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技术文章

中子射线的常见分类

2015/2/3 16:19:07

1、热中子
   热中子是符合麦克斯韦－玻耳兹曼分布并且其最可几动能约为kT = 0.0253 电子伏特 (4.0×10−21 焦耳)的自由中子，对应这一动能的速率约为2.2千米/秒。这个速度也是对应于290K（摄氏17度）时麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的最可几速率。常温下中子与介质的原子核发生若干次碰撞后，如果没有被俘获就会达到这个速率。热中子通常有比快中子大得多的有效中子俘获截面，也因此会更容易被原子核吸收，形成更重的、通常也不稳定的同位素。这个现像也被称为中子活化。一些裂变反应堆借助于减速剂实现对快中子的减速，也称为“热中子化”。在快中子增殖堆中，快中子被直接利用，没有减速的步骤。

2、冷中子
   把热中子冷却到极低温度即得到冷中子，比如液氢或液氘。这样的冷中子源一般放置在研究反应堆或散裂中子源的减速剂里。冷中子源对于中子散射试验非常重要。冷中子的能量约5x10−5电子伏特至 0.025电子伏特之间。
核聚变反应速率同温度一起急剧上升，达到峰值，然后渐渐回落。同其它有希望用于发电的核聚变反应相比，氘−氚（DT）反应速率在较低温度（70 千电子伏特， 约8亿K）达到峰值，而且高于另外的反应。

3、超冷中子
  冷中子通过与温度只有几K的物质（比如固体氘或者超流体液氦）发生非弹性散射后可以得到超冷中子。其能量小于3x10−7电子伏特。

4、快中子
  快中子是在核裂变反应中产生的自由中子，其动能可以达到1 兆电子伏特 (1.6×10−13 焦耳，对应的速度约为14000千米/秒，相当于光速的5%。它们被称作快中子，以区别于热中子和宇宙射线或者加速器中产生的高能中子。核反应中产生的中子符合麦克斯韦－玻耳兹曼分布，其能量在0到~14兆电子伏特之间。铀−235产生的中子平均能量为2兆电子伏特，且超过一半的中子不是快中子。因此仅仅靠铀−235裂变产生的中子无法引发增殖性材料（比如铀−238和钍−232）的裂变。
  快中子可以通过减速变成热中子。在核反应堆中，通常使用轻水、重水、或石墨来使中子减速。
5、聚变中子
 氘−氚（DT）聚变反应产生能量较高的中子，动能为14.1兆电子伏特，对应的速度相当于光速的17%。这些中子是快中子能量的近10倍。氘−氚反应也是最容易点火的反应之一。在氘核和氚核的动能达到14.1兆电子伏特的千分之一时，该反应就几乎达到峰值反应速率。
聚变中子可以有效的引发不可裂变的重元素（比如锕系元素）的裂变，并释放出更多的中子。因此，有人提议用将来的托卡马克氘−氚聚变反应堆来嬗变核废料中的超铀元素。散裂中子源也使用14.1兆电子伏特的中子产生中子。
因为聚变中子不是引起裂变就是散裂，它难以被其它核吸收。氢弹核武器正是利用了这一特性。首先，聚变反应产生高能量中子。下一步，不可裂变材料（比如铀-238）在这些中子的轰击下发生裂变。这很显然带来了一些核安全和扩散上的问题：如果有人掌握了聚变反应，他们也许就可以用无法制造原子弹的核材料（比如贫化铀和反应堆级钚）制造热核武器。
另外一些聚变反应产生的中子能量较低。比如氘−氘（DD）聚变有50%的几率生成一个2.45兆电子伏特的中子和一个氦-3核；还有50%的几率生成氚核和一个质子。氘−氦−3（D-3He）聚变不生成中子。

6、中能中子
   能量介于快中子和热中子之间的中子称为中能中子。这种中子的能量在1电子伏特至10电子伏特之间。中子俘获和核裂变的中子反应截面在这个能量区间有个多共振峰。中能中子在快中子堆和热中子反应堆中并不重要。但在减速不良的热中子反应堆中，中能中子可能引发链式反应反应性的变化，使得反应的控制更加困难。
某些核燃料吸收中子后并不一定裂变，比如镮−239，这种性质可以用俘获/裂变的比率来描述。因为俘获事件不但浪费了一个中子，而且通�；嵘扇戎凶踊蛑心苤凶游薹驯涞暮恕Ｓ�−233是个例外。对任何能量的中子，铀−233的俘获/裂变比都很好。

7、高能中子
   高能中子是加速器轰击靶子或高能宇宙射线轰击大气层所产生的次生粒子。其能量比快中子高得多。有的高能中子可以拥有数十焦耳的动能。它们具有极强的电离性能，比X射线和质子更能造成细胞的损伤和死亡。

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