因而比相同能量的帶電粒子具有強(qiáng)得多的穿透能力。中子在物質(zhì)中損失能量的主要機(jī)制是與原子核發(fā)生碰撞。產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：中子的探測(cè)（通過(guò)與靶核反應(yīng)或散射產(chǎn)生的帶電粒子的測(cè)量得到中子能量信息）和對(duì)中子的屏蔽及防護(hù)

3、。（后續(xù)課程要解決的問(wèn)題）（二）中子的分類慢中子：E<1KeV包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。其中：熱中子的能量約為0.0253eV，與吸收物質(zhì)原子處于熱平衡狀態(tài)，中子速度~2.2×103m/s。中能中子：E的范圍1KeV~0.5MeV；快中子：E的范圍0.5MeV~10MeV；特快中子：E>10MeV；二、中子源為了研究中子與物質(zhì)相互作用以及它們?cè)趯?shí)際問(wèn)題中的應(yīng)用，首先必須要有能夠滿足不同要求的中子源以產(chǎn)生所需的中子。中子源的分類：加速器中子源反應(yīng)堆中子源放射性中子源性能更好，多用性強(qiáng)，特別是加速器中子源

4、可實(shí)現(xiàn)便攜式，使用方便，適合野外及現(xiàn)場(chǎng)使用（一）加速器中子源加速器中子源是利用各種帶電粒子加速器去加速某些粒子(帶電粒子)，如質(zhì)子和氘等，用它們?nèi)マZ擊靶原子核產(chǎn)生中子。含義：這種中子源的特點(diǎn)是可以在較廣闊的能區(qū)內(nèi)獲得強(qiáng)度適中、能量單一的中子束流。特點(diǎn)：在低能加速器上用來(lái)產(chǎn)生(0~20)MeV單能中子的核反應(yīng)：都是放熱反應(yīng)(Q>0)，它們發(fā)射中子的能量為：式中：Ed是入射氘核的動(dòng)能，mn，md和mB分別是中子、入射氘核和剩余核的質(zhì)量，Q是反應(yīng)能，θ為中子的出射角?？梢?jiàn)：中子的能量不僅和入射氘的動(dòng)能Ed有關(guān)，而且和中子

5、的出射角θ有關(guān)。兩個(gè)反應(yīng)截面隨入射粒子能量的變化如下圖所示：兩種反應(yīng)都會(huì)因?yàn)殡似屏旬a(chǎn)生的破裂中子而受到干擾，限制了能夠產(chǎn)生單能中子的能區(qū)。競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)過(guò)程T(d,np)T和D(d,np)D的閾能分別為3.71MeV和4.45MeV。是吸熱反應(yīng)(Q<0)；反應(yīng)：只能得到(120~600)KeV的單能中子，其截面隨能量Ep(1.92~2.4MeV)的變化如右圖所示：是吸熱反應(yīng)(Q<0)；反應(yīng)：在θ=0°方向上，可獲得(0.29~7.5)MeV的單能中子，其截面隨Ep能量的變化如右圖所示：利用數(shù)百M(fèi)eV的脈沖強(qiáng)流電子束或質(zhì)

6、子束轟擊238U等重靶，可以產(chǎn)生具有連續(xù)能譜的強(qiáng)中子源（稱“白光”中子源）。強(qiáng)中子源：結(jié)合飛行時(shí)間技術(shù)（飛行距離200m或更長(zhǎng)）可以一次實(shí)驗(yàn)獲得寬廣能區(qū)內(nèi)不同單能點(diǎn)的中子反應(yīng)截面曲線。與單能中子源相比，不僅效率高、能區(qū)全，而且系統(tǒng)誤差小。散裂中子源(SNS,SpallationNeutronSource)散裂中子源是目前世界上研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)最重要的科學(xué)設(shè)施之一。它能產(chǎn)生比核反應(yīng)堆強(qiáng)10~100倍的有效中子束流，將其射入被研究的樣品，就可以測(cè)定物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究物理、化學(xué)性質(zhì)和變化規(guī)律。工作原理——質(zhì)子通過(guò)大型加

7、速器獲得高能量后，轟擊重元素靶(如：鉛、鎢、鈾、釷靶)，重靶的原子核不穩(wěn)定而發(fā)生散裂反應(yīng)，從而中子從原子核內(nèi)發(fā)射出來(lái)，每個(gè)高能量的質(zhì)子可以使靶核發(fā)出20~30個(gè)中子，瞬間就會(huì)形成非常強(qiáng)的中子束流。散裂中子源能提供的中子能譜更加寬廣，它可以提供從eV~幾百M(fèi)eV寬廣能區(qū)的中子，大大地?cái)U(kuò)展了中子科學(xué)研究的范圍，拓深了中子科學(xué)研究的領(lǐng)域。中子慢化后與樣品發(fā)生散射，由中子散射譜儀接收?？蒲腥藛T則利用中子譜儀研究樣品最本質(zhì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。中國(guó)散裂中子源(CSNS,ChinaSpallationNeutronSourc

8、e)目前，世界上正在運(yùn)行的三大散裂中子源包括英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室散裂中子源、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源和日本原子能研究機(jī)構(gòu)散裂中子源。中國(guó)散裂中子源于2011年10月20日在廣東省東莞市奠基，其建成后，將成為發(fā)展中國(guó)家的第一臺(tái)散裂中子源，并與正在運(yùn)行的美國(guó)、日本、英國(guó)散裂中子源一起，構(gòu)成世界四大脈沖式散裂中子源。英國(guó)散裂中子源已成功運(yùn)行超過(guò)25年，獲得大量成