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技术撑持/Technical Support

中子剂量仪系列——如何获取中子

发布日期:2021-03-18 浏览次数:10

中子是何物,几乎所有人应该都知道,或者至少在物理课上曾经听说过中子。这些由小束的夸克组合形成的复合粒子绝不仅仅只是原子核的组成部门之一,除了在绝大多数情况下可以使得物质保持不变之外,自由中子还可以通过多种方法获得并加以运用。

从分解原子(即核裂变),到通过添加中子来改变原子的组成(即嬗变),再到操作中子来检测水及各种材料布局等等,中子是科研、医学以及工业等领域中一种不成或缺的工具。因此,人们正在朝着成长更好的中子源这一目标在不竭地努力。尽管从目前来看,核裂变仍然是最为有效的获得大量中子的方法,然而对于大多数的实际应用来说,需要使用更加紧凑简洁、相对不那么复杂的方法,因此在有些情况下,也会用核聚变方法获得中子。

在本文中,我们将简述中子源的许多应用,以及这些中子源本身。

 

1 微小的中子

从严格意义上来说,中子和质子一样属于强子。这意味着它们都是复合粒子,由两个或两个以上的夸克组成。对于质子和中子来说,它们均包含三个夸克。这使得它们成为强子中的重子。它们的区别在于中子由两个下夸克和一个上夸克组成,而质子则由两个上夸克和一个下夸克组成。这听起来可能会令人感到猜疑,但理解亚原子世界如何影响我们周围的一切长短常主要的。

中子在核外是不不变的,其半衰期约为10分钟11秒,此后β衰变为质子。中子的一个下夸克发出W-玻色子,然后衰变成一个电子和一个反中微子:

n0 → p+  + W- → p+ + e- + `νe

(1)

或者使用夸克符号来暗示:

udd → uud + W-  → uud + e- + `νe

(2)

这些中子在发生β衰变时,约有千分之一会产生伽马射线,这是内韧致辐射的一种形式。当发射的β粒子(电子)与质子(带正电)彼此作用时,会导致这种情况的发生。

 

2 不不变的中子

       即使在原子核内部,中子也不必然不变。核素是必然数目质子和中子结合所形成的集合,它所形成的量子力学系统可能会也可能不会形成不变的能态。本质上来看,倘若核素内部所存在的能态较低,则可能会发生中子衰变。例如,碳-14(由6个质子与8个中子组成)将会衰变为更加不变的氮-14(由7个质子与7个中子组成)。

       在束缚态中子衰变的过程中,我们可以看到与自由态中子衰变类似的过程。这与β-衰变和电子俘获的过程不同,后面提到的这两个过程是核素中的质子转变为中子的两个过程。后一种类型对于实现我们的目的非常有帮手,我们将不才一部门中看到。

 

3产生自由中子

       由于中子不能在核素之外持久存在,因此意味着必需在需要它的地方产生自由中子。最简单的方法是选用一种同位素,且该同位素在放射性衰变过程中会发出中子,例如锎-252或铍-13:


此外,我们还找到了别的一个非常有趣的中子源——氘(D)和氚(T)之间的核聚变:

在简单的惯性静电约束(InertialElectrostatic Confinement, IEC)设备中,例如在聚变反应器中,使用便宜的D-T燃料相对较为轻易,这使得D-T成为了在科学研究和医学领域中运用较为广泛的中子源。从而准许设备在其整个使用周期内以恒定的速率按照需求任意的产生中子。

 

4 中子在火星探测中的运用

       多年来一直在火星上从事科研探测工作的“好奇号”火星车上装有一种称为DAN的仪器,它是中子动态反照率(DynamicAlbedo of Neutrons)的缩写。    该仪器是通过使用中子束离地约80厘米处对准发射。中子在与土壤发生彼此作用后会被散射回它的传感器,从而提供有关土壤成分含量的信息,尤其是水分含量的信息。能够实现这一功能主要是由于中子和氢元素的彼此作用。

       以上所提到的DAN仪器使用了由VNIIA制造的基于ING-10K中子管的脉冲中子发生器(图1)。它每个脉冲发射107个中子,在3年的使用寿命内额定发生107个脉冲。这些中子发生器通常使用的是D-T聚变,使用线性加速器将氘、氚或它们的组合加速为包含这些同位素的金属氢化物靶。当有足够的能量克服库仑势垒时,这些同位素核素将发生聚变并释放出中子。

图1 VNIIA ING-10K中子发生器模块(图片由VNIIA提供)


5 中子在医学领域中的运用

       中子管与碰撞束聚变的概念类似,包罗前面所提到的聚变反应器以及多面势阱型聚变反应器(Polywell)中也是如此,它们都是采用IEC原理来实现聚变的。聚变反应器使用两个球形网格,使用相反的电荷来加速同位素。多面势阱型聚变反应器的作用与之基本不异,但在反应过程中试图消除这些物理网格,以提高聚变反应的效率。


