尹瑞濤

中子的能量劃分

中子根據(jù)其能量的不同可劃分為：快中子（0.1MeV～500MeV）、中能中子（100eV～0.1MeV）、慢中子（E<100eV）和熱中子（一般為0.025eV）等。中子彈的殺傷作用主要靠快中子，因此對中子彈的防護主要是對快中子的防護?？熘凶优c物質原子核相互作用有以下幾種情況：①中子與物質原子核的非彈性散射，此時中子和原子核發(fā)生能量交換，中子失去能量，原子核得到能量而被激發(fā)，受激發(fā)的原子核恢復到原來狀態(tài)時以y射線放出能量;②中子與物質原子核發(fā)生彈性散射，中子損失的能量等于原子核得到的能量，這樣一系列彈性散射持續(xù)下去，直到中子能量降低到與原子核能量平衡為止，此時中子和物質原子核處于熱運動狀態(tài)，處于熱運動狀態(tài)的中子就是熱中子;③物質原子核將中子吸收，變成了另外一種物質原子核，這種物質原子核或者放出下射線，或者放出帶電粒子，或者發(fā)生裂變又成了另一種新的原子核，新的原子核可能再次放出γ射線。

對于快中子而言，彈性散射是主要的相互作用。在中子能量大于0.5MeV時，非彈性散射開始產生。在非彈性散射碰撞過程中，中子使核處于激發(fā)態(tài)，并且在損失能量的同時又從核中脫落。受激核經常以發(fā)射γ射線的方式釋放出多余的能量而回到基態(tài)。要產生非彈性散射過程，中子必須提供核的激發(fā)能（核的第一激發(fā)能越低，越容易發(fā)生非彈性散射。重核的第一激發(fā)能約為100keV，輕核的第一激發(fā)能約為幾百兆電子伏，快中子與重核比輕核更容易發(fā)生非彈性散射）。接近快中子能量上限時，非彈性散射和核反應發(fā)生的機會就逐漸像彈性散射一樣多?？熘凶訙p速成為能量較低的中子的過程稱為中子的慢化。中子一般只有被慢化后才能有效地被物質吸收。對于中能中子，彈性散射過程仍然占優(yōu)勢，在這一能量范圍，共振吸收出現(xiàn)，即中子的能量等于吸收物質原子核的某一能級時，吸收概率大大增加。熱中子的主要過程是俘獲，在這個過程中，中子成為吸收核的一部分，由此形成的復合核必須釋放出多余的能量，通常是發(fā)射γ射線。這種過程稱為輻射俘獲，或稱為（n，γ）反應。一般地，中子能量由高到低，將發(fā)生核反應、非彈性散射、彈性散射、（n，γ）俘獲。

中子的屏蔽

對中子的屏蔽分為慢化和吸收兩步。

屏蔽快中子的原理是將高能中子慢化到熱能或接近熱能，然后再俘獲吸收。

在中子屏蔽層中，常常摻入重元素與輕元素組成交替屏蔽。輕元素（特別是氫）是良好的快中子減速劑，其中重元素具有吸收γ射線和使較高能量的中子減速（中子與重元素的物質發(fā)生非彈性碰撞損失能量較大）的雙重作用。通常先用重物質（如鐵、鉛）通過非彈性散射將快中子慢化到低能種子，再用含氫材料（如聚乙烯、石蠟）通過非彈性散射將中子進一步慢化到熱中子，最后用吸收截面很高的材料（如硼、鎘）吸收熱中子，同時注意對y射線的屏蔽。

混凝土是一種有效的屏蔽材料，因為它含有水的成分，同時又有高密度物質，對于減速后的中子，能與各種物質發(fā)生俘獲反應;但并不是任何物質都適宜用來吸收熱中子的，因為許多物質吸收熱中子后，常伴有高能的γ輻射。鎘可作為熱中子吸收劑，鎘的俘獲截面很大，但鎘放出的γ射線的能量較高為9.05MeV。硼和鋰作為中子的減速劑和吸收劑，則更理想，雖然硼吸收熱中子后還伴有γ輻射，但其能量很低為0.478MeV，易于屏蔽。

快中子與質子的作用

快中子非彈性散射示意圖

運動的小球撞擊靜止的小球b，此后兩球交換速度，中子與氫原子核的碰撞與此類似，中子碰撞后幾乎停止

硼酸聚乙烯，廣泛應用于醫(yī)療上的中子屏蔽

核反應堆澆筑混凝土

碳化硼可以吸收大量的中子而不會形成任何放射性同位素

常用的中子屏蔽材料

水。水中含有大量的低原子量元素氫和氧，所以是一種非常好的中子慢化劑。氫的熱中子俘獲截面為332mb，氫的俘獲γ輻射能量最低，只有2.2MeV。在屏蔽體中為慢化快中子而含有的氫常足以捕獲屏蔽材料中存在的熱中子。由于水缺乏結構性能，故很少單獨應用，但可把它灌注在水門、水箱屏蔽體里，此時必須注意避免容器破裂，導致水的泄露而釀成事故。

混凝土。普通混凝土的密度為2300千克/立方米，它是多種材料的混合物，組成成分不固定，具有良好的結構性能，是一種較好的建筑材料，多用作固定的屏蔽體。在核科學與工程中，混凝土廣泛用作輻射屏蔽材料。它既含有輕元素（氫），也含有較重元素和一定量的水分，所以，它對中子和γ射線都有較好的屏蔽作用?；炷练譃槠胀ɑ炷梁椭鼗炷?，在需要提高混凝土的屏蔽能力時，可以在混凝土中加重材料組分（如重晶石、鑄鐵塊、鋼珠、鉛等）以制成密度較大的重混凝土。由于加入了重材料，中混凝土的密度比普通混凝土的密度大得多，添加了鐵的混凝土密度最高達到5900千克/立方米，添加了鉛的混凝土密度最高達到8900千克/立方米。所以，它的應用是很廣泛的。但要注意，混凝土長期使用會失水，從而降低了它對中子的防護性能。

