中性子と物質の相互作用

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中性子

 (R3.6.22, R2.6.23)
 電荷をもたない間接電離放射線
→主に原子核と相互作用を起こす
・核スピン量子数:1/2
β壊変をする(半減期10分)

・エネルギーによる分類

エネルギー名前主な反応
~0.025eV熱中性子中性子捕獲反応
0.1eV~1keV熱外中性子 
0.1MeV速中性子散乱

中性子と物質の相互作用

・散乱反応

1,弾性散乱
(R3.12.23.31, R2.24,R1.22)
 反応の前後で運動量が保存される反応
 反跳エネルギーE

En:中性子のエネルギー
M:原子核の質量 
m:中性子の質量
*原子の質量が小さい
→反跳エネルギーが大きい
水素で最も減速させられる(ビリヤードの法則)

2,非弾性散乱
 運動エネルギーの一部が反応原子核の励起に使われる反応

・吸収反応

 (R2.10)
1,放射捕獲反応 
 原子核が励起され,γ線を放出する
 中性子は電荷を持たないため,クーロン作用を受けず,他の反応に比べて,低エネルギーで核に入れる
*中性子の結合エネルギー:約8MeV
→捕獲反応は発熱反応

*中性子捕獲反応断面積は中性子速度に反比例する
*特定のエネルギーでは共鳴吸収がある

2,荷電粒子放出反応
 軽い原子核では中性子を吸収し,荷電粒子を放出する反応がある

3,核分裂反応
 235U,239Pu,233Uなどの重い原子核で中性子が吸収されて起こる反応

・核分裂中性子

 (R3.31)
 252Cfの自発核分裂などで放出される
 連続エネルギー分布(マクスウェルボルツマン分布)をもつ
 平均エネルギーは約2MeV

中性子の測定

・熱中性子の検出

 (R3.12, R2.28)
(1)吸収反応を利用したもの
 [ 3He(n,p)3H ]   
 [ 6Li(n,α)3He ]
 [ 10B(n,α)7Li ] 
 [ 14N(n,p)14C ]

*減速型線量当量計(レムカウンタ)
 熱中性子検出器をポリエチレン製減速材で覆ったもので,線量当量値が直読みできる
BF3比例計数管ロングカウンタ
3He比例計数管Hurst型比例計数管
LiIシンチレータ

(2)核分裂を利用したもの
 [ 235U(n,f) ]

*核分裂計数管 (R1.27)
 円筒状の電極に90%濃縮の235U3O8を薄く塗布してArを封入したもので,原子炉の中性子測定に用いられる
 パルスが大きく波高弁別が容易で,エネルギースペクトルは測定できず,閾値設定で中性子のみの検出が可能

(3)放射化を利用したもの
 [ 115In(n,γ) ] 
 [ 165Dy(n,γ) ]
 [ 197Au(n,γ)金箔検出器 ]

・高速中性子の検出

(1)反跳陽子を利用したもの 1H(n,n`)
[プラスチックシンチレータ] 
[有機液体シンチレータ]
[水素ガスやメタンガスの比例計数管]

(2)放射化を利用したもの
[ 32S(n,p)32P ] 
[ 27Al(n,α)24Na ]

(3)半導体を利用したもの
[ポリエチレンラジエータ付Si半導体検出器]

(4)核分裂を利用したもの
[ 238U(n,f)]

中性子のエネルギースペクトル測定

 (R2.30(物理))
(1)減速材を用いる方法
 球形減速材付熱中性子検出器(ボナー球検出器)

(2)シンチレーターを用いる方法
 液体シンチレータ:反跳原子核の検出

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