冷中子

物理学名词

冷中子（cold neutron）是指动能为毫电子伏量级或更低量级的中子能量小于0.005电子伏（波长大于4埃）。在常温慢化剂的正常反应堆的中子谱中，冷中子所占份额仅2%左右。为获得高强度的冷中子，在反应堆的反射层中安装载有低温的慢化剂，如液氢容器，用以降低局部区域中子温度，这种冷源可使冷中子份额增大1—2个量级。

概念解释

冷中子的德布罗意波波长比热中子的长，如动能为0.1毫电子伏的冷中子，波长为2.9纳米。散射特性适合于研究凝聚态物质的亚结构及激发，特别是高分子化合物和生物大分子。这种技术现已扩展到中子动能更低的范围（10－7电子伏以下），提供了超冷中子，可以制成中子并将中子储存起来，为研究自由中子性质如中子β衰变、中子电荷和中子电偶极矩等提供有力工具，而这些研究在基础物理学上有其重要性。

冷中子是用温度作低能区中子能量范围划分的一种习惯说法。在媒质中，中子通过同原子核等粒子的碰撞，达到热平衡时，其能谱服从温度接近于媒质温度的麦克斯韦分布。因此，中子的能量也可以用温度来表示。如，室温（293.6K）热中子的最可几能量为0.0253eV。一般把能量低于 5×10－3eV的中子叫做“冷中子”。中子谱低能端能量分布可以用麦克斯韦分布近似，能量E<裂变反应堆中，冷中子占的份额不超过2%。

物理基础

冷中子同其他微观粒子一样，具有波粒二象性。冷中子的波动性较显著。当它由真空入射到介质平面时，就会产生折射和反射等现象。设为此介质的中子折射系数，当中子入射角时，就会发生全反射现象。

中子与物质作用时，存在一个散射势：

式中

——中子的质量；

——普朗克常数；

——单位体积内的原子数；

——原子核的平均散射长度。

对于铁磁材料，还要添一项，为中子磁矩，为磁感应强度。当中子自旋与反平行时取“+”号，平行时取“—”号。

冷中子源

1、强中子源

在常温减速剂的热中子谱中，冷中子只占2%。想做冷中子工作，必须有强中子源，反应堆可作为强中子源。例如，法国ILL堆的热中子通量为1.2×1015中子/平方厘米·秒。中能质子加速器可作为强中子源，因为散裂反应的中子产额很高。

2、冷减速剂

采用冷减速剂可以增加冷中子的比例。冷减速剂应选择散射截面大而吸收截面小的。其好坏用冷中子增益因子来表示。

3、转换器

普通导管不能从堆中引出超冷中子，因为它会被管壁吸收及全反射。利用薄窗只能引出较快的冷中子。为了弥补低能损失，在导管内先放置一个冷减速剂做的转换器。冷却转换器可以提高超冷中子产额。

甲烷在强辐射下化学稳定性差，不能作为转换器。在低功率堆上可用聚乙烯，在高通量堆上只能用氢化锆（SM-2)。对于垂直或倾斜的导管，由于中子受重力减速，可以不用转换器而只要一个薄窗就行了。

4、超冷中子的机械发生器

热中子或冷中子束在一个转动的反射镜系统上接连反射可以减速到超冷中子能区。在“中子涡轮机”中，中子在运动着的切刀上全反射而被减速。速度可由50米/秒减到5米/秒，效率约为 50%。中子在运动着的桨上全反射，从桨落到中枢，受向心力而减速。

另外，还有利用多普勒原理减速的。

探测要求

探测冷中子，特别是超冷中子，有下述特殊要求：

(1) 入口窗必须很薄，其材料应该是散射势低且吸收截面小的；

(2) 利用中子核反应探测中子时，作用材料的数量应比热中子探测器少。限制作用材料的厚度可以减少速度较快的中子所引起的本底；

(3) 选择散射势低的化合物作为冷中子探测器的作用物质；

(4) 超冷中子探测器要求灵敏面积大；

(5) 在强辐射场中具有特别高的稳定性及甄别本领。

应用

早在1947年，E.费米等就利用氧化铍晶体过滤反应堆中子的方法来获得冷中子。冷中子能量低，其波动特性比热中子更明显。 5×10－3eV的中子德布罗意波波长约为0.4nm，10－4eV的中子波长约为2.9nm，10－7eV的中子波长约为90.4nm。冷中子的衍射特性用于线度同其波长相近的微观和亚微观结构研究上。例如冷中子小角散射可研究晶体缺陷和磁畴结构。除了凝聚态物理外，在化学和生物学上冷中子也是有用的工具。

冷中子装置大多建立在反应堆上。常常用一个放在反应堆活性区或反射层的“冷源”（充满液氢的容器）来获得较多的冷中子，然后用导管把它们从反应堆内引到较远的地方进行实验。冷中子波在一些媒质分界面上掠入射时具有全反射的特性，其临界角同中子能量及媒质成分有关。因此可以用一种弯曲度不太大的管子（称为中子导管）把它们传输到几十米远处而很少损失。冷中子的探测方法与热中子大体相同。

研究意义

冷中子技术的发展，为核物理和固体物理等基础学科的研究提供了非常有利的条件。特别是超冷中子贮存技术的成功，可以深入研究中子的基本性质。例如，精确测量中子电偶极矩，是一项很有意义的工作。还有精确测量中子的寿命及电荷，研究中子与中子作用等，也是很有意义的工作.

研究冷中子与物质的相互作用并利用其散射特性研究固体亚微观结构及低能激发都是新的研究领域。

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