       且不论确切的配置是怎样的,这样的IEC设备在医学同位素领域引起了极大的爱好,特殊是钼99(99 Mo)。这种不凡的同位素亚稳态的锝-99m(99mTc)的前体。99mTc衰变至99Tc的半衰期为6.01小时。而99mTc在医学中作为放射性示踪剂至关主要,因为它在衰变过程中会发出清楚可检测的104 keV的γ射线,所以常被用于人体成像研究。

图2 美国布鲁克海文国家尝试室的1958年出产的锝99m发生器

       可不幸的是,99 Mo的主要来源是极少数的裂变反应堆,这些反应堆中主要进行的是中子轰击235U的过程。由于这些反应堆需要经常维护或更换,导致反应堆停机时间长,由此使得99 Mo的产量有限,其短缺已然成为一个非常要害的问题。因此人们也在寻找其它的替代方案,而其中一个就是使用IEC聚变装置作为中子源。

       一家名为Phoenix LLC的欧宝体育入口|欧宝体育官网APP提出的一种有前途的方法,即使用直线加速器聚变装置来产生中子,用产生的中子辐照铀靶,使其裂变并产生99 Mo和其他同位素。然后就可以将99Mo分离出来并运送到病院并装入锝99m发生器。按照Phoenix欧宝体育入口|欧宝体育官网APP的说法,这种99 Mo的出产预计将于2021年最先,并于2022年实现商业化规模的推广。

 

6中子成像


       使用中子对物体的成像与使用X射线的成像非常相似,主要的区别在于产生图像的方式。对于X射线来说,生成的图像取决于其所碰到的材料的密度,因此最终图像取决于X射线被衰减了多少。而通过中子成像,中子与材料的彼此作用以及它们的物理(分子)性质,决定了将有多少中子到达传感器。中子成像的成果类似于X射线,但是由于中子相对于X射线来说,与物体之间的彼此作用方式存在较大的不同,因此存在必然的差异,如图3所示。

图3 手电筒通过中子成像与X射线成像成果的对比,其中上图为中子成像成果,下图为X射线成像成果(图片由Phoenix,LLC提供)

在中子成像过程中,中子产生后必需将它们放慢到成像所需的速度。中子的速度将会影响穿透深度和最终成像的成果,所以我们可以通过改变中子速度实现对成像过程的微调。中子成像的应用范围从查验成品(包罗焊接件、铸件、涡轮叶片、核燃料棒和工业上的高精度部件),到探测爆炸物(如在战区)等其他拟实现的用途。

与中子成像不同的是中子活化阐发(Neutron Activation Analysis, NAA),这实际上也是“好奇号”上的DAN模块所进行的工作。


基于核聚变的中子发生器在中子成像及相关技术的使用中变得越来越遍及,这可能归因于其更小,更高效的装置。美国军方的NEMESIS(中子发射移动炸药传感和识别系统)计划就是一个例子(图4),使用小型中子装置可以使得检测爆炸物变得轻易,例如它可以检测简易爆炸装置(IED)和地雷等,甚至对正常情况下检测相对棘手的,即使使用金属探测器和探地雷达也难以探测的无金属地雷也可实现高效的检测。

图4 NEMESIS爆炸物探测器原型(图片由Phoenix,LLC提供)


鞭策NEMESIS计划进行的是之前提到的PhoenixLLC欧宝体育入口|欧宝体育官网APP,他们暗示他们相信在将来,这样的NAA和中子成像设备不仅可以用于执行危险任务,并且还可以用于更常规的任务,例如桥梁和航空电子的查抄等。按照Phoenix欧宝体育入口|欧宝体育官网APP的说法,他们目前最大的努力是改进检测算法,并且使得设备更加坚固和经济。

 

7 超越科幻小说

       尽管这其中有很多功能听起来都很让人觉得神奇,例如,“看”向地面就可以找到任何埋藏于其中的炸药,或者能够看到涡轮叶片或焊件内部的破损,但人们可以将其视为像X射线这样的通用技术的成长。尽管在20世纪初后,人们便发现X射线及其类似射线的简便的产生方法,但是过去几十年来,不需要使用核裂变反应堆的出产大量中子的有效方法已然在不竭的更新和成长。

       聚变设备具有很多优势,其维护也相当简单。对于开式聚变设备来说,可以持续的供给氘-氚(或氘-氘)燃料,在设备运行时也无需进行维护。唯一的缺点就是,设备的发生器组件因中子激活而具有必然的放射性。不外这些成分都属于放射浓度较低或中等的放射性废物,就类似于尝试室和病院产生的废物,相对来说较为轻易处理。

       尽管使用中子源进行环境阐发的手持式扫描设备的前景还需要时间成长,但中子成像仍然很有可能在很多方面改善人们的生活,就像X射线所做的一样。

中子剂量仪——YT-0611N球型中子剂量率仪(雷姆仪)


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