中子測井中子課件

第四講

射線與物質的相互作用（4）RadiationInteractionswithMatter中子與物質的相互作用第四講

射線與物質的相互作用（4）RadiationI1A.SpontaneousFission自發(fā)裂變源1)Themostcommonspontaneousfissionsourceis252Cf;2)Half-time:2.65y;3)thedominantdecaymechanismisαdecay;4)theenergyspectrumofneutronsisplottedinfig.1-10.1NeturonSourceA.SpontaneousFission自發(fā)裂變源12中子測井中子課件3Severaldifferenttargetmaterialscanleadto(α,n)reactionsforthealphaparticleenergieswhicharereadilyavailableinradioactivedecay.ThemaximumneutronyieldisobtainedwithBeasthetarget:2)The239Pu/Besourcesisprobablythemostwidelyusedofthe(α,n)isotopicneutronsources,seetable1-6.B.Radioisotope(α,n)Sources同位素源It’sQ-value:5.71MeV.Severaldifferenttargetmater4中子測井中子課件5中子測井中子課件6Someradioisotopegamma-rayemitterscanalsobeusedtoproduceneutronswhencombinedwithanappropriatetargetmaterial.Theresultingphotoneutronsourcesarebasedonsupplyingsufficientexcitationenergytoatargetbyabsorptionofgamma-rayphotontoallowtheemissionoffreeneutron.Onlytwotargetnuclei,9Beand2H,areofanypracticalsignificationforradioisotopesource.C.PhotoneutronSources

Someradioisotopegamma-rayem7中子測井中子課件81)Themaindisadvantageofphotoneutronsources:Itisneededthatverylargegamma-rayactivitiesmustbeusedinordertoproduceneutronsourcesofattractiveintensity.onegammaray(105or106)→oneneutron2)Someofthemorecommongamma-rayemittersare226Ra,124Sb,72Ga,140Laand24Na.Notes:1)Themaindisadvantageofph9中子測井中子課件10Becausealphaparticlesaretheonlyheavychargedparticleswithlowzconventientlyavailablefromradioisotopes,reactionsinvolvingincidentprotons,deuterons,andsoon,mustrelyonartificallyacceleratedparticles.Twoofthemostcommonreactionofthistypeusedtoproduceneutronsare:D．ReactionsFromAcceleratedChargedParticle(“neutrongenerator”)D—DD—T17.6MeV(Q-value)3.26MeV(Q-value)1)1mAD(acceleratedpotentiao100~300keV)→109n/s(D-D),1011n/s(D-T).2)Otherneutrongenerators(higherenergy):9Be(d,n),7Li(p,n),3H(p,n)Notes

:Becausealphaparticlesare112

中子的分類與性質（1）中子的分類2)中能中子：1KeV～0.5MeV。1)慢中子：0～1KeV。包括冷中子、熱中子、超熱中子、共振中子。3)快中子：0.5MeV～10MeV。4)特快中子：>10MeV。熱中子：與吸收物質原子處于熱平衡狀態(tài)，能量為0.0253eV，中子速度~2.2×103m/s.2中子的分類與性質（1）中子的分類2)中能中子：1KeV12（2）中子的性質質量：mn＝1.008665u＝939.565300MeV/c2自旋：sn＝1/2,費米子電荷：0，中性粒子磁矩：

n＝－1.913042

N中子壽命：發(fā)生

－衰變的半衰期T1/2=10.60min（2）中子的性質質量：mn＝1.008665u＝939.56133中子與物質的相互作用（1）中子的散射1)彈性散射(n,n)中子與物質的相互作用實質上是中子與物質的靶核的相互作用。出射粒子仍為中子、剩余核仍為靶核。出射中子的動能：反沖核的動能：當反沖核為質子(氫核)時，M＝m，上式變?yōu)椋寒?/p>

=0時，反沖質子能量最大，Tp=Tn3中子與物質的相互作用（1）中子的散射1)彈性散射14反沖質子在實驗室座標系中的能量分布的概率密度函數為：即對入射的單能中子而言，實驗室坐標系中，其反沖質子的能量分布是一個矩形，最大能量為Tn，最小為零。這個關系可用于快中子能譜測量。2)非彈性散射(n,n’