石蠟。含有大量氫，價格便宜，容易成型，是很好的中子慢化劑。但是，氣溫高時易軟化，氣溫低時，大塊石蠟容易收縮、干裂，因之，結構性能較差;它還怕火，易燃，對γ射線的防護性能很差，所以，往往和其它屏蔽材料配合使用。

聚乙烯。含氫豐富，是較好的中子防護材料。它易于加工成型。但是在溫度高于100℃時，容易軟化，易燃。常和其它結構材料配合使用。

泥土。含水也較多，是一種廉價材料，為充分利用它的防護性能，有時就將一些中子發(fā)生裝置建造在地下或半地下室。

鋰和硼。作為慢中子的吸收體，除了要求吸收截面大以外，還要它們在俘獲中子后不放出貫穿性的次級佰γ射線，這樣易于防護。為此，中子屏蔽中常會用到鋰和硼，它們的熱中子吸收截面分別為940b和3837b左右。鋰俘獲中子后放出的y輻射很少，可以忽略不計;硼雖在95%的俘獲事件中放出0.47MeV的y輻射，但較易屏蔽。

防中子輻射材料的原理

防中子輻射材料設計原理是：首先利用重核元素與快中子發(fā)生非彈性碰撞，使高能快中子降低為低能快中子或中能中子，然后用氫核元素與低能快中子或中能快中子發(fā)生彈性碰撞，使這兩種中子降為熱中子，最后采用吸收截面大的某些元素吸收熱中子，并采用重核元素吸收某些元素吸收中子或發(fā)生非彈性碰撞產生二次γ射線。

中子與原子核做完全彈性碰撞損失的動能

中子與原子核做完全彈性碰撞的速度

核反應堆中使用了混凝土以吸收輻射

防中子輻射材料主要含有3種組分，即高含氫量材料，重核元素材料和熱中子吸收材料，根據(jù)中子與氫核相互彈性碰撞，其能量損失最大原理，應該選用有機高分子材料，該材料含氫量高，密度小，重量輕，易于大量生產，是優(yōu)良的防中子基體材料，高能量快中子經過彈性碰撞和非彈性碰撞后慢化成熱中子，在基體材料中，添加一定數(shù)量的熱中子吸收劑以便有效的屏蔽熱中子，重核元素的主要作用是吸收γ射線，材料相對密度高，對γ射線的屏蔽效果好。

由于中子彈主要是通過強中子輻射殺傷有生力量，所以防御中子彈主要是對中子輻射的防護。防護中子輻射最有效的辦法是遠離輻射源，對于中子彈來說，就是設法盡可能遠離中子彈爆炸點。這一點辦不到時就要借助于中子屏蔽了。對于快中子的屏蔽，可以歸結為快中子的慢化和慢中子的吸收?？熘凶拥穆饕揽颗c原子核的彈性散射，慢化能力最強的是氫。其物理原理為：被碰撞的原子的原子量越小，中子碰撞后的能量也越小，由于氫原子量為1，與中子非常接近，所以快中子和氫原子核碰撞時將幾乎失去全部能量，這種情況類似于一顆運動的臺球擊打一顆靜止的臺球，當兩顆臺球碰撞后將交換速度。中子和碳原子核碰撞時將失去28%的能量，與鈹碰撞時將失去36%的能量，與鐵碰撞時將失去17%的能量，這種情況類似于用乒乓球擊打一顆保齡球，乒乓球會彈出，速度也降低不了多少，但保齡球幾乎紋絲不動?？梢娸p元素可以有效地使快中子慢化，而重核卻不能，但與此同時也產生很強的γ射線，而輕元素對γ射線的防護能力很差。所以對中子的防護不僅要用輕元素，而且要用重元素，將輕、重元素交替排列組成復合材料層。水、塑料和石蠟含氫多，價廉易得，效果也好，是常用的材料。

1）。通常把使核輻射注量減弱一半的物質層厚度叫做半衰減厚度d。如取土壤的d=12厘米，則得到使注量衰減3個量級所需的防護層厚度為120厘米。如原來的吸收劑量為80Gy，衰減了3個量級后就只有0.08Gy。但對坦克的防護要困難得多，因為高能中子穿過裝甲時減弱較少（鋼的半衰減厚度d～12厘米），而且中子被裝甲吸收后感生的γ射線同樣會造成輻照損傷，何況過多的附加重量還會影響坦克的作戰(zhàn)性能。一般用鋼與輕材料多層組合可達到較好防護效果。

如果中子能量很高（10MeV以上），最好先用一層鐵，然后再用含氫材料，以減小防護層的總厚度。慢中子吸收劑，要求中子吸收截面大，還要求它們在俘獲中子后放出的γ射線能量低，易于防護。最能滿足這一要求的材料是鋰和硼。

通?？梢允褂脙r格較低的硼酸或硼砂。碳化硼含硼量高，碳酸鋰γ產額低，是更好的材料，但是價格高。必須注意，中子穿過物質層時總要誘發(fā)大量的γ射線，所以防護中子時必須同時考慮對γ射線的防護。中子屏蔽一般分4層，外層是鋼鐵，用來慢化很快的中子;其次是含氫材料，用來慢化快中子;第三層是含硼和（或）含鎘材料，用來吸收慢中子;內層是重元素材料如鉛，用來防護γ射線。

[編輯/何懿]