中子在材料、生命、生物医学等多学科应用广泛,成为纳米、信息等前沿领域的重要研究工具。《应用中子物理学(第二版）》以中子应用为主线，系统地介绍了中子的基本性质，常用中子源与中子的产生，中子与物质的相互作用，中子注量、能谱及剂量测量，中子防护和中子输运等中子物理的基础知识，同时全面介绍了中子散射、中子活化分析、中子治癌、中子照相和中子测井等中子技术在各领域的应用。《应用中子物理学(第二版）》呈现前沿应用、满足读者对中子应用深刻了解的需求。

第1章Ｑ方程及其应
　　核反应主要研究两个问题:①核反应运动学，在能量和动量守恒下，研究核反应的一般规律;②核反应动力学，研究参与核反应的各类粒子之间的相互作用机制、发生概率、反应理论模型和核结构等.
　　1.1核反应和反应道
　　19世纪末，科学工作者对物质结构的研究开始进入到微观领域，人们在这方面的研究取得了可喜的成果.在这些发展中，原子核物理的研究起了关键作用.核物理是一个国际上竞争十分激烈的科技领域.世界各国都投入了相当大的人力物力来进行这方面的研究工作.
　　原子核与原子核，或者原子核与其他粒子(如中子、Y光子等)之间的相互作用所引起的各种变化叫做核反应.各式各样的核反应是产生不稳定原子核的*根本的途径.
　　核反应过程对原子核内部结构的扰动以及所牵涉的能量变化一般要比核衰变过程大得多.例如，核衰变只涉及低激发能级，通常在3～4MeV以下，这是衰变核谱学的一个局限性.核反应涉及的能量可以很高，通常在一个核子的分离能以上，甚至高达几百MeV以上.核反应是获得原子能和放射性核素的重要途径，对它的研究具有很大的实际意义.
　　1.1.1实现核反应的途径
　　要使核反应过程能够发生，原子核或其他粒子(如中子、Y光子等)必须足够接近另一原子核，一般须达到核力作用范围之内，即小于的数量级.实现这一条件可以通过以下三个途径.
　　(1)用放射源产生的高速粒子去轰击原子核.例如，1919年卢瑟福实现的历史上**个人工核转变就是用放射源尺的a粒子去轰击氮原子核，引起核反应
　　(1.1)
　　上式表示粒子打在4N核上，使核变成核，同时放出一个质子这里，《粒子称为入射粒子，也叫轰击粒子核称为靶核；和统称为反应产物，其中较重者丨7〇称为剩余核，较轻者称为出射粒子.通常把反应式(1.1)简写为
　　(1.2)
　　用放射源提供入射粒子来研究核反应，入射粒子种类很少，强度不大，能量不高，而且不能连续可调，目前已很少使用.
　　(2)利用宇宙射线来进行核反应.宇宙射线是指来自宇宙空间的高能粒子.宇宙射线的能
　　量一般都很高，*高可达1021eV，用人工方法来产生这样高能量的粒子近期是难以实现的.用它作为人射粒子来研究高能核反应有可能发现一些新现象，其缺点是强度很弱，能观测到核反应的机会极小.然而，因为它具有上述*特的优点，所以人们一直在努力弥补它的缺点，为之做了不少高能物理方面的研究工作.
　　(3)利用带电粒子加速器或反应堆来进行核反应.这是实现人工核反应的*主要的手段.随着粒子加速器技术的不断发展和性能改善，人们已经能够将几乎所有的稳定核素加速到单核子能量数百MeV，甚至更高的能量，产生的束流在强度和品质方面也有极大提高.人们已经可以使用种类繁多、能区宽、束流强和品质好的人射束进行核反应实验，从而极大地扩展了核反应的研究领域.
　　1.1.2核反应的分类
　　一般核反应可表示为
　　(1.3)
　　式中A和a分别表示靶核和入射粒子，B和b分别表示剩余核和出射粒子，简写为
　　(1.4)
　　当入射粒子能量较高时，出射粒子可以不止一个，而是有两个或两个以上.例如，30MeV的ct粒子轰击6°Ni，可以产生反应
　　(1.5)
　　的质子轰击2°9Bi可以产生反应
　　(1.6)
　　简写为.
　　核反应按出射粒子的不同，可以分为两大类，即核散射和核转变.
　　核散射是指出射粒子和入射粒子相同的核反应.核散射又分为弹性散射和非弹性散射两种？弹性散射是指散射前后系统的总动能相等，原子核的内部能量不发生变化.弹性散射的一般表达式是
　　(1.7)
　　非弹性散射是指散射前后系统的总动能不相等，原子核的内部能量要发生变化.*常见的非弹性散射是剩余核处于激发态的情形，它的一般表达式是
　　(1.8)
　　另一类核反应，即核转变，是指出射粒子和入射粒子不同的反应，如前面所举的式(1.5)反应即是.
