中子注量是指空间一定点上,一段时间内接收到的不论以任何方向进入以该点为中心小球体的中子数目除以该球体的最大截面积所得的商,常用表示,单位为厘米-2。多数情况下更关注单位时间内接受的中子注量,即中子注量率,常用
表示,单位是厘米-2秒-1。中子注量(率)测量是中子物理研究和应用的重要方面,其准确度直接影响其他中子参数的准确度。
中子注量(率)标准
用于对中子注量(率)测量进行校准的计量标准。
- 英文名称
- neutron fluence(rate) standard
- 所属学科
- 仪器科学与技术
许多中子探测器都可以测量中子注量率,多数为相对测量,为得到中子注量率的绝对值则需要获得探测器的绝对测量效率,为此需要进行绝对测量。绝对测量是指不依赖任何中子注量率标准的测定,反之为相对测量。中子注量(率)标准主要是针对单能或准单能中子建立的,所有中子注量率标准都需采用绝对测量方法,为提高中子反应截面的测量精确度,往往也需要对注量率进行绝对测量。根据测量原理,已建立起来的绝对测量方法可分为包括n-p散射截面及其他中子俘获截面的标准截面法。根据具体测量方法可分为反冲质子法、伴随粒子法(又称核反应法)、伴生放射性法(又称活化法)和慢化法四类。中子能量范围从1兆电子伏特至10吉电子伏特,根据中子测量方法及探测器的技术特性,不同能区或能谱的绝对测量需采用不同的方法和装置。
为便于各种中子数据的绝对测量、中子探测器和测量仪器的校准刻度以及中子计量比对,在热中子至20MeV的中子能量范围内国际标准化组织ISO推荐了12个能量点的单能中子参考辐射场(见表),针对这些中子参考辐射场世界各国的中子计量实验室建立相应的中子注量率标准,国际计量局(BIPM)也为此专门组织了不同能量的中子注量率国际比对。
中子能量/(MeV) | 产生方法 |
2.5×10-8(热中子) | 慢化反应堆或加速器产生的中子 |
0.002 | 钪过滤反应堆中子或通过45Sc(p,n)45Ti反应利用加速器产生 |
0.024 | 铁/铝过滤反应堆中子束或通过45Sc(p,n)45Ti反应利用加速器产生 |
0.144 | 硅过滤反应堆中子束或通过45Sc(p,n)45Ti反应利用加速器产生 |
0.25 | 通过T(p,n)3He和7Li(p,n)7Be反应利用加速器产生 |
0.565 | 通过T(p,n)3He和7Li(p,n)7Be反应利用加速器产生 |
1.2 | 通过T(d,n)4He反应利用加速器产生 |
2.5 | 通过T(d,n)4He反应利用加速器产生 |
2.8 | 通过T(d,n)4He反应利用加速器产生 |
5.0 | 通过T(d,n)4He反应利用加速器产生 |
14.8 | 通过T(d,n)4He反应利用加速器产生 |
19 | 通过T(d,n)4He反应利用加速器产生 |
热中子注量率标准主要针对能量0.025eV的热中子,通过慢化反应堆、加速器或放射性核素中子产生的中子可以形成参考热中子束(场),热中子注量率采用金箔活化和235U裂变电离室两种方法进行绝对测量,能谱由蒙特卡洛模拟计算或中子能谱测量装置确定。金箔活化的方法是将纯度很高的金箔置于热中子场中进行照射,发生197Au(n,γ)198Au反应,根据称量法获得的197Au的原子核数量和4πβ-γ符合方法获得的活化产生的198Au的原子核数量结合197Au(n,γ)198Au活化截面即可推算出热中子注量率,相比于锰、铟和镝等也可用于热中子注量测量的活化片,金的纯度高、截面大,在热中子能区几乎完全遵循1/ν率等特点使其成为最适宜的活化样品。235U裂变电离室是利用235U(n,f)反应及其截面数据,根据电离室测量获得的裂变碎片数量获得热中子注量率的测量结果。金箔活化法的优点是简单,对中子场扰动小,对γ射线不灵敏,测量结果的不确定度小于%(k=1),缺点是无法实时反应中子注量率的变化;235U裂变电离室法的优点是能实时反应中子注量率的变化,对γ射线不灵敏,但由于235U镀层很薄不易准确获得235U原子核的数量,不确定度接近1%(k=1)。
除热中子注量率标准外,10千电子伏特至20兆电子伏特单能中子注量率标准也是传统中子计量的标准,中子注量率参考值的不确定度均接近2%(k=1)。基于标准截面法的测量装置以1H(n,n)1H反应截面为基准,通过测量反冲质子的数目获得中子注量率的结果。不同能量区间的测量装置不同。以氢气或甲烷气作为工作气体的反冲质子正比计数器是(0.1~1.5)兆电子伏特中子注量率标准常用的测量装置,探测效率高、γ抑制能力强,能量测量上限受质子射程限制,测量不确定度主要来源于计数管灵敏体积、管内其他压力和温度、蒙特卡洛方法计算的反冲质子谱、测量距离、σnp反应截面、中子能量、辐射本底、修正因子及测量计数的统计涨落等。采用聚乙烯薄膜作为含氢物质(辐射体)的半导体望远镜是(1.5~5)兆电子伏特中子注量率标准主要的测量装置,γ抑制能力强,能量测量上限受28Si核反应产生的带电粒子本底限制,能量下限受辐射体厚度限制,测量不确定度主要来源于m〔与望远镜几何和(n,p)弹性散射微分截面有关的量〕值计算、样品称重、测量距离、中子散射及本底和计数测量的统计涨落。测量原理与半导体望远镜相同的反冲质子望远镜是(5~20)兆电子伏特中子注量率标准主要的测量装置,优点是能够准确计算探测效率,缺点是探测效率较低,测量不确定度主要来源与半导体望远镜类似。此外伴随质子法和伴随α粒子法分别是2.5兆电子伏特能区和14兆电子伏特能区的中子注量率测量常用的绝对测量方法,这两种方法测量准确度高,装置简单。除上述绝对测量方法及装置外,长中子计数器也是中子注量测量的常用设备,特点是能量响应较好,除前向外对于其他方向的散射中子抑制能力强,γ抑制能力强,性能稳定,虽然不能进行中子注量的绝对测量,但被广泛用作中子注量率测量的次级标准或传递标准。随着20兆电子伏特以上高能中子成为研究与应用的热点,关于该能区的中子注量率标准是各国中子计量关注的重点,主要采用反冲质子望远镜和有机闪烁计数器作为该能区中子注量率绝对测量的装置,不确定度约10%(k=1)。