共振中子

核能术语

能量在热中子之上的中子可分为慢中子和快中子，对不同的应用，划分的界限不一定相同。在100eV以下的能区，往往包含着若干个共振，在一个狭窄的能量区域内，其截面可增加或减小几个数量级，通常把具有共振吸收相应能量的中子称为共振中子。

定义

中子透过物质的能力直接取决于该物质各核素的中子吸收截面。中子和物质的作用过程一般如下:中子被物质靶核吸收，形成复合核处于激发态的复合核通过出射Ganma射线或其它粒子(如中子、质子等),回复到稳态。当复合核的能量接近某一激发态的能量时,中子同靶核相互作用的几率急剧增加,出现所谓的共振吸收现象。共振吸收在中子截面曲线上的直观表现就是在某些能量区域出现的一个个孤立的共振峰。下面图 1是 C、H、N、O等核素的共振谱曲线。通常来说，每个核素的共振谱曲线都是独特的 , 因此利用共振峰的位置、强度与核素的对应关系,可以准确地测定物质中不同核素的含量。

原理简析

大多数爆炸危险品通常由C H O N等元素构成，而这些元素在0.5— 7MeV能量区间，具有显著的中子共振现象,见图 1。假设需要探测物质里感兴趣的n种不同元素，每个元素取m种不同能量对应的共振峰（m ≥ n可构建出以下方程组：

这里，是元素j的质量厚度（单位为g/cm2），是能量i处元素j的中子吸收截面，I是入射样品前能量为的中子强度，i是透射样品后能量为的中子强度。这样的线性方程组是很容易求解的。将得到的各元素质量厚度与其原子量比值进行比较, 就可以得到测量物质的化学成份比(摩尔当量比):

其中，A是元素的原子量。

一般来说,至此就可以直接判定测量物质的种类了。对于某些化学成份相同的不同物质 ,可以借助其它化学手段进行进一步的判定上述数值计算过程可以和测量数据获取和分析系统结合在一起 ,由计算机系统自动统一完成。

基本组成

利用中子共振谱进行爆炸物等危险品精确探测的系统通常需要包括两大主要部分:中子源、中子能谱探测与分析系统。从图1中可以看到C、H、N、O等核素的共振中子能量集中在0.5 — 7MeV能量区间。从现有中子源来看, 用于这种爆炸物探测的最好中子源是基于（D D）反应的加速器中子源，在入射粒子能量处于0.1 ~4 5MeV间时，该中子源可以产生能量在2. 4 ~8 0MV区间的单能中子束。除了加速器中子源之外,也可以使用反应堆中子源。这里所说的反应堆特指最常见的热中子反应堆,因此为了适应使用快中子探测爆炸物质的要求, 需要在这种反应堆上采取一些特殊技术措施以产生足够的快中子束,比如在热中子反应堆水平孔道内加装含U或U裂变材料的转换靶,以提高输出中子束中快中子份额,从而满足探测爆炸物质的中子束能量要求。

加速器中子源和反应堆中子源都有设备庞大、造价高昂且无法移动的固有缺点, 无法在港口、机场或车站直接使用。而便携式放射性中子源易于移动 ,比较适宜于现场使用, 但这种中子源强度又通常不足。经比较,在常用的几种放射性中子源中，自发裂变中子源C相对来说是比较适用于爆炸物等危险品探测的, 但关键问题是需设法提高这种源照射样品时的中子束强度。

用于准确测量共振峰中子能量的中子能谱探测和分析系统,通常是以飞行时间法为基础。飞行时间方法的基本原理是通过测量中子飞行一定距离所需要的时间来测定中子的能量。飞行时间方法要求中子源必须是脉冲的,在稳态反应堆中子源上,一般需用机械斩波器将连续中子束切割成一些列宽度相等的脉冲中子束;而加速器中子源通常本身就是脉冲源, 可直接应用飞行时间法。

由于C H O N等待测元素的中子共振区集中在0.5 ~7MeV间，因此中子探测器可以采用L玻璃闪烁体和光电倍増管相结合的探测技术。考虑到中子及其伴随Y射线的强穿透性，测量系统周围还需要堆砌混凝土等屏蔽体, 以确保人员和设备的安全。

结论

X 射线技术是用于易燃易爆等危险物品探测的常规方法,但由于这种基于物质密度不同来区分物质种类的探测方法准确性不够理想。中子共振谱则只和物质构成的元素密切相关,因此利用中子共振谱技术可以准确地判定物质中各元素的准确含量,进而可以准确地判定测量物质的种类。各种爆炸危险品的主要成分是 C、H、N、O等元素，这些元素在0.5 ~7. 5MV能量区间具有显著的中子共振谱特征, 利用该区间各共振峰的中子吸收截面差异可以得到这些元素在物质中的精确含量比, 从而达到直接判定待测物质种类的目的。中子共振谱探测系统主要包括中子源、中子能谱探测与分析系统两大部分。中子共振探测技术可以充分应用在国防、民用安全检测和防恐等领域中,具有良好的实用前景。

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