　　核反应按入射粒子种类不同也可分为：
　　(1)中子核反应.如中子弹性散射、中子非弹性散射、中子辐射俘获(n，Y)等.
　　(2)带电粒子核反应.它又可分为:质子引起的核反应，如化等;気核引起的核反应，如、等；《粒子引起的核反应，如等;重离子引起的核反应，如等.
　　(3)光核反应.即7光子引起的核反应，如(7，11)、(74)等.
　　此外，电子也可以引起核反应，其特点和光核反应类似.
　　核反应按轰击粒子的动能不同，分为：
　　(1)低能核反应.
　　(2)中能核反应.
　　(3)高能核反应.
　　1.1.3反应道
　　一个入射粒子a，打到靶核A上，可能发生的核反应不止一个，每一个反应过程称为一个反应道.例如
　　(弹性散射)
　　(1.9)
　　造氚反应
　　反应前的道称为入射道，反应后的道称为出射道，对于同一个入射道，可以有若干个出射道，如式(1.9)所示的反应.对于同一个出射道，也可以有若干个人射道，例如
　　(1.10)
　　卜氢弹里的聚变反应
　　产生各个反应道的概率是不等的，而且这种概率随人射粒子能量的变化而不同.能量增大时，一般要增加出射道.对于一定的入射粒子和靶核，到底能产生哪种反应道，这与核反应机制和核结构等问题都有关，同时它要被一些守恒定律所约束.
　　再例如，氢弹里的核反应
　　(1.11)
　　两轻核聚合时，必须克服库仑斥力，高速运动的粒子必须在核力作用的范围内才可能发生聚变反应.因此需要靠裂变反应提供高温、高压，以增大核密度，形成高浓密等离子体，这就是氢弹的爆炸原理.参与聚变的D、T来自LiD(T)固体或D-T混合气体.
　　增强中子辐射和释放能量的反应(1.12)
　　238U+n(快中子)可使爆炸当量增大超过总当量的80%左右.由于238U裂变释放出大量放射性沉降物，因此把含238U包层的三相核弹也称肮脏氢弹.
　　中子弹与其他核弹的区别在于:力学能量大为降低(即占约20%)，以1000tTNT当量的中子弹为例，爆炸后瞬发核辐射当量约占总爆炸当量的40%，而原子弹瞬发核辐射当量仅占5%，但中子辐射能量高达50%，亦即力学破坏较小，中子杀伤效应增大，故把中子弹称为加强辐射弹.这是因为：
　　(1)中子弹不用LiD(T)，只用D-T混合气体，这样裂变不需要提供太高压力和温度给D-T气体.
　　(2)用同样TNT当量，中子弹可释放1.2X1025个高能中子，而原子弹仅释放出平均能量为0.8MeV的2X1023个中子.
　　(3)先进的中子弹.300t TNT当量，主要利用如下核反应：冲子增殖反应
　　(1.13)
　　来自，既增殖中子，又降温(1.14)
　　可见，Be起如下作用：吸收热核反应能量，达到降温效果，导致力学效应减弱，增殖大量中子，加强中子杀伤效应.
　　1.22方程
　　1.2.1反应能
　　对于两体反应
　　(1.15)
　　根据能量守恒
　　(1.16)
　　核反应过程中释放出的能量称为反应能，通常用符号Q表示.因此，反应能就是反应后的动能减去反应前的动能.因此(静止能量的释放)
　　(1.17)
　　式中，代表反应前后相应粒子的原子质量；分别表示靶核、人射粒子、剩余核、出射粒子的动能;且本式的推导中采用原子质量来代替核的质量.这是因为核的总电荷在反应前后不变，则原子中的电子总数也不变，于是在原子质量相减的过程中，电子质量相消了.当然，反应前后电子在原子中的结合能是有变化的，但它甚小，可以忽略不计.
　　式(1.17)表明，Q值既可以通过实验测量反应前后各粒子的动能求得，也可以由已知的各粒子的原子质量算出.
　　例如
　　式(1.17)还可以通过反应前后有关粒子的结合能之差表示出来.令表示粒子a与靶核A结合而成的中间核的质量，mbB表示粒子b与剩余核B结合时生成核的质量，显然有.当式(1.17)**个恒等式右边括号内同时减去时，有
　　(1.18)
　　式中，BaA为粒子a与靶核A的结合能，_BbB为粒子b与剩余核B的结合能.由此式可见，当时，为放能反应;反之，为吸能反应.
