天然中子源

在反應堆堆芯內的有些材料會發生自發裂變（spontaneous fission）或者a衰變，從而產生一定量的中子。由於已經運行過的反應堆內有足夠的高能g射線，而所有用水作為冷卻劑的反應堆內均有氘的存在（氘在天然水裡的豐度是0.015%），因此這是一個十分重要的中子源。

基本介紹

• 中文名：天然中子源
• 外文名：Natural neutron source
• 來源：自發裂變或a衰變產生
• 學科：核化學

概念

自發裂變是原子核在沒有外來粒子轟擊或外來能量加入的情況下發生的裂變，是放射性衰變方式之一。下表顯示了一些會自發裂變的核素。1940年K. A.彼得扎克和 G. N. 弗廖羅夫首先觀察到U 核自行發生裂變的現象，並估計其半衰期約為10～10年。最新的物理研究認為，自發裂變是量子力學隧道效應的結果。原子核邊界有一裂變勢壘，原子序數比釷低的核素，裂變勢壘太高，幾乎不可能自發裂變；隨著超鈾核素的不斷產生，自發裂變率增大，逐漸成為一些超鈾核素的主要衰變方式。例如Cf的a衰變只占0.31%，自發裂變占99.69%。

天然中子源

_{自發裂變或a衰變的中子源}

在天然硼中，B的豐度為80.1% 。要利用這個反應作為中子源有些條件，這是因為a粒子的射程極短，通常無法穿透燃料棒的包殼，因此需要特殊的結構設計。

技術

原理

中子測水分的基本原理是由於中子與氫核質量相當，氫具有大的快中子減速截面和大的熱中子散射截面和吸收截面，當中子源發射的快中子或慢中子在待測物質中減速、擴散和被吸收時，主要受待測物質的含氫量控制。因而，測量經待測物質散射後的中子注量率可實現對待測物質含水量的定量測定。

天然中子源中子水分儀探測裝置示意圖

蘇聯 B. M.邦達連科等報導了以天然的大氣中子作為中子源，利用大氣中子在地表介質中的反射，測量地 - 空界面上升中子流的粒子注量率，確定土壤的含水率，並在喀斯特地區開展工程地質填圖和在山區確定積雪層厚度的試驗，均取得好的效果。

地 - 空界面上大氣中子及其反射

大氣中子的來源主要包括：初級宇宙線與空氣中原子核 (主要是 N 和 O)相互作用的產物，產生中子的過程主要是級聯作用和蒸發作用；負 μ介子被原子核俘獲時產生的反衝中子；及高能 γ量子引起的原子核光分裂反應產生的中子；太陽發射的中子。由於中子半衰期僅為640s，故太陽系以外的任何天體發射的中子很難到達地球附近。中子一方面在大氣中形成，另一方面由於大氣的減速與吸收作用，中子被吸收，大氣中子流粒子注量率在大氣深度 ( 50～80) g /cm 處達到最大值，之後隨大氣深度的增大呈指數規律減小。在海平面，大氣中子流的粒子注量率約為 ( 0.5 ～ 2)× 10 /cm· s。

當大氣中子到達地表後，與地表介質的原子核發生彈性或非彈性碰撞，一部分被地表介質所吸收，另一部分經多次散射被反射出地面，形成上升中子流，或稱為反射大氣中子。在地-空界面上，上升中子流的另一來源是宇宙線中其他粒子與地表介質的核相互作用產生的中子，以及地層中天然放射性產生的中子和某些重核自發裂變產生的中子。反射大氣中子流是地 - 空界面上上升中子流的主要成分，約占總量的80% 以上。

雖然大氣中子源的粒子注量率很小，但採用高靈敏度的中子探測裝置測量上升快中子流粒子注量率可以反映被測地表介質的含水量。與商品化的人工中子測水技術相比，雖然大氣中子源方法的靈敏度較差，但避免了人工中子源的輻射防護與管理難題。這對於一些確定地層含水率要求不高，而又需長期監測的場合，如工程地質填圖與地質環境動態監測等，大氣中子源方法中子測水技術具有一定的套用價值。

大氣中子粒子注量率的穩定性是中子測水準確度的主要影響因素，經長期監測結果表明，大氣中子粒子注量率有時具有時變特性，而且還與初級宇宙線強度的變化、氣象條件，以及地震有一定的關聯性。因此現有大氣中子源中子測水分的儀器應採用雙通道測量，其中一個通道測量上升中子流粒子注量率，另一個通道測定下降中子流 (大氣中子 )粒子注量率，以此消除大氣中子粒子注量率不穩定對中子測水分結果的影響。