)入射中子的能量損失不僅使靶核得到反沖，且使靶核處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的靶核退激時放出一個或幾個特征光子，在核分析技術中有重要的應用。反沖質子在實驗室座標系中的能量分布的概率密度函數為：即對入射15（2）中子的俘獲1)中子的輻射俘獲(n,

)中子射入靶核后與靶核形成一個復合核，而后復合核通過發(fā)射一個或幾個特征光子躍遷到基態(tài)。這些特征光子不同于(n,n’)的特征光子。由于這些光子的發(fā)射與復合核的壽命相關，一般很快，故稱為“中子感生瞬發(fā)射線”，同樣在核分析技術中有重要的應用。復合核的形成。當發(fā)生(n,

)反應后，新形成的核素是放射性的，就是常說的“活化”，測量活化核素的放射性可以用來測量中子流的注量率區(qū)分中子的能量范圍。（2）中子的俘獲1)中子的輻射俘獲(n,)中162)發(fā)射帶電粒子的中子核反應如(n,

)，(n,p)等，這些反應在中子探測中應用很多，成為探測中子的主要手段。如(n,2n)，(n,np)等，這些反應的閾能較高，在8～10MeV以上，只有特快中子才能發(fā)生。3)裂變反應(n,f)4)多粒子發(fā)射2)發(fā)射帶電粒子的中子核反應如(n,)，(n174中子探測的基本方法中子探測的特點：1)中子為中性粒子，不能直接引起探測介質的電離、激發(fā)。2)在探測器或探測介質內必須具備能同中子發(fā)生相互作用產生可被探測的次級粒子的物質(輻射體)，中子在輻射體上發(fā)生核反應、核反沖、核裂變等次級過程，產生帶電的次級粒子，如，p，f

等，探測器記錄這些次級粒子并輸出信號。3)中子與輻射體有較大的作用截面，以獲得較大的中子探測效率。4中子探測的基本方法中子探測的特點：1)中子為中性粒子18（1）核反應法主要的核反應有：反應截面與中子能量的關系：1/v規(guī)律，即隨中子能量增加，反應截面減小，因此核反應法適用于慢中子的測量，尤其是熱中子的測量。（1）核反應法主要的核反應有：反應截面與中子能量的關系：19反應均為放熱反應，反應能Q在生成核與出射粒子之間分配。由于反應能Q比較大，又主要用于慢中子探測，即：故出射粒子能量難以反映慢中子的能量，因此，核反應法常用于中子注量率的測量。這時，Q大易于甄別去除本底信號。探測介質中含有上述核素的氣體探測器、閃爍探測器，或上述材料作為外輻射體的半導體探測器均可用核反應法進行中子探測。反應均為放熱反應，反應能Q在生成核與出射粒子之間分配。由于反20（2）核反沖法中子與靶核的彈性碰撞產生反沖核。主要發(fā)生在氫核上，常用含氫物質作為輻射體。反沖質子使探測介質電離、激發(fā)而產生輸出信號。反沖質子能量：反沖質子數：

反沖質子的能譜為矩形分布。此法主要用于快中子的探測，尤其是快中子能量的測量。因此，探測介質中富含含氫物質的探測器，如含氫正比管、有機閃爍體等適用于核反沖法測量快中子能譜。（2）核反沖法中子與靶核的彈性碰撞產生反沖核。主要21（3）核裂變法中子與重核發(fā)生核裂變產生裂變碎片，裂變碎片是巨大的帶正電荷的粒子，能使探測器輸出信號。通過測量碎片數，可求得中子注量率。裂變碎片的總動能為150～170MeV，形成的脈沖幅度比本底脈沖幅度大得多，可用于強輻射場內中子的測量。熱中子可引起的核裂變核：233U，235U，239Pu。如235U的熱中子截面為580b。對慢中子滿足1/v規(guī)律，僅適用于熱中子的注量率測量。一些重核只有當中子能量大于某一閾能才能發(fā)生核裂變，可用此判斷中子的能量。（3）核裂變法中子與重核發(fā)生核裂變產生裂變碎片，裂變碎片是22（4）活化法選用一些核素具有較高的活化截面，活化后放射性核素也具有較易測量的放射性。如：測量粒子的發(fā)射率可確定中子的注量率。一般，熱中子的活化截面較高，此法適用于熱中子的注量率的測量。（4）活化法選用一些核素具有較高的活化截面，活化后放射性核23非放射性核素樣品置于中子場中受照變?yōu)榉派湫院怂貥悠窚y量樣品的