　　如果反应的剩余核不处于基态，则这里是剩余核的激发态能量.
　　1.2.2质量亏损
　　Q值是参与核反应的粒子结合能的释放.原子核是由质子和中子组成的，但原子核的质量总是小于组成它的核子质量之和，其差额称为质量亏损Am，即组成某一原子核的核子质量和与该原子核质量之差.
　　(1.19)
　　实验发现，所有的原子核都有正的质量亏损，即
　　AM(Z，A)>0(1.20)
　　以氘核为例，氘核由一个中子和一个质子组成，，所以
　　(1.22)
　　这说明1个质子和1个中子聚合成1个氘核时，就会释放出2.225MeV的能量.
　　任何两粒子结合成一个较重的粒子时，都有能量释放出来.一个电子和一个质子结合成一
　　个氢原子时，就释放出13.6eV能量，这相对于电子静止能量0.511MeV来说，仅为，太小了.虽然一个中子和一个质子结合成一个氘核时释放出2.225MeV能量，但只是中子静止能量939.61MeV的1.2%，也是很小的.
　　1.2.3结合能与比结合能
　　原子核的质量比组成它的核子的总质量小，表示由自由核子结合而成原子核的时候，有能量释放出来.这种表示自由核子组成原子核所释放的能量称为原子核的结合能.核素的结合能用B(Z，A)来表示.根据相对论质能关系，它与核素的质量亏损AM(Z，A)的关系是
　　(1.23)
　　对于4办来说』(4沿)=么从(4沿)￡2=28.30MeV.这就是说，2个质子、2个中子结合成一个氦核，要放出28.30MeV的能量.相应地有质量的减少，这就是4He的质量亏损.或者说，若将4He核拆成自由的核子，为了克服核子之间的作用力，要用28.30MeV的能量对体系做功.
　　因而，可由核素的原子质量来计算原子核的结合能.如果一个原子核的质量为M，它由Z个质子和JV个中子组成，则结合能表示为
　　(1.24)
　　式中，MH为氢原子质量，mn为中子质量.
　　通常不同核素的结合能差别很大，一般地说，核子数A大的原子核结合能B也越大.原子
　　核平均每个核子的结合能又称为比结合能，用e表示
　　(1.25)
　　比结合能e表示若把原子核拆成自由核子，平均对于每个核子所要做的功.e的大小可用以标志原子核结合松紧的程度.e越大的原子核结合得越紧;e越小的原子核结合得越松.
　　对于稳定的核素，以e为纵坐标、A为横坐标作图，可以连成一条*线，称为比结合能*线，如图1.1所示.从图中可以看出一些特点，找到一些规律.
　　图1.1比结合能*线
　　(1)当A<30时，*线的趋势是上升的，但是有明显的起伏.在图中，峰的位置都在A为4的整数倍的地方，如4He、12C、uO和2°Ne等，这些原子核的质子数Z和中子数N=A_Z都是偶数，称为偶偶核，而且它们的Z和N还相等，这表明对于轻核可能存在a粒子的集团结构.
　　(2)当A>30时，e～8MeV.与A较小时，*线的明显起伏不同，近似地有e～B/A～常数，即BaA.这表明原子核的结合能粗略地与核子数成正比.每个核子的结合能比原子中每个电子的结合能要大得多，说明在原子核中核子之间的结合是很紧的，而原子中原子核对电子的束缚要松得多.
