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中子源

中子源是能释放出中子的装置。中子源有很多种,从手持放射性源到中子研究设施的研究堆和裂变源。根据中子的能量、中子通量、设备的大小、花费和政府的管制,这些装置在物理、工程、医药、核武器、石油勘探、生物、化学、核动力和其他工业中有着广泛的用途。

包括同位素中子源、加速器中子源和反应堆中子源。放射性测井中用的镅铍中子源是同位素中子源,而井下中子发生器属于加速器中子源。自由中子是不稳定的,它可以衰变为质子放出电子和反电中微子,平均寿命只有15分钟,无法长期储存,需要由适当的产生方法源源供应。主要方法有以下3种:

利用放射性核素衰变时放出一定能量的射线,去轰击某些靶物质,产生核反应而放出中子的装置。主要基于以下三种核反应: (α, n) 反应、(γ, n) 反应和自发裂变。

(α,n) 中子源: 常以铍 (Be) 作为靶核。放射性同位素Ra(镭)、Po(钋)、Pu(钚)或Am(镅)发射出的α粒子与铍靶核作用而产生中子。其特点是体积小, 一般讲寿命长 (Po-Be源半衰期最短为138.4 d, 其他都长达几百年以上),γ射线剂量率低(Ra-Be源除外),价格贵等。反应堆中常用它作起动中子源。

(γ,n)中子源:亦称光中子源。它常以铍或氘 (D)作为靶核。γ发射体常用Sb(锑) 等。发射的γ与靶核作用产生中子。反应堆内常用Sb-Be源,1Sb半衰期虽短(60.9 d),但在反应堆内可以进行重复照射。现在很多核电厂采用124Sb作次级中子源。

自发裂变中子源:很多重核都能自发裂变放出中子。但一般自发裂变概率小,适宜于作中子源的只有Cf(锎)。特点是体积小,且其放出中子的能谱近似于裂变中子谱。现在很多核电厂采用Cf作初级中子源。

加速器中子源 利用各种带电粒子加速器,加速质子或氘等粒子,去轰击靶核而产生中子的装置。最常用的核反应有(d,n)、(p,n)和(γ,n) 等 ,其中子强度比放射性同位素中子源大得多。可以在很宽的能区上获得单能中子。加速器采用脉冲调制后,可成为脉冲中子源,它可以脉冲工作,也可以连续工作。 [1]

利用原子核裂变反应堆产生大量中子。反应堆是最强的热中子源。在反应堆的壁上开孔,即可把中子引出。所得的中子能量是连续分布的。很接近麦克斯韦分布。特点是中子注量率大,能量谱形比较复杂。

散裂中子源是用高能质子撞击重金属靶,产生极为短暂的高强度中子脉冲,它就像一台超级显微镜,可以研究DNA、结晶材料、聚合物等微观结构。

随着科技的进步,相应研究体系(如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等)的尺度分布越来越大,获得数量在克量级的样品也越来越困难。因此,小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源,散裂中子源应运而生。脉冲散裂中子源突破了反应堆中子源的中子通量上限,正快速向前发展。

散裂中子源是由加速器提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子的大科学装置。通过原子的核内级联和核外级联等复杂的核反应,每个高能质子可产生20~40个中子,每产生一个中子释放的热量仅为反应堆的约1/4(约45MeV)。从反应堆中子源发展到高通量脉冲散裂中子源,使中子探针的功能变得日益强大。散裂中子源的特点是在比较小的体积内可产生比较高的脉冲中子通量,能提供的中子能谱更加宽泛,大大扩展了中子科学研究的范围。

石油钻井作业中,电测需要常常要用到中子源,中子源是一种放射性物质,进行放射源操作时应充分考虑放射源活度、操作距离、操作时间和防护屏蔽等因素,采取最优化的防护措施,以保证操作人员所受剂量控制在可以合理做到的尽可能低的水平。

1.不得徒手操作放射源。无机械化操作时,根据源的不同活度,应使用符合下列要求的工具:

a)大于等于200GBq(5Ci)的中子源和大于等于20GBq(0.5Ci)的γ源,操作工具柄长不小于100cm;

b)小于200GBq的中子源和小于20GBq的γ源,操作工具柄长不小于50cm。

2.放射性测井仪器置于井下的部分(以下简称井下仪器)因其中装有放射源,应使用柄长度不小于50cm的工具擦洗。

3.井下仪器进出井口时,应使用柄长不小于100cm的工具扶持。

4.进行换放射源外壳、弹簧、密封圈或盘根等特殊操作时,应有专用操作工具和防护屏蔽等设备,防护屏蔽靠人体一侧的空气比释动能率应小于1mGyh-1。

5.室外操作放射源时的附加要求:

室外操作放射源时,须在空气比释动能率为2.5μGyh-1处的边界上设置警告标志(或采取警告措施),防止无关人员进入边界以内的操作区域。

6.对使用放射源测井的人员应进行外照射个人剂量常规监测,个人剂量计应能同时满足对γ射线和中子剂量监测。


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