中子射線的常見分類

2015/2/3 16:19:07

1、熱中子
   熱中子是符合麥克斯韋－玻耳茲曼分布并且其最可幾動(dòng)能約為kT = 0.0253 電子伏特 (4.0×10−21 焦耳)的自由中子，對應(yīng)這一動(dòng)能的速率約為2.2千米/秒。這個(gè)速度也是對應(yīng)于290K（攝氏17度）時(shí)麥克斯韋-玻爾茲曼分布下的最可幾速率。常溫下中子與介質(zhì)的原子核發(fā)生若干次碰撞后，如果沒有被俘獲就會達(dá)到這個(gè)速率。熱中子通常有比快中子大得多的有效中子俘獲截面，也因此會更容易被原子核吸收，形成更重的、通常也不穩(wěn)定的同位素。這個(gè)現(xiàn)像也被稱為中子活化。一些裂變反應(yīng)堆借助于減速劑實(shí)現(xiàn)對快中子的減速，也稱為“熱中子化”。在快中子增殖堆中，快中子被直接利用，沒有減速的步驟。

2、冷中子
   把熱中子冷卻到極低溫度即得到冷中子，比如液氫或液氘。這樣的冷中子源一般放置在研究反應(yīng)堆或散裂中子源的減速劑里。冷中子源對于中子散射試驗(yàn)非常重要。冷中子的能量約5x10−5電子伏特至 0.025電子伏特之間。
核聚變反應(yīng)速率同溫度一起急劇上升，達(dá)到峰值，然后漸漸回落。同其它有希望用于發(fā)電的核聚變反應(yīng)相比，氘−氚（DT）反應(yīng)速率在較低溫度（70 千電子伏特， 約8億K）達(dá)到峰值，而且高于另外的反應(yīng)。

3、超冷中子
  冷中子通過與溫度只有幾K的物質(zhì)（比如固體氘或者超流體液氦）發(fā)生非彈性散射后可以得到超冷中子。其能量小于3x10−7電子伏特。

4、快中子
  快中子是在核裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的自由中子，其動(dòng)能可以達(dá)到1 兆電子伏特 (1.6×10−13 焦耳，對應(yīng)的速度約為14000千米/秒，相當(dāng)于光速的5%。它們被稱作快中子，以區(qū)別于熱中子和宇宙射線或者加速器中產(chǎn)生的高能中子。核反應(yīng)中產(chǎn)生的中子符合麥克斯韋－玻耳茲曼分布，其能量在0到~14兆電子伏特之間。鈾−235產(chǎn)生的中子平均能量為2兆電子伏特，且超過一半的中子不是快中子。因此僅僅靠鈾−235裂變產(chǎn)生的中子無法引發(fā)增殖性材料（比如鈾−238和釷−232）的裂變。
  快中子可以通過減速變成熱中子。在核反應(yīng)堆中，通常使用輕水、重水、或石墨來使中子減速。
5、聚變中子
 氘−氚（DT）聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量較高的中子，動(dòng)能為14.1兆電子伏特，對應(yīng)的速度相當(dāng)于光速的17%。這些中子是快中子能量的近10倍。氘−氚反應(yīng)也是最容易點(diǎn)火的反應(yīng)之一。在氘核和氚核的動(dòng)能達(dá)到14.1兆電子伏特的千分之一時(shí)，該反應(yīng)就幾乎達(dá)到峰值反應(yīng)速率。
聚變中子可以有效的引發(fā)不可裂變的重元素（比如錒系元素）的裂變，并釋放出更多的中子。因此，有人提議用將來的托卡馬克氘−氚聚變反應(yīng)堆來嬗變核廢料中的超鈾元素。散裂中子源也使用14.1兆電子伏特的中子產(chǎn)生中子。
因?yàn)榫圩冎凶硬皇且�起裂變就是散裂，它難以被其它核吸收。氫彈核武器正是利用了這一特性。首先，聚變反應(yīng)產(chǎn)生高能量中子。下一步，不可裂變材料（比如鈾-238）在這些中子的轟擊下發(fā)生裂變。這很顯然帶來了一些核安全和擴(kuò)散上的問題：如果有人掌握了聚變反應(yīng)，他們也許就可以用無法制造原子彈的核材料（比如貧化鈾和反應(yīng)堆級钚）制造熱核武器。
另外一些聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子能量較低。比如氘−氘（DD）聚變有50%的幾率生成一個(gè)2.45兆電子伏特的中子和一個(gè)氦-3核；還有50%的幾率生成氚核和一個(gè)質(zhì)子。氘−氦−3（D-3He）聚變不生成中子。

6、中能中子
   能量介于快中子和熱中子之間的中子稱為中能中子。這種中子的能量在1電子伏特至10電子伏特之間。中子俘獲和核裂變的中子反應(yīng)截面在這個(gè)能量區(qū)間有個(gè)多共振峰。中能中子在快中子堆和熱中子反應(yīng)堆中并不重要。但在減速不良的熱中子反應(yīng)堆中，中能中子可能引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)反應(yīng)性的變化，使得反應(yīng)的控制更加困難。
某些核燃料吸收中子后并不一定裂變，比如镮−239，這種性質(zhì)可以用俘獲/裂變的比率來描述。因?yàn)榉�獲事件不但浪費(fèi)了一個(gè)中子，而且通常會生成熱中子或中能中子無法裂變的核。鈾−233是個(gè)例外。對任何能量的中子，鈾−233的俘獲/裂變比都很好。

7、高能中子
   高能中子是加速器轟擊靶子或高能宇宙射線轟擊大氣層所產(chǎn)生的次生粒子。其能量比快中子高得多。有的高能中子可以擁有數(shù)十焦耳的動(dòng)能。它們具有極強(qiáng)的電離性能，比X射線和質(zhì)子更能造成細(xì)胞的損傷和死亡。