　　(3)*线的形状是中间高，两端低.说明A为50～150的中等质量的核结合得比较紧，很轻的核和很重的核(A>200)结合得比较松，正是根据

目录
前言
**版前言
第1章 Ｑ方程及其应用 1
1.1 核反应和反应道 1
1.1.1 实现核反应的途径 1
1.1.2 核反应的分类 2
1.1.3 反应道 3
1.2 Q方程 4
1.2.1 反应能 4
1.2.2 质量亏损 5
1.2.3 结合能与比结合能 5
1.2.4 Q方程的推导 6
1.3 反应阈能和临界能量 8
1.4 Q方程的应用 9
1.4.1对于弹性散射Q方程的应用 9
1.4.2当￡a=0时(常温或很低能的核反应) 10
1.5 L系和C系中出射角的转换 11
1.5.1 C系中的能量关系 11
1.5.2*和*的转换关系 12
1.5.3 *的计算 13
1.5.4 L系和C系中的微分截面的转换 14
1.6 中子的基本性质 15
1.6.1 中子的粒子性 16
1.6.2 中子的波动性 17
参考文献 19
第2章 中子源物理 21
2.1 中子的产生及主要指标 21
2.2 同位素中子源 25
2.2.1 (a，n)中子源 25
2.2.2 (Y，n)中子源 27
2.2.3 自发裂变中子源 28
2.3 加速器中子源概况 28
2.3.1 IkeV～20MeV能区的白光中子源 29
2.3.2 20～200MeV准单能中子源 30
2.3.3 白光中子源分类 30
2.3.4 电子直线加速器中子源 31
2.4 常用加速器中子源 31
2.4.1 D(d，n)3He 31
2.4.2 T(d，n)4He 中子源 32
2.4.3 7Li(d，n)中子源 32
2.4.4 9Be(d，n)10B 中子源 33
2.4.5 7Li(p，n)7Be 中子源 33
2.4.6 9Be(p，n)中子源 34
2.5 反应堆中子源 34
2.5.1 堆的基本特征量 34
2.5.2 堆中子的空间分布 35
2.5.3 堆中子监测问题 37
2.6 散裂中子源 38
2.6.1 散裂中子源概述 38
2.6.2 散裂反应过程 39
2.6.3 散裂中子产额 40
2.6.4 散裂中子能谱 40
2.6.5 靶和慢化体 40
参考文献 41
第3章 中子与物质的相互作用 44
3.1基本物理量 45
3.1.1 截面 45
3.1.2 角分布和微分截面 46
3.1.3 中子截面的特点 46
3.1.4 宏观截面 47
3.2 核反应机制 48
3.2.1 核反应过程的三个阶段 49
3.2.2 几种反应机制的特点 50
3.2.3 对各反应机制特点的解释 50
3.3 中子与物质相互作用的物理过程 50
3.3.1 势散射 50
3.3.2 复合核反应 50
3.3.3 中子的辐射损伤效应 53
3.3.4 用于中子探测的几个轻核反应(n，X) 53
参考文献 54
第4章 中子测量技术 57
4.1 中子探测基本原理 57
4.1.1 核反应 57
4.1.2 质子反冲(n-p散射) 58
4.1.3 核活化* 58
4.1.4 核裂变 58
4.1.5 中子强度(注量、注量率)的测量 59
4.2 常用的中子探测器 59
4.2.1 长中子计数器 59
4.2.2 伴随粒子法 60
4.2.3 反冲质子望远镜 69
4.2.4 裂变电离室 72
4.2.5 活化探测器 73
4.2.6 闪烁体探测器 76
4.2.7 半导体探测器 79
参考文献 80
第5章 中子剂量测量方法 82
5.1 基本概念 82
5.1.1 比释动能和吸收剂量 82
5.1.2 剂量当量 83
5.2 中子雷姆计 84
5.3 *混合场的剂量测量 85
5.3.1 总吸收剂量的测量 85
5.3.2 对电离室测量(n，Y)混合场中的吸收剂量 86
5.3.3 双电离室测量(n，y)场吸收剂量的不确定度 88
参考文献 89
第6章 中子能谱测量 91
6.1 反冲质子法测量中子能谱 91
6.1.1 反冲质子微分法 91
6.1.2 反冲质子积分法 91
6.1.3 测量微分中子能谱的核乳胶方法 93
6.2 球形含氢正比管探测器测量中子能谱 94
6.3 特殊核乳胶测量中子能谱的方法 95
6.3.1 载锂核乳胶 95
6.3.2 测量10～20MeV中子能谱的11B乳胶 96
6.4 阈探测器测量中子能谱 97
6.4.1 活化方程 98
6.4.2 用迭代法解中子能谱 98
6.4.3 常用的阈探测器的有关参数 99
6.5 中子TOF谱仪 99
6.5.1 飞行时间法原理 100
6.5.2 快中子TOF谱仪的结构 101
6.5.3 快中子TOF谱仪的分类 101
6.5.4 TOF谱仪的有机闪烁探头 102
6.5.5 快中子TOF谱仪的应用 105
6.6 聚变中子测温 105
6.6.1 聚变中子谱 105
6.6.2 热核聚变中子数 108
6.6.3用TOF法测量聚变中子谱和聚变温度 109
6.7其他中子能谱测量方法 110
6.7.1 多球谱仪 110
6.7.2 基于瞬发丫射线的中子能谱测量 110