放射性活度和能量樣品在中子束照射下，通過(n,

)反應生成放射性核素，不同放射性核素的半衰期和射線的能量都是不同的，如同人的指紋一樣，

這叫“核指紋”特征。測量樣品的

放射性活度和射線能量，可以確定靶樣品中某種核素的含量和種類。取出放射性核素樣品冷卻合適時間計算樣品的物質成分和含量應用1：中子活化分析非放射性核素樣品置于中子場中受照變?yōu)榉派湫院怂貥悠窚y量樣品的24照射冷卻4小時后測量有8種痕量元素，4周后測量發(fā)現其他元素存在。

能量MeV

計數中子活化分析頭發(fā)水質樣品能譜圖頭發(fā)的“微量元素譜”中子活化分析檢驗出1英寸長頭發(fā)中的14種元素?？茖W家認為100萬人中，只有兩人9種元素可能相同。照射冷卻4小時后測量有8種痕量元素，4周后測量25核技術基礎知識核素同位素豐度探測限*（g）55Mn100%10-11–10-12107Ag51%10-9–10-10197Au100%10-10–10-1164Ni1.2%10-7–10-875As100%10-9–10-10202Hg30%10-8–10-965Cu31%10-9–10-10121Sb57%10-9–10-10*測量1小時放射性計數100探測效率10%中子活化（n,

）分析探測限核技術基礎知識核素同位素豐度探測限*（g）55Mn126中子測井應用2：中子測井中子—中子中子壽命中子—伽馬中子活化利用中子與物質相互作用的各種效應研究鉆井剖面巖層性質的一組方法中子應用2：中子測井中子—中子中子壽命中子—伽馬中子活化利用27中子一超熱中子測井強減速性元素氫中子—熱中子測井強吸收性元素氯硼油水層孔隙度巖層孔隙度油氣層界面特殊中子性質礦產中子源放出快中子，經過一系列碰撞而減弱到熱能狀態(tài)，最后被吸收中子的空間分布與物質的減速及吸收性質密切相關。測量源附近中子分布狀態(tài)來研究巖層減速性質或吸收性質的方法中子-中子測井中子一中子測井中子一超熱中子測井中子—熱中子測井油水層孔隙度巖層孔隙度28中子-伽馬測井原理：與中子—中子測井法相似。區(qū)別在于不是測定中子的空間分布，而是測量熱中子被組成巖石的原子核俘獲后放出的二次伽馬射線。應用：劃分地質剖面、尋找氣層和劃分氣水界面、劃分油水界面.碳和氧的快中子非彈性散射產生能量差別較大的γ射線（4.43和6.13兆電子伏）γ峰計數比確定碳氧含量比判別地層油水含量狀況中子-伽馬測井原理：與中子—中子測井法相似。區(qū)別在于不是測定29原理及應用：不同巖性的地層和不同的孔隙液體，熱中子壽命τ

不一樣，可以利用它來區(qū)分油水層，劃分油、氣、水界面。中子壽命測井：測量熱中子被地層俘獲所需時間與深度變化關系熱中子壽命τ：測井探管中中子發(fā)生器（中子管）釋放出的14兆電子伏脈沖快中子束，與井液和地層原子核發(fā)生連續(xù)碰撞而很快地被減速成熱中子。從脈沖快中子變?yōu)闊嶂凶拥乃查g起，到熱中子大部分（約63.7％）被周圍物質吸收時止，熱中子所經過的這段平均時間。油氣層和含鹽量高的水層含氯量差別很大，氯對熱中子有特殊俘獲能力中子壽命測井是劃分油水層的重要方法。100個熱中子經歷τ時間36個熱中子中子壽命測井原理及應用：不同巖性的地層和不同的孔隙液體，熱中子