共振中子

中子透過物質的能力直接取決於該物質各核素的中子吸收截面。中子和物質的作用過程一般如下:中子被物質靶核

吸收，形成複合 核

處於激發態的複合核通過出射Ganma射線或其它粒子(如中子、質子等),回覆到穩態。當複合核的能量接近某一激發態的能量時,中子同靶核相互作用的幾率急劇增加,出現 所謂的共振吸收現象。共振吸收在中子截 面曲線上的直觀表現就是在某些能量區域出現 的一個個孤立的共振峯。下面圖 1是 C、H、N、O等核素的共振譜曲線。通常來説，每個核素的共振譜曲線都是獨特的 , 因此利用共振峯的 位置、強度與核素的對應關係,可以準確地測定物質中不同核素的含量 。

大多數爆炸危險品通常由C H O N等元 素構成，而這些元素在0.5— 7MeV能量區間，具有顯著的中子共振現象,見圖 1。假設需要探測物質裏感興趣的n種不同元 素，每個元素取m種不同能量對應的共振峯（m ≥ n可構建出以下方程組：

這裏，

是元素j的質量厚度（單位為g/cm²），是能量i處元素j的中子吸收截面，I是入射 樣品前能量為的中子強度，i是透射樣品後 能量為的中子強度。這樣的線性方程組是很容易求解的 。將得到的各元素質量厚度與其原子量比值進行比較, 就可以得到測量物質的化 學成份比(摩爾當量比):

其中，A是元素的原子量。

一般來説,至此就可以直接判定測量物質 的種類了。對於某些化學成份相同的不同物 質 ,可以藉助其它化學手段進行進一步的判定上述數值計算過程可以和測量數據獲取和 分析系統結合在一起 ,由計算機系統自動統一 完成 。

利用中子共振譜進行爆炸物等危險品精確探測的系統通常需要包括兩大主要部分:中子源 、中子能譜探測與分析系統。從圖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能量區間。從 現有中子源來看, 用於這種爆炸物探測的最好 中子源是基於（D D）反應的加速器中子源，在 入射粒子能量處於0.1 ~4 5MeV間時，該中子 源可以產生能量在2. 4 ~8 0MV區間的單能 中子束 。除了加速器中子源之外,也可以使用反應 堆中子源 。這裏所説的反應堆特指最常見的熱 中子反應堆,因此為了適應使用快中子探測爆 炸物質的要求, 需要在這種反應堆上採取一些 特殊技術措施以產生足夠的快中子束,比如在 熱中子反應堆水平孔道內加裝含U或U裂 變材料的轉換靶,以提高輸出中子束中快中子 份額,從而滿足探測爆炸物質的中子束能量要 求。

加速器中子源和反應堆中子源都有設備龐 大、造價高昂且無法移動的固有缺點, 無法在港 口、機場或車站直接使用 。而便攜式放射性中 子源易於移動 ,比較適宜於現場使用, 但這種中 子源強度又通常不足。經比較,在常用的 幾種放射性中子源中，自發裂變中子源C相 對來説是比較適用於爆炸物等危險品探測的, 但關鍵問題是需設法提高這種源照射樣品時的 中子束強度。

用於準確測量共振峯中子能量的中子能譜探測和分析系統,通常是以飛行時間法為基礎。飛行時間方法的基本原理是通過測量中子飛行 一定距離所需要的時間來測定中 子的能 量。飛行時間方法要求中子源必須是脈衝 的,在穩態反應堆中子源上,一般需用機械斬波 器將連續中子束切割成一些列寬度相等的脈衝 中子束;而加速器中子源通常本身就是脈衝源, 可直接應用飛行時間法。

由於C H O N等待測元素的中子共振區 集中在0.5 ~7MeV間，因此中子探測器可以採 用L玻璃閃爍體和光電倍増管相結合的探測技術_。考慮到中子及其伴隨Y射線的強穿透性，測量系統周圍還需要堆砌混凝土等屏蔽體, 以 確保人員和設備的安全 。

X 射線技術是用於易燃易爆等危險物 品探測的常規方法,但由於這種基於物質密度不同來區分物質種類的探測方法準確性不夠理想。中子共振譜則只和物質構成的元素密切相關,因此利用中子共振譜技術可以準確地判定物質中各元素的準確含量,進而可以準確地判定測量物質的種類。各種爆炸危險品的主要成分是 C、H、N、O等元素，這些元素在0.5 ~7. 5MV能量區間具有顯著的中子共振譜特徵, 利用該區間各共振 峯的中子吸收截面差異可以得到這些元素在物 質中的精確含量比, 從而達到直接判定待測物 質種類的目的。中子共振譜探測系統主要包括中子源 、中 子能譜探測與分析系統兩大部分。中子共振探 測技術可以充分應用在國防、民用安全檢測和 防恐等領域中,具有良好的實用前景。 ^[1]