参考文献 111
第7章 辖射防护问题 113
7.1 *射线的屏蔽 113
7.1.1窄束*射线在物质中的减弱 113
7.1.2宽束*射线衰减规律 113
7.1.3 *点源的屏蔽计算 114
7.2 中子屏蔽 114
7.2.1 同位素中子源的屏蔽 114
7.2.2 快中子的屏蔽 115
7.2.3 中子反照率 117
7.2.4 中子的大气反散射 118
参考文献 120
第8章 宏观中子物理 122
8.1 中子慢化 122
8.1.1 质心系和实验室系的中子散射 122
8.1.2 实验室系的中子散射角余弦的平均值 123
8.1.3 质心系球对称系统的中子散射 123
8.1.4 弹性散射的能量损失 124
8.1.5 不同散射核散射性质的比较 124
8.1.6 不同散射核的慢化能力和慢化比 124
8.1.7 减速中子能谱 125
8.2 中子扩散 127
8.2.1 输运方程的扩散近似 127
8.2.2 简单扩散理论的适用条件 128
8.2.3 扩散方程的边界条件 129
8.2.4 扩散方程的应用 129
8.2.5 单群扩散方程 131
8.2.6 费米年龄方程 134
8.3 中子输运理论 137
8.4 多组理论 137
参考文献 139
第9章 中子输运 141
9.1 一般分析 141
9.2 中子与介质相互作用的物理过程 141
9.2.1 裂变过程 141
9.2.2 辐射俘获过程 142
9.2.3 散射过程 142
9.2.4其他核反应过程 143
9.3 中子输运方程 143
9.3.1 基本物理量的定义 143
9.3.2 中子输运方程的建立 145
9.3.3 中子输运方程的边界条件 146
9.3.4 中子输运方程的共扼方程 147
9.3.5 输运方程的近似处理 147
9.3.6 单群理论 149
9.3.7 与能量有关的输运方程的数值求解方法 152
9.4 微扰理论和灵敏度分析方法 155
9.4.1 反应堆的微扰理论 156
9.4.2 灵敏度分析方法 157
参考文献 158
第10章 中子散射 160
10.1 简史与概要 160
10.1.1 发展历史 160
10.1.2 技术特点 161
10.2 原理及相关理论 161
10.2.1 基本概念 161
10.2.2 基本理论 163
10.3 中子散射实验设备和方法 185
10.3.1 中子源概述 185
10.3.2 稳态反应堆 187
10.3.3 散裂中子源 188
10.3.4 中子衍射 189
10.3.5 磁性中子衍射 194
10.3.6 中子小角散射 195
10.3.7 中子反射仪 199
10.3.8 三轴谱仪 200
10.3.9 背散射谱仪 201
10.3.10 自旋回波谱仪 201
10.4 中子散射在基础研究、工业以及国防等领域的应用 202
10.4.1 基础研究 202
10.4.2 生物分子研究 203
10.4.3 工业应用 206
10.4.4 中子散射探雷技术 209
参考文献 210
第11章 中子活化分析 213
11.1 中子活化分析原理 213
11.1.1 活化分析公式推导 213
11.1.2 中子能量、通量和反应截面 215
11.1.3 中子活化分析中的标准化方法 218
11.2 快、慢中子活化分析技术 221
11.2.1 常用的中子核反应 221
11.2.2 中子活化分析设备 221
11.2.3 样品制备 223
11.2.4 干扰反应 224
11.2.5 放射性活度测量和核素鉴别 225
11.3 利用反应堆中子的元素分析 228
11.3.1反应堆中子活化分析简介 228
11.3.2 ReNAA的基本操作 231
11.3.3 ReNAA的主要应用 241
11.4 瞬发Y中子活化分析 244
11.4.1 瞬发Y中子活化分析简介 244
11.4.2 PGNAA的基本操作 246
11.4.3 PGNAA的主要应用 248
参考文献 252
第12章 中子治癌 256
12.1 快中子治癌 256
12.1.1 快中子治癌历史 256
12.1.2 物理基础 257
12.1.3 生物基础 258
12.1.4 临床应用 262
12.2 硼中子俘获治疗 263
12.2.1 BNCT 263
12.2.2 B载体 266
12.2.3 中子源 269
12.2.4 前景 270
12.3 252Cf中子刀治疗 270
12.3.1 252Cf中子刀治疗历史 271
12.3.2 应用现状 271
参考文献 272
第13章 中子照相技术 274
13.1 中子照相技术的发展概况 274
13.2 中子照相技术的基本原理、影响因素及分类 274
13.2.1 中子照相技术的基本原理 274
13.2.2 影响中子照相质量的因素 275
13.2.3 中子照相的分类 277
13.3 中子照相装置 278
13.3.1 中子照相装置的组成 278
13.3.2 固定式中子照相装置 278
13.3.3 可移动式中子照相装置 284
13.3.4 中子照相转换屏